디지털화가 일상의 모든 영역에서 가속화함에 따라 각종 디바이스와 기계 장치들 사이에 교환하는 데이터양이 계속해서 빠르게 늘어나고 있다.

산업 분야에서는 기존의 통신 기술이 한계에 다다르면서 이더넷(산업용 이더넷)이 새로운 표준으로 부상 중이다.

이더넷 기술을 활용하면 100미터의 전송 거리까지, 만약 광섬유를 사용한다면 최대 수 킬로미터에 이르는 먼 거리까지 기가비트 대의 빠른 속도로 데이터 전송이 가능하다.

이더넷은 IEEE 802.3에서 정의하고 있는 인터페이스 규격이다. IEEE 802.3의 요소 중 하나가 이더넷 물리층(PHY)이다.

이는 데이터나 이더넷 프레임을 송신 및 수신하기 위한 트랜시버 장치이다. OSI 모델에서 이더넷은 레이어 1(물리층)과 레이어 2(데이터 링크 층)에 속한다.

물리층에서는 전기 신호, 신호 전송 속도, 매체와 커넥터 타입, 네트워크 토폴로지 등을 정의한다. 이더넷 PHY를 OSI 모델에 대입하면 표 1과 같다.


 


PHY는 물리적 인터페이스로서, 순수 디지털 시스템과 신호를 전송하기 위한 매체 사이에 데이터를 코딩하고 디코딩하는 일을 맡는다. 따라서 인터페이스 상에서 디지털 신호와 전기 신호 사이에 다리 역할을 한다.

데이터 링크층은 매체를 통한 통신과 메시지를 전송 및 수신하기 위한 프레임 구조를 정의한다. 다시 말해, 와이어로부터 비트들을 구조화하고 비트 스트림으로부터 데이터를 추출하는 것을 정의한다.

이더넷에서 이 기능을 MAC(media access control)이라 하며, PHY와 가깝게 붙어있기는 하나 데이터 링크 층에서 이루어진다. MAC은 통상적으로 컨트롤러나 스위치 내에 통합된다.

PHY는 외부로 부품을 사용하여 구성하거나 이더넷 컨트롤러에 통합될 수 있다. 그림 1의 블록 다이어그램에서는 필요한 이더넷 부품과 외부로 구성된 PHY를 볼 수 있다. 어떤 설계에 외부 구성  PHY를 사용하고자 한다면 몇 가지 점들을 고려해서 PHY를 선택해야 한다.

산업용 애플리케이션에서는 데이터 전송과 네트워크가 매우 안정적으로 동작해야 하며, 넓은 온도 범위에 걸쳐서 매끄럽게 동작해야 한다. 모든 부품이 이러한 요구를 충족해야 한다.

네트워크 사이클 시간은 컨트롤러가 연결된 디바이스들로부터 데이터를 수집하고 업데이트하는 데 걸리는 시간을 말한다. 지연 시간이 짧은 PHY는 네트워크 사이클 시간을 단축하고 네트워크 업데이트 시간을 향상시킨다. 이는 시간이 관건인 애플리케이션에서 특히 중요하다. 지연시간이 짧은 PHY를 선택할 경우 같은 시간내에 처리하는 양이 많아질 수 있으므로 네트워크에 더 많은 디바이스를 연결할 수 있다.

산업용 애플리케이션은 가혹한 환경에서도 안정적으로 동작해야 한다. PHY는 케이블에 직접 연결되거나 또는 소형 수동 소자들을 거쳐서 연결되므로 케이블에 간섭(복사 또는 전도)이 일어날 수 있기 때문에, 외부 조건을 잘 견딜 수 있어야 한다.

PHY의 규격과 관련해 지켜져야 할 EMC 표준으로는 CISPR 32와 IEC 61000-4-2부터 IEC 61000-4-6 등이 있다. PHY가 강건하면 인증 작업이 수월해지며, 성가신 설계 변경 작업도 필요 없다.


 


산업용 애플리케이션에 사용되는 디바이스들은 IP65/IP66 등급을 달성하기 위해 먼지와 습기가 침투하지 않도록 보호해야 한다. 이는 디바이스를 냉각하기 위한 공기 흐름을 제한하는 요인으로 작용한다.

또한 산업용 애플리케이션에 사용되는 디바이스들은 높은 고온 환경에 노출된다.

여기에 라인(line) 토폴로지나 링(ring) 토폴로지는 2개의 이더넷 배선이 필요하고 그에 따라 2개의 PHY가 필요하므로 데이터 입력과 출력의 PHY 손실이 두 배가 된다. 그러므로 자체 발열을 최소화하기 위해서는 손실이 낮은 PHY를 선택해야 한다.

아나로그디바이스(Analog Devices)는 산업용 분야의 요건을 충족하도록 설계된 산업용 이더넷 제품군인 ADI Chronous™를 제공하고 있으며, 여기에는 견고한 PHY 제품인 ADIN1200(10Mbps/100Mbps), ADIN1300(10Mbps/100Mbps/1Gbps), ADIN1100(10BASE-T1L)이 포함된다.

※ 저자 소개
토마스 브랜드(Thomas Brand)는 석사논문 과정 중에 2015년 뮌헨 아나로그디바이스에서 경력을 시작했다. 졸업 후 아나로그디바이스의 연수 프로그램에 참여했으며 2017년에 필드 애플리케이션 엔지니어가 되었다. 현재는 중부 유럽 지역 산업 고객을 지원하며, 산업용 이더넷 분야를 담당하고 있다. 독일 모스바흐 산학협력 대학에서 전기공학을 전공했으며, 콘스탄츠 응용과학 대학에서 국제 무역 석사학위를 받았다.