5. února tohoto roku byl schválen nový standard pro 10-Mbit Ethernet. Ano, čtete správně: deset megabitů za sekundu.
Proč je v 21. století potřeba tak „malá“ rychlost? Chcete-li nahradit zoo, která se skrývá pod prostorným názvem „field bus“ - Profibus, Modbus, CC-Link, CAN, FlexRay, HART atd. Je jich příliš mnoho, jsou vzájemně nekompatibilní a poměrně náročné na konfiguraci. Ale stačí zapojit kabel do vypínače a je to. Stejně jako u běžného Ethernetu.
A brzy to bude možné! Seznamte se: „802.3cg-2019 – standard IEEE pro Ethernet – dodatek 5: Specifikace fyzické vrstvy a parametry správy pro 10 Mb/s Provoz a související dodávka energie prostřednictvím jediného vyváženého páru vodičů.”
Co je na tomto novém Ethernetu tak vzrušujícího? Za prvé to funguje přes jeden kroucený pár a ne přes čtyři. Proto má méně konektorů a tenčí kabely. A můžete použít již položený kroucený dvoulinkový kabel vedoucí k senzorům a akčním členům.
Můžete namítnout, že Ethernet funguje do 100 metrů, ale senzory jsou umístěny mnohem dále. Ve skutečnosti to býval problém. Ale 802.3cg funguje na vzdálenost až 1 km! Po jednom páru! Není špatné?
Ve skutečnosti je to ještě lepší: energii lze také dodávat prostřednictvím stejného páru. Tím začneme.
IEEE 802.3bu Power over Data Lines (PoDL)
Myslím, že mnozí z vás slyšeli o PoE (Power over Ethernet) a ví, že k přenosu energie jsou potřeba 2 páry vodičů. Příkon/výstup se provádí ve středních bodech transformátorů každého páru. To nelze provést pomocí jednoho páru. Proto jsme to museli udělat jinak. Jak přesně je znázorněno na obrázku níže. Přibylo například i klasické PoE.
Zde:
PSE – zařízení pro zdroje energie (napájení)
PD – napájené zařízení (vzdálené zařízení, které spotřebovává elektřinu)
Zpočátku měl 802.3bu 10 výkonových tříd:
Barevně jsou zvýrazněny tři konvenční gradace napětí zdroje: 12, 24 a 48V.
Označení:
Vpse — napájecí napětí, V
Vpd min - minimální napětí na PD, V
I max — maximální proud ve vedení, A
Ppd max — maximální spotřeba energie PD, W
S příchodem protokolu 802.3cg bylo přidáno dalších 6 tříd:
Samozřejmě při takové rozmanitosti se musí PSE a PD před aplikací plného napětí dohodnout na výkonové třídě. To se provádí pomocí SCCP (Serial Communications Classification Protocol). Jedná se o nízkorychlostní protokol (333 bps) založený na 1-Wire. Funguje pouze v případě, že do linky není přiváděno hlavní napájení (včetně režimu spánku).
Blokové schéma ukazuje způsob napájení:
- přivádí se proud 10mA a kontroluje se přítomnost 4V zenerovy diody na tomto konci
- je dohodnuta výkonová třída
- je dodáváno hlavní napájení
- poklesne-li odběr pod 10mA, aktivuje se režim spánku (napájení v pohotovostním režimu 3.3V)
- pokud odběr překročí 1mA, režim spánku se ukončí
Třídu jídla není třeba domlouvat, pokud je předem známa. Tato možnost se nazývá Režim rychlého spuštění. Používá se např. v autech, protože není třeba měnit konfiguraci připojeného zařízení.
PSE i PD mohou spustit režim spánku.
Nyní přejdeme k popisu přenosu dat. I tam je to zajímavé: norma definuje dva provozní režimy – na velký dosah a na krátké vzdálenosti.
10BASE-T1L
Toto je možnost s dlouhým dosahem. Hlavní charakteristiky jsou následující:
- dosah - do 1 km
- vodiče 18AWG (0.8mm2)
- až 10 mezilehlých konektorů (a dva koncové konektory)
- provozní režim point-to-point
- plny Duplex
- přenosová rychlost 7.5 Mbaud
- Modulace PAM-3, kódování 4B3T
- signál s amplitudou 1V (1Vpp) nebo 2.4V
- Podpora energeticky účinného Ethernetu (“tiché/obnovující” EEE).
Tato možnost je samozřejmě určena pro průmyslové aplikace, systémy kontroly přístupu, automatizaci budov, výtahy. Pro ovládání chladičů, klimatizací a ventilátorů umístěných na střechách. Nebo topné kotle a čerpadla umístěná v technických místnostech. To znamená, že kromě průmyslu existuje mnoho různých aplikací. Nemluvě o internetu věcí (IoT).
Za zmínku stojí, že 10BASE-T1 je pouze jedním ze standardů Single Pair Ethernet (SPE). Existují také 100BASE-T1 (802.3bw) a 1000BASE-T1 (802.3bp). Pravda, byly vyvinuty pro automobilové aplikace, takže dosah je pouze 15 (UTP) nebo 40 metrů (STP). Plány však již zahrnují 100BASE-T1L s dlouhým doletem. V budoucnu tedy přidají automatické vyjednávání rychlosti.
Mezitím se koordinace nepoužívá - je deklarován „rychlý start“ rozhraní: méně než 100 ms od napájení do zahájení výměny dat.
Další možností (volitelné) je zvýšení amplitudy přenosu z 1 na 2.4 V, aby se zlepšil poměr signálu k šumu, snížil se počet chyb a zabránilo se průmyslovému rušení.
A samozřejmě EEE. Toto je způsob, jak ušetřit elektřinu vypnutím vysílače, pokud v tuto chvíli nejsou k dispozici žádná data k přenosu. Diagram ukazuje, jak to vypadá:
Žádná data – odešleme zprávu „Šel jsem do postele“ a odpojíme se. Občas se probudíme a pošleme zprávu "Jsem stále tady." Když se objeví data, opačná strana je upozorněna „Probouzím se“ a začne přenos. To znamená, že neustále fungují pouze přijímače.
Nyní se podívejme, s čím přišli s druhou verzí standardu.
10BASE-T1S
Již z posledního písmene je zřejmé, že se jedná o protokol na krátké vzdálenosti. Ale proč je to potřeba, když T1L funguje na krátké vzdálenosti? Čtení charakteristik:
- dosah až 15 m v režimu point-to-point
- duplex nebo poloviční duplex
- проводники 24-26AWG (0.2-0.13мм2)
- přenosová rychlost 12.5 Mbaud
- DME, kódování 4B5B
- signál s amplitudou 1V (1Vpp)
- až 4 mezilehlé konektory (a dva koncové konektory)
- žádná podpora EEE
Zdá se, že nic zvláštního. Tak k čemu to je? Ale k tomu:
- dosah až 25 m ve vícebodovém režimu (až 8 uzlů)
A tohle:
- provozní režim s vyhýbáním se kolizí PLCA RS (podvrstva proti kolizi na úrovni PHY)
A to je mnohem zajímavější, že? Protože to pomáhá výrazně snížit počet vodičů v rozvaděčích, strojích, robotech a autech. A již existují návrhy na jeho použití jako náhrady I2C v... servery, spínače a další elektroniku.
Vícebodový režim má ale své nevýhody. Tím hlavním je sdílené médium pro přenos dat. Kolize jsou samozřejmě řešeny pomocí CSMA/CD. Jaké bude zpoždění, se ale neví. A pro některé aplikace je to kritické. Proto byl v novém standardu multipoint doplněn o speciální režim PLCA RS (viz další část).
Druhou nevýhodou je, že PoDL nefunguje v multipointu. To znamená, že napájení bude muset být dodáváno pomocí samostatného kabelu nebo odvedeno někde na místě.
V režimu point-to-point však PoDL funguje i na T1S.
PLCA RS
Tento režim funguje následovně:
- uzly si mezi sebou rozdělují identifikátory, uzel s ID=0 se stává koordinátorem
- koordinátor vyšle signál BEACON do sítě, který indikuje začátek nového přenosového cyklu a odešle svůj datový paket
- po vyslání datového paketu se přenosová fronta přesune k dalšímu uzlu
- pokud uzel nezačal vysílat během doby potřebné k přenosu 20 bitů, fronta se přesune na další uzel
- když všechny uzly přenesly data (nebo přeskočily svůj tah), začne koordinátor nový cyklus
Obecně se podobá TDMA. Ale s tou zvláštností, že uzel nevyužívá svůj časový rámec, pokud nemá co vysílat. A velikost rámu není přesně definována, protože... závisí na velikosti datového paketu přenášeného uzlem. A to vše běží na standardních 802.3 ethernetových rámcích (PLCA RS je volitelné, takže by měla být kompatibilita).
Výsledek použití PLCA je znázorněn níže v grafech. Prvním je zpoždění v závislosti na zátěži, druhým je propustnost v závislosti na počtu vysílacích uzlů. Je jasně patrné, že zpoždění se stalo mnohem předvídatelnějším. A v nejhorším případě je to o 2 řády méně než v nejhorším CSMA/CD:
A kapacita kanálu v případě PLCA je vyšší, protože není vynaloženo na řešení kolizí:
Konektory
Zpočátku jsme vybírali ze 6 variant konektorů nabízených různými společnostmi. V důsledku toho jsme se rozhodli pro tyto dvě možnosti:
Pro normální provozní podmínky byl vybrán LC konektor IEC 63171-1 společnosti CommScope.
Pro drsná prostředí – řada konektorů IEC 63171-6 (dříve 61076-3-125) od společnosti HARTING. Tyto konektory jsou navrženy pro stupně krytí od IP20 do IP67.
Konektory a kabely mohou být samozřejmě buď UTP nebo STP.
ostatní
Můžete použít běžný čtyřpárový ethernetový kabel, přičemž každý pár použijete pro samostatný kanál SPE. Abychom netahali čtyři samostatné kabely někam do dálky. Nebo použijte jednopárový kabel a na vzdálený konec nainstalujte jednopárový ethernetový přepínač.
Nebo můžete tento přepínač připojit přímo k podnikové místní síti, pokud již byla síť rozšířena na velké vzdálenosti prostřednictvím optických vláken. Nalepte tam senzory a zde si z nich přečtěte hodnoty. Přímo na síti. Bez převodníků rozhraní a bran.
A nemusí to být nutně senzory. Mohou to být videokamery, interkomy nebo chytré žárovky. Pohony některých ventilů nebo turniketů u vchodů.
Takže vyhlídky se otevírají zajímavé. Je samozřejmě nepravděpodobné, že SPE nahradí všechny polní sběrnice. Ale ubere z nich pořádný kus. V autech určitě.
PS Text normy jsem ve veřejné doméně nenašel. Výše uvedené informace byly shromážděny kus po kuse z různých prezentací a materiálů dostupných na internetu. Takže v něm mohou být nepřesnosti.
Zdroj: www.habr.com
