NCN26010：10 Mb/s工业以太网MAC + PHY IC控制器深度解析

在工业自动化、传感器接口、家庭/建筑控制以及安全和现场仪器等领域，以太网通信至关重要。今天，我们要深入探讨的是安森美（onsemi）的NCN26010，一款符合IEEE 802.3cg标准的10 Mb/s工业以太网MAC + PHY IC控制器，它为工业多分支以太网应用提供了强大的解决方案。

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一、产品概述

NCN26010集成了媒体访问控制器（MAC）、PLCA协调子层（RS）和10BASE - T1S PHY，能够在单根非屏蔽双绞线上实现数据的发送和接收。它通过Open Alliance MACPHY SPI协议与主机MCU进行通信，具有低功耗、高集成度和良好的抗干扰能力等特点。

产品特性

• 标准合规：符合IEEE 802.3cg 10BASE - T1S标准，工作电压为3.3 V。
• 数字输出：具备两个可配置的数字输出，可驱动低电流LED。
• 封装形式：采用4 mm x 4 mm QFN 32低外形封装。
• 接口兼容：Open Alliance兼容的SPI接口，用于与主机交换配置和数据帧。
• 碰撞检测与避免：支持IEEE 802.3 CSMA/CD碰撞检测，通过本地配置实现物理层碰撞避免（PLCA），确保在共享介质上无碰撞运行。
• 抗干扰能力：增强的抗噪声模式，允许在超过IEEE 802.3cg规范的噪声水平下进行通信。
• 节点支持：支持在超过25 m的UTP电缆上连接超过8个节点，启动时间小于100 ms。
• 隔离模式引导：支持隔离模式下的引导，且为无铅器件。

二、引脚配置

NCN26010的引脚配置涵盖了时钟、电源、数据传输、控制等多个方面，以下是部分重要引脚的功能介绍：	引脚名称	I/O类型	功能
XO	输出	晶体时钟连接。若使用石英晶体作为时钟源，晶体的一个引脚连接到此引脚；若使用外部时钟源，该引脚应悬空。
XI	输入	系统时钟/晶体连接。可选择连接外部晶体或3.3 V LVCMOS参考时钟信号。
VDD	电源	3.3 V电源供应。
LINEP/LINEN	双向模拟	MDI数据线（正/负）。
LED1/DIO1、LED0/DIO0	输出	8X - LVCMOS通用IO，具有可编程上拉/下拉功能，可驱动外部LED或其他电路。
RSTn	双向	低电平有效异步复位引脚，典型内部上拉电阻为54 kΩ，对于噪声敏感应用，建议使用10 kΩ外部上拉电阻连接到VDDIO。
SCLK	输入	SPI时钟输入。
IRQn	输出	低电平有效中断请求，可配置为在各种事件触发。
MOSI	输入	SPI数据输入。
CSn	输入	低电平有效芯片选择，用于SPI通信选择设备。
CLKO	输出	25 MHz时钟输出，可为同一PCB上的其他设备（如微控制器或FPGA）提供时钟源。
MISO	输出	SPI数据输出。

三、电气特性

电源功耗

• P_ACTIVE：在发送和接收以太网数据包时，功耗典型值为150 mW，最大值为215 mW（VDDIO = VDD = 3.3 V ± 10%）。
• P_ACTIVERX：仅接收时，功耗典型值为75 mW（VDDIO = VDD = 3.3 V ± 10%）。
• P_IDLE：空闲状态下，功耗典型值为55 mW（VDDIO = VDD = 3.3 V ± 10%）。

时钟特性

• F_XTAL/F_EXT：时钟精度在 - 100 ppm至 + 100 ppm之间（VDD = VDDIO = 3.3 V）。
• F_SPI：SPI时钟频率在VDD = VDDIO = 3.3 V时为25 MHz，VDDIO = 2.5 V时为20 MHz。

线路发送和接收特性

• 数据速率：10BASE - T1S数据速率为10 Mb/s。
• 输出峰值：差分输出峰值（峰 - 峰）典型值为1000 mV（VDD = 3.3 V ± 10%，TX GAIN = 默认）。
• 抖动：周期 - 周期抖动典型值为0.2。

四、详细功能解析

物理层碰撞避免（PLCA）

PLCA是NCN26010的一个重要特性，它通过轮询仲裁方案为节点分配发送机会，实现了对共享介质的公平访问。在高网络负载下，PLCA可以提高数据吞吐量，减少最大延迟，并防止“喋喋不休的白痴”问题。通过本地配置，NCN26010可以支持至少8个节点在共享介质上无碰撞运行。

集成MAC功能

集成的10 Mb/s CSMA/CD MAC提供了多种功能，包括多MAC地址过滤、广播/组播过滤、混杂模式、FCS生成/检查、统计/诊断计数器和状态报告等。此外，设备还提供了工厂预设的唯一MAC地址。

SPI协议处理

SPI协议处理支持8字节、16字节、32字节和64字节的数据块，以及“存储转发”和“直通”操作。它还支持受保护和不受保护的控制事务，配备4 kByte的TX和RX缓冲区。

非标准特性

NCN26010还实现了一些非标准特性，如增强的噪声免疫PMA操作（ENI）、碰撞检测屏蔽、PLCA优先级模式和PLCA协调器选择等。

五、寄存器内存映射

NCN26010提供了多个内存映射选择组，包括标准SPI控制和状态寄存器、MAC寄存器、PHY - PCS寄存器、PHY - PMA/PMD寄存器以及PLCA和厂商特定寄存器等。每个寄存器都有详细的位域定义和访问类型说明，工程师可以通过SPI协议对这些寄存器进行读写操作，以实现对设备的配置和控制。

六、应用信息

时钟源选择

NCN26010需要一个精确而稳定的25 MHz时钟源。可以选择使用外部25 MHz时钟源，将其连接到XI引脚，同时XO引脚悬空；也可以使用石英晶体连接到XTAL振荡器电路，晶体连接在XI和XO引脚之间。此外，设备还提供了一个CLKO引脚，可输出25 MHz时钟，为其他组件提供时钟信号。

设备配置示例

CSMA/CD操作配置

1. 对设备进行复位，向复位控制和状态寄存器（MMS0，地址0x0003）写入0x00000001。
2. 在MAC CONFIG0寄存器（MMS1，地址0x0000）中设置相关位：
   • 位8：配置MAC计算并附加FCS。
   • 位1：启用TX功能。
   • 位0：启用RX功能。
3. 启用物理链路，设置“PHY控制寄存器”（MMS0，地址0xFF00）的位12。
4. 根据应用需求配置SPI协议引擎，在SPI CONFIG0寄存器（MMS0，地址0x0004）中设置相应位。最后，将SYNC位设置为1，允许数据在主机和MACPHY之间流动。

PLCA操作配置

除了CSMA/CD的基本设置外，对于PLCA协调器节点，还需要进行以下设置：

1. 在PLCACTRL1寄存器（MMS4，地址0xCA02）中设置本地PLCA ID为0，并配置适当的PLCA节点计数。
2. 向PLCACTRL0寄存器（MMS4，地址0xCA01）的位15写入1，启用PLCA。

地址过滤

为了减少SPI接口上的流量，NCN26010提供了灵活的地址过滤方案。通过设置ADDRFLTH、ADDRFLTL、ADDRMASKL和ADDRMASKH寄存器，可以实现对广播、组播和单播地址的过滤。例如，要转发所有广播帧和目标地址为60:C0:BF:01:01:01的帧，可以按照以下步骤设置：

• 设置ADDRFLT0L为0xBF010101，ADDRFLT0H为0x800060C0（位31激活该过滤器）。
• 设置ADDRMSK0L为0xFFFFFFFF，ADDRMSK0H为0x0000FFFF。
• 在MAC CONTROLL0寄存器中设置ADRF位并清除BCSF位。

七、总结

NCN26010作为一款功能强大的工业以太网MAC + PHY IC控制器，为工业多分支以太网应用提供了全面的解决方案。其丰富的特性和灵活的配置选项，使得工程师可以根据不同的应用场景进行定制化设计。无论是在工业自动化、传感器接口还是其他领域，NCN26010都能够发挥出其优势，为系统的稳定运行提供保障。在实际应用中，工程师需要根据具体需求，合理选择时钟源、进行设备配置和地址过滤，以充分发挥NCN26010的性能。你在使用类似的以太网控制器时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验。