Ethernet квартал: стара скорост, нови възможности

На 5 февруари тази година беше одобрен нов стандарт за 10-Mbit Ethernet. Да, прочетохте правилно: десет мегабита в секунда.

Защо е необходима такава „малка“ скорост в 21 век? Да замени зоологическата градина, която се крие под обширното име „полева шина“ - Profibus, Modbus, CC-Link, CAN, FlexRay, HART и др. Има твърде много от тях, те са несъвместими един с друг и са относително трудни за конфигуриране. Но просто искате да включите кабела в превключвателя и това е всичко. Същото като при обикновен Ethernet.

И скоро ще бъде възможно! Запознайте се с: „802.3cg-2019 – IEEE стандарт за Ethernet – Изменение 5: Спецификации на физическия слой и параметри за управление за 10 Mb/s работа и свързано захранване през единична балансирана двойка проводници.“

Какво е толкова вълнуващо в този нов Ethernet? Първо, работи върху една усукана двойка, а не върху четири. Поради това има по-малко конектори и по-тънки кабели. И можете да използвате вече положен кабел с усукана двойка, който отива към сензорите и изпълнителните механизми.

Може да се твърди, че Ethernet работи до 100 метра, но сензорите са разположени много по-далеч. Наистина, това беше проблем. Но 802.3cg работи на разстояние до 1 км! Един чифт наведнъж! Не е зле?

Всъщност дори по-добре: захранването може да се подава и през същата двойка. Оттам ще започнем.

IEEE 802.3bu Power over Data Lines (PoDL)

Мисля, че много от вас са чували за PoE (Power over Ethernet) и знаят, че са необходими 2 чифта кабели за предаване на мощност. Входът/изходът на мощността се извършва в средните точки на трансформаторите на всяка двойка. Това не може да се направи с помощта на един чифт. Затова трябваше да го направим по различен начин. Как точно е показано на фигурата по-долу. Например, добавен е и класически PoE.

Тук:
PSE – оборудване за захранване (захранване)
PD – захранвано устройство (устройство от далечния край, което консумира електроенергия)

Първоначално 802.3bu имаше 10 класа на мощност:

Три конвенционални градации на напрежението на източника са подчертани в цвят: 12, 24 и 48V.

Легенда:
Vpse - захранващо напрежение, V
Vpd min - минимално напрежение на PD, V
I max - максимален ток в линията, A
Ppd max — максимална консумация на мощност PD, W

С появата на протокола 802.3cg бяха добавени още 6 класа:

Разбира се, при такова разнообразие, PSE и PD трябва да се договорят за класа на мощност, преди да приложат пълно напрежение. Това се прави с помощта на SCCP (Serial Communications Classification Protocol). Това е нискоскоростен протокол (333 bps), базиран на 1-Wire. Работи само когато основното захранване не се подава към линията (включително в режим на заспиване).

Блоковата диаграма показва как се захранва захранването:

• подава се ток от 10mA и се проверява наличието на 4V ценеров диод в този край
• клас на мощност се договаря
• се подава основно захранване
• ако консумацията падне под 10 mA, се активира режим на заспиване (подаване на захранване в режим на готовност 3.3 V)
• ако консумацията надвиши 1mA, режимът на заспиване излиза

Няма нужда да се договаряте за класа храна, ако той е известен предварително. Тази опция се нарича режим на бързо стартиране. Използва се например в автомобили, т.к няма нужда да променяте конфигурацията на свързаното оборудване.

Както PSE, така и PD могат да инициират режим на заспиване.

Сега нека да преминем към описанието на преноса на данни. Там също е интересно: стандартът определя два режима на работа - на големи разстояния и на къси разстояния.

10BASE-T1L

Това е опция с дълъг обхват. Основните характеристики са както следва:

• обхват – до 1 км
• проводници 18AWG (0.8mm2)
• до 10 междинни конектора (и два терминални конектора)
• режим на работа от точка до точка
• пълен дуплекс
• символна скорост 7.5 Mbaud
• PAM-3 модулация, 4B3T кодиране
• сигнал с амплитуда 1V (1Vpp) или 2.4V
• Поддръжка на енергийно ефективен Ethernet („тихо/опресняване“ EEE).

Очевидно тази опция е предназначена за индустриални приложения, системи за контрол на достъп, сградна автоматизация, асансьори. За управление на чилъри, климатици и вентилатори, разположени на покриви. Или отоплителни котли и помпи, разположени в технически помещения. Тоест има много различни приложения освен индустрията. Да не говорим за Интернет на нещата (IoT).

Струва си да се спомене, че 10BASE-T1 е само един от стандартите за единична двойка Ethernet (SPE). Има също 100BASE-T1 (802.3bw) и 1000BASE-T1 (802.3bp). Вярно, те са разработени за автомобилни приложения, така че обхватът там е само 15 (UTP) или 40 метра (STP). Плановете обаче вече включват 100BASE-T1L с голям обхват. Така че в бъдеще те ще добавят автоматично договаряне на скоростта.

Междувременно координацията не се използва - декларира се „бърз старт“ на интерфейса: по-малко от 100 ms от захранването до началото на обмена на данни.

Друг вариант (по избор) е да се увеличи амплитудата на предаване от 1 до 2.4 V, за да се подобри съотношението сигнал/шум, да се намали броят на грешките и да се противодейства на индустриалните смущения.

И, разбира се, EEE. Това е начин да пестите електроенергия, като изключите предавателя, ако в момента няма данни за предаване. Диаграмата показва как изглежда това:


Няма данни - изпращаме съобщението „Отидох си в леглото“ и прекъсваме връзката. Понякога се събуждаме и изпращаме съобщението „Все още съм тук“. Когато се появят данни, противоположната страна получава предупреждение „Събуждам се“ и предаването започва. Тоест непрекъснато работят само приемниците.

Сега да видим какво са измислили с втората версия на стандарта.

10BASE-T1S

Още от последното писмо става ясно, че това е протокол за къси разстояния. Но защо е необходимо, ако T1L работи на къси разстояния? Четене на характеристиките:

• обхват до 15 м в режим от точка до точка
• дуплекс или половин дуплекс
• проводники 24-26AWG (0.2-0.13мм2)
• символна скорост 12.5 Mbaud
• DME, кодиране 4B5B
• сигнал с амплитуда 1V (1Vpp)
• до 4 междинни конектора (и два терминални конектора)
• няма поддръжка на EEE

Не изглежда нищо особено. И така, за какво е? Но за това:

• обхват до 25 м в многоточков режим (до 8 възела)

И този:

• режим на работа с избягване на сблъсък PLCA RS (PHY-ниво за избягване на сблъсък Reconciliation Sublayer)

И това е много по-интересно, нали? защото помага значително да се намали броят на кабелите в контролните шкафове, машините, роботите и колите. И вече има предложения да се използва като заместител на I2C в сървъри, суичове и друга електроника.

Но многоточковият режим има своите недостатъци. Основният е споделена среда за предаване на данни. Разбира се, колизиите се разрешават с помощта на CSMA/CD. Но не се знае какво ще е забавянето. А за някои приложения това е критично. Следователно в новия стандарт многоточковият режим беше допълнен със специален PLCA RS режим (вижте следващия раздел).

Вторият недостатък е, че PoDL не работи в много точки. Тоест захранването ще трябва да се подава чрез отделен кабел или да се вземе някъде на място.

Въпреки това, в режим от точка до точка, PoDL работи и на T1S.

PLCA RS

Този режим работи по следния начин:

• възлите разпределят идентификатори помежду си, възелът с ID=0 става координатор
• координаторът издава сигнал BEACON към мрежата, показващ началото на нов цикъл на предаване и предава своя пакет данни
• след предаване на пакет данни, опашката за предаване се премества към следващия възел
• ако възелът не е започнал да предава в рамките на времето, необходимо за предаване на 20 бита, опашката се премества към следващия възел
• когато всички възли са предали данни (или са пропуснали реда си), координаторът започва нов цикъл

Като цяло прилича на TDMA. Но с тази особеност, че възелът не използва своята времева рамка, ако няма какво да предава. А размерът на рамката не е строго определен, т.к. зависи от размера на пакета данни, предаван от възела. И всичко това работи върху стандартни 802.3 Ethernet рамки (PLCA RS не е задължителен, така че трябва да има съвместимост).

Резултатът от използването на PLCA е показан по-долу в графиките. Първият е забавянето в зависимост от натоварването, вторият е пропускателната способност в зависимост от броя на предавателните възли. Ясно се забелязва, че забавянето е станало много по-предвидимо. И в най-лошия случай е с 2 порядъка по-малко, отколкото в най-лошия случай CSMA/CD:

И капацитетът на канала в случая на PLCA е по-висок, защото не се изразходва за разрешаване на сблъсъци:

конектори

Първоначално избрахме от 6 варианта на конектори, предлагани от различни компании. В резултат на това се спряхме на тези две опции:

За нормални работни условия беше избран IEC 63171-1 LC конектор на CommScope.

За тежки среди – IEC 63171-6 (по-рано 61076-3-125) семейство конектори от HARTING. Тези съединители са проектирани за степени на защита от IP20 до IP67.

Разбира се, съединителите и кабелите могат да бъдат UTP или STP.

Друг

Можете да използвате обикновен Ethernet кабел с четири чифта, като използвате всяка двойка за отделен SPE канал. За да не дърпам четири отделни кабела някъде в далечината. Или използвайте кабел с една двойка и инсталирайте Ethernet комутатор с една двойка в далечния край.

Или можете да свържете този превключвател директно към локалната мрежа на предприятието, ако мрежата вече е разширена на големи разстояния чрез оптични влакна. Поставете сензори в него там и прочетете показанията от тях тук. Директно в мрежата. Без интерфейсни конвертори и шлюзове.

И това не е задължително да са сензори. Може да има видеокамери, домофони или интелигентни електрически крушки. Задвижвания на някои вентили или турникети на входове.

Така че перспективите се отварят интересни. Разбира се, малко вероятно е SPE да замени всички полеви автобуси. Но той ще вземе справедлива част от тях. Със сигурност в колите.

PS Не намерих текста на стандарта в публичното пространство. Горната информация е събрана част по част от различни презентации и материали, достъпни в Интернет. Така че може да има неточности в него.

Източник: www.habr.com