Zhou Fang

在工廠自動化應用中，由于現場設備節點數量與日俱增，同時對于自動化設備加工精度與實時性要求越來越高，傳統的串行工業總線已經無法滿足生產線同步性與大規模數據傳輸的要求。以太網逐漸成為主流，基于以太網全球主流OEM開發確定性網絡工業以太網協議包括Profinet, Ethercat, Powerlink等。這些協議都需要以太網作為傳輸介質，以太網PHY主要負責。目前工業以太網總線速率以10/100M速率為主，下一代工業總線技術將會基于TSN（時間敏感網絡）與速率1000M及以上的以太網協議。

在進行以太網口功能調試過程中，最常見的問題是兩個端口之前無法正確建立物理層鏈接。所以本文檔的內容基于TI以太網PHY產品DP83822，介紹以太網網口自協商（Auto-Negotiation）功能現象，正確的測試波形與Strap電阻設置。

1. 介紹

OSI模型定義了7層網絡模型，以太網MAC層對應OSI模型中的第二層-數據鏈路層，以太網PHY對應OSI模型中的第一層-物理層。對于以太網而言，物理層的主要功能是將在網線或者光纖中傳輸的原始數據（電壓，電流等）轉化為可被接收且符合協議的數字信號，其為數據鏈路層提供物理連接。物理層主要規定了信號電壓，頻率，引腳功能，阻抗等。作為網絡通訊的基礎，只有在物理層成功建立鏈接后，通信數據才能在端口之間進行傳輸。以太網PHY承擔了物理層鏈接的所有工作，只有PHY工作在正確配置下，通信鏈路才能正常工作。下面會以10M/100M以太網PHY為例，說明物理層鏈接建立方式 – 自動協商及如何檢通過檢測TRX_P/N管腳波形判斷DP83822是否正確開啟該功能。

2. DP83822自動協商（Auto-Negotiation）功能

根據IEEE802.3，自動協商模式功能是以太網端口根據另一個端口的設備鏈接速度，雙工模式，自動把本端口的速度和工作模式調節到兩個端口可以支持的最高水平。自協商協議的主要內容包括：雙工模式，運行速率等。自動協商功能完全由物理層PHY芯片實現，無需額外數據包和高層協議開銷。根據廣播通信速率10M或者100M的不同，自動協商功能提供兩種模式NLP（Figure 6）和FLP（Figure 2）。

DP83822I（工業版本）支持10M – 10Base- TE模式和100M – 100Bast – TX模式

10Base-TE自動協商模式（10M）

使用單獨10Base-TE廣播自動協商模式時， PHY芯片會通過Figure 1中TXD_P, TXD_N和RXD_P，RXD_N發送NLP（Normal Link Pulse）普通鏈路脈沖，每個脈沖間隔16ms。為了同時兼容T568A直連網線和T568B交叉網線，所以在收發端同時廣播NLP，根據對方對口的監聽情況判斷是否使用自動交叉線切換功能（Auto-MDIX）。

100Base-TX自動協商模式（100M）

使用100Bast-TX自動協商模式時， PHY芯片會通過Figure 1中TXD_P, TXD_N和RXD_P，RXD_N發送FLP（Fast Link Pulse）快速鏈路脈沖。由于100Base-TX自動協商模式由100Base-T向10Base-T兼容，如果對方端口只能支持10M以太網，則兩側都會判定為10Base-T。為了同時兼容T568A直連網線和T568B交叉網線，所以在收發端同時廣播FLP，根據對方對口的監聽情況判斷是否使用自動交叉線切換功能（Auto-MDIX）。

Figure 1 DP83822原理圖

開啟自動協商模式：TXD_P/N引腳波形

測試使用DP83822I評估模塊[1]，默認電阻與寄存器配置，在無網線連接其他以太網端口的情況下。通過觀測TXD_P引腳波形可以判斷芯片是否在進行自動協商。

當無其他端口與本端口連接時，自動模式下TXD_P/N引腳發送的FLP波形為Figure 2。TXD_P/N會持續發送FLP信號給遠端以太網端口，同時TXD_P/N也會監聽對端是否通過網線傳輸FLP信號。每幀FLP脈沖發送時間間隔16ms。直流共模電壓3.3V，單端峰值電壓5.2V。

Figure 2 100base-TX自動協商 FLP信號

如果對單幀脈沖周期進行放大可以觀察到FLP信號包含多個脈沖信號。最大數量為33個脈沖，第一個脈沖和最后一個脈沖為時鐘脈沖，每兩個時鐘脈沖之間為數據脈沖。當數據脈沖出現時，該比特位為’1’，當數據脈沖為0時，該比特位為’0’。雙工模式，速率等信息就包含在16個數據脈沖之中，如Figure 3所示。

Figure 3 100base-TX自動協商 單幀FLP信號

如Figure 4所示，單個脈沖TXD_P和TXD_N幅值相同，相位相差180度差分信號。

Figure 4 100base-TX自動協商 TXD_P/N差分信號（紅色TXDP-TXDN） 峰值為3.3V

關閉自動協商模式：TXD_P/N引腳波形

使用DP83822I評估板，在上電后使用工具[2]將0x0000(BMCR) BIT12更改為’0’，關閉自動協商模式。此時得到Figure 5，由圖可知TXD_P不再發送FLP脈沖群，而是在持續發送MLT-3信號。發送MLT-3表示PHY認為此時已經進入強制100Base-TX, Figure 5表示以太網PHY工作在100Bast-TX的空閑狀態。

Figure 5 100Base-TX以太網特征信號（MTL-3電平）- 自動協商功能關閉

此時將0x0000(BMCR) BIT13設置為’0’，即將以太網速度從100M變為10M。此時TXD_P/N在持續發送NLP信號，因為10Base-TE 空閑模式與NLP信號相同。此時PHY進入強制10Base-TE模式。

Figure 6 10Base-TE NLP - 自動協商功能關閉

從以上測試結果可以發現，通過示波器觀察TXD_P/N引腳信號可以對以太網PHY（例如DP83822I）上電后的鏈接電路的模式和狀態進行分類。在現在通用以太網PHY的設計中，通常建議開啟自動協商模式支持最高速率與全雙工模式（Auto-Negotiation），當在無遠端以太網端口鏈接的情況下，應能在TXD_P/N引腳觀側到Figure 2和Figure 3波形。

自動協商模式Strap電阻配置

DP83822I在上電完成之后，需要默認使能自動協商模式，且保證最快速率和全雙工模式，最重要的一點是保證基礎模式選擇正確，即AN_EN=1, AN_1=1, AN_0=1。

Figure 7 自動協商模式可配置的

相關引腳的電阻配置如Figure 8所示，根據[3]可以得到RX_D0, RX_D3和LED_0的推薦電阻配置如下:

Figure 8 自動協商模式相關Strap電阻配置

RX_D0引腳電阻配置：

MODE1（上拉電阻：OPEN; 下拉電阻：OPEN）和MODE4（上拉電阻：2.49k Ohm；下拉電阻：OPEN）。

RX_D3引腳電阻配置：

MODE1（上拉電阻：OPEN; 下拉電阻：OPEN）和MODE4（上拉電阻：2.49k Ohm；下拉電阻：OPEN）。

LED_0引腳電阻配置：

MODE3（上拉電阻：6.2k Ohm; 下拉電阻：1.96k Ohm）和MODE4（上拉電阻：OPEN；下拉電阻：OPEN）。

審核編輯：郭婷