NCN26000：10BASE - T1S物理层收发器的详细解析

引言

在当今的电子领域，对于高效、稳定的网络通信需求日益增长。NCN26000作为一款10BASE - T1S物理层收发器，集成了PLCA协调子层，为共享媒体网络提供了可靠的解决方案。本文将深入探讨NCN26000的各个方面，包括其引脚功能、电气特性、工作模式、寄存器配置以及应用信息等，希望能为电子工程师们在设计相关系统时提供有价值的参考。

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一、NCN26000概述

NCN26000是一款符合IEEE 802.3cg标准的10BASE - T1S物理层收发器，它运行于单个3.3V电源，支持在共享媒体（多节点）网络段上工作，单根双绞线（UTP / STP）连接长度至少可达25m。该收发器提供了一个媒体独立接口（MII），可连接到标准的IEEE CSMA/CD以太网MAC，在半双工模式下提供10Mb/s的共享总线速度。

二、引脚说明

电源与接地引脚

• GND（引脚1、外露焊盘）：接地引脚，为芯片提供接地参考。
• VDD（引脚5）：3.3V电源引脚，为芯片提供电源。
• VDDIO（引脚22）：数字IO的3.3V电源，也可设置为2.5V以支持2.5V LVCMOS。
• DVDD（引脚32）：LDO为数字核心供电的输出，需连接2.2μF去耦电容。

时钟引脚

• XO（引脚3）：时钟晶体连接输出引脚。若使用晶体作为时钟源，晶体的一个引脚应连接到该引脚；若使用外部时钟源，此引脚应浮空。
• XI（引脚4）：系统时钟/晶体连接输入引脚，可连接外部25MHz晶体或3.3V LVCMOS参考时钟信号。

数据传输引脚

• LINEP（引脚6）：双向模拟数据正线。
• LINEN（引脚7）：双向模拟数据负线。
• TXCK（引脚15）：MII 2.5MHz PHY到MAC的发送时钟。
• TXEN（引脚16）：MII MAC到PHY的发送使能。
• TXER（引脚17）：MII MAC到PHY的发送错误。
• TXD0 - TXD3（引脚18 - 21）：MII MAC到PHY的发送数据。
• RXCK（引脚23）：MII PHY到MAC的接收时钟。
• CRS（引脚24）：MII PHY到MAC的载波检测（忙信号）。
• COL（引脚25）：MII PHY到MAC的冲突检测。
• RXER（引脚26）：MII PHY到MAC的接收错误。
• RXDV（引脚27）：MII PHY到MAC的接收数据有效。
• RXD0 - RXD3（引脚28 - 31）：MII PHY到MAC的接收数据。

其他引脚

• LED1/DIO1（引脚9）：输出引脚，为8X - LVCMOS通用IO，可通过编程设置上拉/下拉，可驱动外部LED或其他电路。
• LED0/DIO0（引脚10）：功能与LED1/DIO1类似。
• MDINT（引脚11）：开漏、低电平有效MIIM中断信号，可配置为提供各种寄存器状态变化通知。
• RSTn（引脚12）：双向8X - 开漏/施密特触发器，低电平有效异步复位引脚，内部典型上拉电阻为54kΩ，对于噪声敏感应用，建议使用4.7kΩ - 10kΩ外部上拉电阻连接到VDDIO。
• MDCK（引脚13）：MIIM时钟输入，可连续提供时钟或仅在MDIO事务期间提供。
• MDIO（引脚14）：MIIM数据输入/输出，用于读写PHY寄存器。

三、电气特性

绝对最大额定值

• VDD：芯片电源范围为 - 0.3V至3.63V。
• GND：接地范围为 - 0.3V至0V。
• TSTG：存储温度范围为 - 65°C至150°C。
• TSLD：焊接时引脚温度（10秒）为260°C。
• LINEP、LINEN：线电压范围为 - 30V至30V。
• ESDHBM：人体模型ESD能力为2kV，LINEP和LINEN引脚的人体模型ESD能力为8kV。
• ESDCDM：带电设备模型ESD能力为0.5kV。
• LU：闩锁电流抗扰度为100mA。

推荐工作范围

• VDD：芯片电源为2.97V - 3.63V。
• VDDIO：3.3V操作时I/O电源为2.97V - 3.63V，2.5V操作时为2.25V - 2.75V。
• GND：接地为0V。
• TAMB：环境工作温度为 - 40°C至125°C。

电源功耗

• PACTIVE：在发送和接收以太网数据包时，VDDIO = VDD = 3.3V ± 10%条件下，功耗为145 - 195mW。
• PACTIVERX：仅接收时，功耗为60mW。
• PIDLE：闲置时，功耗为40mW。

时钟特性

• FSPI：SPI时钟频率，VDD = VDDIO = 3.3V ± 10%时为25MHz，VDD = 3.3V ± 10%，VDDIO = 2.5V + 10%时为20MHz。

线路发射器特性

• VOUTpp：TX增益为默认值时，输出峰 - 峰值为800 - 1200mV。
• JTX：抖动为0.2 - 1ns。
• trise：上升时间为10ns。
• ROUT：输出阻抗为40 - 50Ω。

线路接收器特性

• VTHRX：接收器阈值为0mV。
• VEDRX：能量检测阈值，VDD = 3.3V ± 10%且RX_ED为默认值时为250mV。
• Vacc：阈值精度为 - 30 - 30mV。
• VCM：共模电压范围为 - 20 - 20V。
• RIN：差分输入电阻（驱动器为高阻态）为25 - 60kΩ。
• CIN：差分输入电容（20MHz）为5.5 - 7.5pF。

四、工作模式

启动选项

NCN26000提供两种启动模式，可在启动（硬复位或上电）时使用跳线引脚进行选择：

• NORMAL模式：NCN26000作为标准10BASE - T1S PHY，通过MII接口连接到CSMA/CD兼容MAC。
• ISOLATED模式：与NORMAL模式相同，但除MDC/MDIO外，所有接口引脚保持高阻态，直到通过MDIO（控制寄存器，地址0，位10）禁用隔离模式。

正常模式

在NORMAL模式下，NCN26000呈现一个标准的2.5MHz MII接口，可连接到标准的CSMA/CD媒体访问控制器（MAC）。可使用Clause 22 MDIO事务来读写Clause 22和Clause 45 MIIM寄存器，内部PLCA RS可使用与OPEN Alliance PLCA寄存器规范兼容的Clause 45寄存器进行配置。

隔离模式

在ISOLATED模式下，所有MII引脚和LINEx引脚保持高阻态。要退出隔离模式，用户需使用MDIO写访问清除寄存器0.10（Clause 22）中的ISOM位。DIOx引脚和管理接口引脚（MDC、MDIO和MDINT）不被隔离，该模式在连接的MAC设备需要额外配置或解决系统级复杂上电序列时很有用。

五、MIIM接口（MDIO）

NCN26000支持MII管理接口（MDIO），允许使用Clause 22访问方法访问16个标准和16个厂商定义的寄存器。10BASE - T1S特定寄存器（由IEEE802.3cg - 2019定义）位于Clause 45指定的寄存器空间中。

Clause 22寄存器

• 控制寄存器（地址0）：包含复位、环回、链路控制等功能位。
• 状态寄存器（地址1）：提供PHY的状态信息，如支持的速度、链路状态等。
• PHY标识符寄存器（地址2、3）：包含PHY的标识符信息。
• MMD访问控制寄存器（地址13）：用于选择Clause 45寄存器地址或内容。
• MMD访问地址数据寄存器（地址14）：用于存储MMD访问的地址和数据。
• MIIM IRQ控制寄存器（地址16）：用于配置MDINT中断的触发条件。
• MIIM IRQ状态寄存器（地址17）：用于记录MDINT中断的状态。
• DIO配置寄存器（地址18）：用于控制通用I/O引脚DIO1和DIO0的功能。

Clause 45寄存器

包含多个寄存器，如设备包寄存器、10BASE - T1S PMA控制和状态寄存器、PCS控制和状态寄存器等，用于实现特定的功能和配置。

六、时序参数

MII TX时序

• TXCK周期：399.96 - 400.04ns。
• TXCK高脉冲宽度：200ns。
• TXCK低脉冲宽度：200ns。
• TXD、TXER、TXEN设置时间：相对于TXCK上升沿为10ns。
• TXD、TXER、TXEN保持时间：相对于TXCK上升沿为10ns。
• TXEN高到CRS延迟：800ns。
• TXEN低到CRS撤销：800ns。

MII RX时序

• RXCK低脉冲宽度：200ns。
• RXD、RXER、RXDV输出延迟：相对于RXCK上升沿为182 - 250ns。
• CRS到RXD、RXER、RXDV延迟：6.4μs。

MIIM时序

• MDC时钟周期：400ns。
• MDC高脉冲宽度：200ns。
• MDC低脉冲宽度：200ns。

启动时序

启动过程有特定的时序要求，如复位时间、采样时间等，具体参数可参考文档中的表格。

七、应用信息

外部组件值

• CvDD、CvDDa：滤波电容，值为100nF。
• CDRVN：TX驱动器调节器输出连接的外部2.2μF去耦电容。
• CDVDD：滤波电容，值为2.2μF。
• LvIN：100MHz时为1（Murata BLM18HG102SH1D）。
• RMDIO：上拉电阻，值为10kΩ。
• 晶体：Murata XRCGB25M000F3A00R0。
• RxS：晶体相关电阻，值为12kΩ。
• CMC：TDK ACT1210E - 241 - 2P - TL - 000，值为200nF。
• Rp、RN：终端电阻，值为49.9Ω。
• ESD保护器件：如Kingbright APT1608LCGCK，可选。
• RLED：LED限流电阻，值为680Ω。

时钟源

NCN26000需要一个精确且稳定的25MHz时钟源，可通过以下两种方式提供：

• 晶体振荡器：使用25MHz并联谐振AT切割石英晶体，连接到XI和XO引脚。
• 外部时钟源：将25MHz（±100ppm）时钟信号连接到XI引脚，XO引脚浮空。

设备配置示例

普通CSMA/CD操作基本配置

1. 通过设置控制寄存器（地址0）的位15进行设备复位。
2. 若NCN26000以隔离模式启动，将位10设置为0以进入正常模式。
3. 通过设置同一寄存器的位13启用链路。

PLCA操作基本配置

1. 在PLCA控制1寄存器（MMD 31，地址51714）中为节点分配唯一的PLCA ID（范围为0 - 254，0为协调器）。
2. 若节点为协调器，设置允许的最大传输机会数。
3. 在PLCA传输机会定时器寄存器（MMD 31，地址51716）中配置TO_TIMER值。
4. 如有需要，配置其他PLCA功能。
5. 通过将PLCA控制0寄存器（MMD 31，地址51713）的位15设置为1启用PLCA。
6. 若NCN26000以隔离模式启动，将PHY控制寄存器（地址0）的位10设置为0以进入正常模式。
7. 通过设置同一寄存器的位13启用链路。

八、总结

NCN26000作为一款功能强大的10BASE - T1S物理层收发器，提供了丰富的功能和灵活的配置选项。通过对其引脚功能、电气特性、工作模式、寄存器配置以及应用信息的深入了解，电子工程师们可以更好地利用该芯片设计出高效、稳定的网络通信系统。在实际应用中，需要根据具体需求合理选择时钟源、配置寄存器，并注意外部组件的选型和布局，以确保系统的性能和可靠性。你在使用NCN26000过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。