El 5 de febrer d'aquest any es va aprovar un nou estàndard per a Ethernet de 10 Mbit. Sí, heu llegit bé: deu megabits per segon.
Per què es necessita una velocitat tan "petita" al segle XXI? Per substituir el zoo que s'amaga sota el nom ampli "bus de camp": Profibus, Modbus, CC-Link, CAN, FlexRay, HART, etc. N'hi ha massa, són incompatibles entre si i són relativament difícils de configurar. Però només voleu connectar el cable a l'interruptor, i ja està. Igual que amb Ethernet normal.
I aviat serà possible! Coneix: "802.3cg-2019 - Estàndard IEEE per a Ethernet - Esmena 5: Especificacions de la capa física i paràmetres de gestió per a una operació de 10 Mb/s i lliurament d'energia associada a través d'un únic parell de conductors equilibrats".
Què té d'emocionant aquesta nova Ethernet? En primer lloc, funciona en un parell trenat, i no en quatre. Per tant, té menys connectors i cables més prims. I podeu utilitzar un cable de parell trenat ja col·locat que va als sensors i actuadors.
Es podria argumentar que Ethernet funciona fins a 100 metres, però els sensors es troben molt més lluny. De fet, això solia ser un problema. Però 802.3cg funciona a una distància de fins a 1 km! Un parell a la vegada! No està malament?
De fet, encara millor: també es pot subministrar energia a través del mateix parell. Per aquí començarem.
IEEE 802.3bu Power over Data Lines (PoDL)
Crec que molts de vosaltres heu sentit parlar de PoE (Power over Ethernet) i sabeu que es necessiten 2 parells de cables per transmetre energia. L'entrada/sortida de potència es fa als punts mitjans dels transformadors de cada parell. Això no es pot fer amb un parell. Per tant, vam haver de fer-ho d'una altra manera. Com es mostra exactament a la figura següent. Per exemple, també s'ha afegit PoE clàssic.
Aquí:
PSE: equip d'alimentació (font d'alimentació)
PD: dispositiu alimentat (dispositiu d'extrem llunyà que consumeix electricitat)
Inicialment, 802.3bu tenia 10 classes de potència:
Es destaquen en color tres gradacions convencionals de tensió font: 12, 24 i 48V.
Denominacions:
Vpse: tensió d'alimentació, V
Vpd min - tensió mínima a PD, V
I max: corrent màxim a la línia, A
Ppd max — consum màxim d'energia PD, W
Amb l'arribada del protocol 802.3cg, es van afegir 6 classes més:
Per descomptat, amb aquesta diversitat, el PSE i el PD han de posar-se d'acord sobre la classe de potència abans d'aplicar la tensió completa. Això es fa mitjançant SCCP (Serial Communications Classification Protocol). Es tracta d'un protocol de baixa velocitat (333 bps) basat en 1-Wire. Només funciona quan l'alimentació principal no es subministra a la línia (inclòs en mode de repòs).
El diagrama de blocs mostra com es subministra l'energia:
- es subministra un corrent de 10 mA i es comprova la presència d'un díode zener de 4 V en aquest extrem
- s'acorda la classe de poder
- es subministra energia principal
- si el consum baixa per sota dels 10 mA, s'activa el mode de repòs (subministrament d'alimentació en espera 3.3 V)
- si el consum supera 1 mA, el mode de repòs surt
No cal posar-se d'acord sobre la classe d'aliments si es coneix amb antelació. Aquesta opció s'anomena Mode d'inici ràpid. S'utilitza, per exemple, als cotxes, perquè no cal canviar la configuració dels equips connectats.
Tant PSE com PD poden iniciar el mode de repòs.
Ara passem a la descripció de la transferència de dades. També és interessant allà: l'estàndard defineix dos modes de funcionament: de llarg abast i per a distàncies curtes.
10BASE-T1L
Aquesta és una opció de llarg abast. Les principals característiques són les següents:
- abast - fins a 1 km
- conductors 18AWG (0.8 mm2)
- fins a 10 connectors intermedis (i dos connectors terminals)
- mode de funcionament punt a punt
- full duplex
- velocitat de símbol 7.5 Mbaud
- Modulació PAM-3, codificació 4B3T
- senyal amb amplitud 1V (1Vpp) o 2.4V
- Suport d'Ethernet d'eficiència energètica (EEE "silenciós/actualitzat")
Òbviament, aquesta opció està pensada per a aplicacions industrials, sistemes de control d'accés, automatització d'edificis, ascensors. Per controlar refrigeradors, aparells d'aire condicionat i ventiladors situats a les cobertes. O calefacció de calderes i bombes situades en sales tècniques. És a dir, hi ha moltes aplicacions diferents a més de la indústria. Per no parlar de l'Internet de les coses (IoT).
Val la pena esmentar que 10BASE-T1 és només un dels estàndards Single Pair Ethernet (SPE). També hi ha 100BASE-T1 (802.3bw) i 1000BASE-T1 (802.3bp). És cert que es van desenvolupar per a aplicacions d'automoció, de manera que el rang només és de 15 (UTP) o 40 metres (STP). Tanmateix, els plans ja inclouen un 100BASE-T1L de llarg abast. Així que en el futur afegiran la negociació automàtica de la velocitat.
Mentrestant, no s'utilitza la coordinació: es declara un "inici ràpid" de la interfície: menys de 100 ms des de l'alimentació fins a l'inici de l'intercanvi de dades.
Una altra opció (opcional) és augmentar l'amplitud de transmissió d'1 a 2.4 V per millorar la relació senyal-soroll, reduir el nombre d'errors i contrarestar les interferències industrials.
I, per descomptat, EEE. Aquesta és una manera d'estalviar electricitat apagant el transmissor si no hi ha dades per transmetre en aquest moment. El diagrama mostra com és això:
Sense dades: enviem el missatge "Em vaig anar al llit" i ens desconnectem. De tant en tant ens despertem i enviem el missatge "Encara sóc aquí". Quan apareixen dades, el costat oposat s'avisa "Estic despertant" i comença la transmissió. És a dir, només els receptors estan treballant constantment.
Ara anem a veure què van fer amb la segona versió de l'estàndard.
10BASE-T1S
Ja des de l'última carta es desprèn que es tracta d'un protocol per a distàncies curtes. Però, per què és necessari si T1L funciona a distàncies curtes? Lectura de les característiques:
- abast de fins a 15 m en mode punt a punt
- dúplex o semidúplex
- проводники 24-26AWG (0.2-0.13мм2)
- velocitat de símbol 12.5 Mbaud
- DME, codificació 4B5B
- senyal amb amplitud 1V (1Vpp)
- fins a 4 connectors intermedis (i dos connectors terminals)
- sense suport EEE
Sembla res especial. Aleshores, per a què serveix? Però per això:
- abast fins a 25 m en mode multipunt (fins a 8 nusos)
I això:
- Mode de funcionament amb PLCA RS d'evitació de col·lisions (subcapa de reconciliació d'evitació de col·lisions a nivell PHY)
I això és molt més interessant, no? Perquè ajuda a reduir considerablement el nombre de cables en armaris de control, màquines, robots i cotxes. I ja hi ha propostes per utilitzar-lo com a substitut de l'I2C en servidors, commutadors i altres aparells electrònics.
Però el mode multipunt té els seus inconvenients. El principal és un mitjà de transmissió de dades compartit. Per descomptat, les col·lisions es resolen mitjançant CSMA/CD. Però es desconeix quin serà el retard. I per a algunes aplicacions això és crític. Per tant, en el nou estàndard, el multipunt es va complementar amb un mode especial PLCA RS (vegeu la secció següent).
El segon inconvenient és que PoDL no funciona en multipunt. És a dir, l'alimentació s'haurà de subministrar mitjançant un cable independent o portar-la a algun lloc del lloc.
Tanmateix, en mode punt a punt, PoDL també funciona a T1S.
PLCA RS
Aquest mode funciona de la següent manera:
- els nodes distribueixen identificadors entre ells, el node amb ID=0 es converteix en el coordinador
- el coordinador emet un senyal BEACON a la xarxa, que indica l'inici d'un nou cicle de transmissió i transmet el seu paquet de dades
- després de transmetre un paquet de dades, la cua de transmissió es mou al següent node
- si el node no ha començat a transmetre dins del temps necessari per transmetre 20 bits, la cua es mou al següent node
- quan tots els nodes han transmès dades (o han saltat el seu torn), el coordinador comença un nou cicle
En general s'assembla a TDMA. Però amb la particularitat que el node no utilitza el seu marc temporal si no té res a transmetre. I la mida del marc no està estrictament definida, perquè... depèn de la mida del paquet de dades transmès pel node. I tot funciona a sobre de trames Ethernet 802.3 estàndard (PLCA RS és opcional, de manera que hi hauria d'haver compatibilitat).
El resultat de l'ús de PLCA es mostra a continuació als gràfics. El primer és el retard en funció de la càrrega, el segon és el rendiment en funció del nombre de nodes transmissors. Es nota clarament que el retard s'ha fet molt més previsible. I en el pitjor dels casos és 2 ordres de magnitud menys que en el pitjor dels casos CSMA/CD:
I la capacitat del canal en el cas de PLCA és més gran, perquè no es gasta en resoldre col·lisions:
Connectors
Inicialment, vam triar entre 6 opcions de connector que ofereixen diferents empreses. Com a resultat, ens hem decidit per aquestes dues opcions:
Per a condicions de funcionament normals, es va seleccionar el connector LC IEC 63171-1 de CommScope.
Per a entorns durs: la família de connectors IEC 63171-6 (abans 61076-3-125) de HARTING. Aquests connectors estan dissenyats per a graus de protecció des de IP20 fins a IP67.
Per descomptat, els connectors i els cables poden ser UTP o STP.
Un altre
Podeu utilitzar un cable Ethernet normal de quatre parells, utilitzant cada parell per a un canal SPE independent. Per no estirar quatre cables separats en algun lloc llunyà. O utilitzeu un cable d'un sol parell i instal·leu un commutador Ethernet d'un sol parell a l'extrem més llunyà.
O podeu connectar aquest commutador directament a la xarxa local de l'empresa, si una xarxa ja s'ha estès a llargues distàncies mitjançant fibra òptica. Enganxeu-hi els sensors i llegiu-ne les lectures aquí. Directament a la xarxa. Sense convertidors d'interfícies i passarel·les.
I aquests no necessàriament han de ser sensors. Pot haver-hi càmeres de vídeo, intercomunicadors o bombetes intel·ligents. Accionaments d'algunes vàlvules o torniquets a les entrades.
Així que les perspectives s'obren interessants. És poc probable, per descomptat, que SPE substitueixi tots els autobusos de camp. Però els traurà una bona part. Segurament en cotxes.
PS No he trobat el text de l'estàndard de domini públic. La informació anterior es va recopilar peça per peça a partir de diferents presentacions i materials disponibles a Internet. Per tant, pot haver-hi imprecisions.
Font: www.habr.com