На 5 февруари тази година беше одобрен нов стандарт за 10-мегабитен Ethernet. Да, прочетохте правилно: десет мегабита в секунда.
За какво е нужна такава „малка“ скорост в 21-ви век? За да замени този зоопарк, който се крие зад обемистото име „полеви шина“ — Profibus, Modbus, CC-Link, CAN, FlexRay, HART и т.н. Те са твърде много, несъвместими помежду си и сравнително сложни за настройка. А искаме просто да включим кабела в комутатора и да готово. Както с обикновения Ethernet.
И скоро това ще стане възможно! Запознайте се: „802.3cg-2019 — IEEE стандарт за Ethernet — поправка 5: Спецификации на физическия слой и параметри за управление за работа с 10 Mb/s и свързано захранване през един балансиран чифт проводници.“
С какво е интересен този нов Ethernet? Първо – той работи с един усукан чифт, а не с четири. Затова има по-малки разъеми и по-тънки кабели. И можете да използвате вече прокарания усукан чифт, който води до сензорите и изпълнителните механизми.
Можете да възразите, че Ethernet работи до 100 метра, а сензорите са разположени много по-далеч. Всъщност, преди това беше проблем. Но 802.3cg работи на разстояние до 1 км! С един чифт! Не е зле?
Всъщност, дори още по-добре: по същия чифт може да се подава и електрическа енергия. Нека започнем с това.
IEEE 802.3bu захранване по данни (PoDL)
Предполагам, че много от вас са чували за PoE (захранване по Ethernet) и знаят, че за предаване на енергия са нужни 2 двойки проводници. Вход/изходът на захранването е направен в средните точки на трансформаторите на всяка двойка. Използвайки една двойка, това не е възможно. Затова трябваше да се направи по различен начин. Как точно — показано е на изображението по-долу. За пример е добавен и класически PoE.
Тук:
PSE – устройство за захранване
PD – захранвано устройство (устройство в края, което консумира електричество)
Първоначално 802.3bu имаше 10 класа на захранване:
Цветовете подчертават трите условни градации на напрежението на захранването: 12, 24 и 48V.
Обозначения:
Vpse — напрежението на захранването, V
Vpd min — минималното напрежение на PD, V
I max — максималният ток в линията, A
Ppd max — максималната потребявана мощност на PD, W
С появата на протокола 802.3cg добавиха още 6 класа:
Разбира се, при такова многообразие PSE и PD трябва да съгласуват класа на електрозахранването преди подаването на пълното напрежение. Това става чрез SCCP (Протокол за класификация на сериен комуникационен протокол). Това е нискоскоростен протокол (333 бита/с), базиран на 1-Wire. Той работи само когато не е подадено основното захранване (включително в режим на сън).
На блок-схемата е показано как се извършва подаването на енергия:
- подава се ток от 10mA и се проверява наличието на стабилитрон на 4V от другата страна
- извършва се съгласуване на класа на захранването
- подава се основно захранване
- ако потреблението падне под 10mA – влиза в режим на сън (подаване на дежурно захранване от 3.3V)
- ако потреблението надвиши 1mA – се извършва изход от режим на сън
Съгласуването на класа на захранването не е необходимо, ако той е предварително известен. Тази опция се нарича Режим на бързо стартиране. Използва се, например, в автомобили, тъй като там няма нужда от промяна на конфигурацията на свързаното оборудване.
Инициирането на преход в режим на сън може да се извърши както от PSE, така и от PD.
Сега да преминем към описанието на предаването на данни. Там също е интересно: в стандарта са определени два режима на работа – за големи разстояния и за малки разстояния.
10BASE-T1L
Това е вариант за голямо разстояние (long reach). Основните характеристики са следните:
- действие на разстояние – до 1 км
- проводници 18AWG (0.8 mm²)
- до 10 междинни разъема (и два крайни)
- режим на работа точка-точка
- пълен дуплекс
- символна скорост 7.5 Mbod
- модулация PAM-3, кодиране 4B3T
- сигнал с амплитуда 1V (1Vpp) или 2.4V
- подкрепа на Energy Efficient Ethernet ('quiet/refresh' EEE)
Очевидно, този вариант е предназначен за индустриално приложение, системи за контрол на достъпа, автоматизация на сгради, асансьори. За управление на разположените на покривите чилъри, климатици, вентилатори. Или в техническите помещения, отоплителни котли и помпи. Тоест, множество приложения освен за индустрията. Да не говорим за интернет на нещата (IoT).
Нужно е да се спомене, че 10BASE-T1 е само един от стандартите на Single Pair Ethernet (SPE). Има и 100BASE-T1 (802.3bw) и 1000BASE-T1 (802.3bp). Вярно е, че те са разработвани за автомобилни приложения, затова диапазонът там е само 15 (UTP) или 40 метра (STP). Въпреки това, в плановете вече има и вариант за дълги разстояния 100BASE-T1L. Така че в бъдеще вероятно ще добавят автоматично съгласуване на скоростта.
А дотогава, докато не е одобрен, е обявен "бърз старт" на интерфейса: под 100 мс от подаване на захранване до започване на обмена на данни.
Още една опция (необязателна) – увеличение на амплитудата на предаване от 1 до 2.4V за подобряване на отношението сигнал/шум, намаляване на грешките и противодействие на индустриалните смущения.
И, разбира се, EEE. Това е начин за спестяване на електрическа енергия, чрез изключване на предавателя, когато в момента няма данни за предаване. На диаграмата е показано как изглежда:
Няма данни – изпращаме съобщение "стана време за сън" и се изключваме. От време на време се събуждаме и изпращаме съобщение "аз все още съм тук". Когато данните се появят, на противоположната страна се изпраща предупреждение "събуждам се" и започва предаването. Тоест, само приемниците работят постоянно.
Сега да видим какво са измислили с втория вариант на стандарта.
10BASE-T1S
Още от последната буква е ясно, че това е протокол за къси разстояния (short reach). Но защо е необходим, ако на къси разстояния работи и T1L? Нека да прочетем характеристиките:
- дистанция до 15 м в режим точка-точка
- дуплекс или полудуплекс
- проводници 24-26AWG (0.2-0.13мм2)
- символна скорост 12.5Мбод
- DME, кодиране 4B5B
- сигнал с амплитуда 1V (1Vpp)
- до 4 междинни съединителя (и два крайни)
- няма поддръжка на EEE
Изглежда, че няма нищо особено. Но за какво е нужен?
- дистанция до 25 м в режим мултипоинт (до 8 възела)
И това:
- режим на работа с предотвратяване на колизии PLCA RS (PHY-Level Collision Avoidance Reconciliation Sublayer)
И това вече е много по-интересно, нали? Тъй като помага да се намали значително броят на проводниците в управленските шкафове, машини, роботи, автомобили. И вече има предложения за използването му като заместител на I2C в сървъри, комутатори и друга електроника.
Но режимът на мултипоинт има недостатъци. Основният от тях е споделената среда на предаване на данни. Разбира се, колизиите се разрешават чрез CSMA/CD. Но не е известно каква ще бъде забавянето. А за някои приложения това е критично. Затова в новия стандарт мултипоинт е допълнен със специален режим PLCA RS (вижте следващия раздел).
Вторият недостатък е, че в мултипоинта не работи PoDL. Тоест, захранването ще трябва да се подава чрез отделен кабел или да се взема отнякъде на място.
Въпреки това, в режим точка-точка PoDL работи и на T1S.
PLCA RS
Този режим работи по следния начин:
- възлите разпределят идентификаторите помежду си, възел с ID=0 става координатор
- координаторът излъчва в мрежата BEACON сигнал, означаващ начало на нов цикъл на предаване и предава своя пакет данни
- след предаване на пакета данни опашката за предаване преминава на следващия възел
- ако в рамките на времето, необходимо за предаване на 20 бита, възел не е започнал предаване, опашката преминава на следващия възел
- когато всички възли предадат данни (или пропуснат своя ред), координаторът започва нов цикъл
Общо, това напомня TDMA. Но с особеността, че възел не използва своя времеви фрейм, ако няма какво да предава. И размерът на фрейма не е строго зададен, тъй като зависи от размера на пакета данни, предаван от възела. Всичко това работи върху стандартни Ethernet 802.3 фреймове (PLCA RS не е задължителен, така че трябва да има съвместимост).
Резултатът от използването на PLCA е показан на долните графики. Първият – закъснение в зависимост от натоварването, вторият – пропускателна способност в зависимост от броя на предаващите възли. Ясно се вижда, че закъснението стана много по-предвидимо. И в най-лошия случай е със два реда по-малко от най-лошия случай CSMA/CD:
И пропускателната способност на канала в случай на PLCA е по-висока, тъй като не се губи време за разрешаване на колизии:
Портове
Първоначално избирахме от 6 варианта на конектори, предложени от различни компании. В крайна сметка спряхме на тези два варианта:
За обикновени условия на експлоатация беше избран LC конектор IEC 63171-1 на компания CommScope.
За сурови условия на експлоатация – семейството на конектори IEC 63171-6 (бивш 61076-3-125) на компания HARTING. Тези конектори са проектирани с нива на защита от IP20 до IP67.
Разбира се, конекторите и кабелите могат да бъдат или UTP, или STP.
Други
Може да се използва обикновен четирижилен кабел Ethernet, като се използва всяка двойка за отделен канал SPE. Така не се налага да теглим четири отделни кабела на дълги разстояния. Или да се използва еднопарен кабел, а на далечния край да се постави комутатор на еднопарен Ethernet.
И може да свържете този комутатор директно в локалната мрежа на предприятието, ако мрежата по оптоволокно вече е протегната на дълги разстояния. Да свържете сензори там и да наблюдавате данните тук. Направо през мрежата. Без конвертори на интерфейси и шлюзове.
И не е задължително да са сензори. Могат да бъдат видеокамери, домофони или "умни" лампички. Приводи на някакви клапани или турникети на проходите.
Така че перспективите се отварят интересни. Малко вероятно е, разбира се, SPE да замени всички полеви гуми. Но значителна част от тях ще вземе. Най-малкото в автомобилите определено.
PS Не намерих текста на стандарта в отворен достъп. Представената по-горе информация беше събрана на парчета от различни презентации и налични в интернет материали. Затова там може да има неточности.
Източник: habr.com
