Den 5. februar i år blev en ny standard for 10 megabit Ethernet godkendt. Ja, du læste rigtigt: ti megabit i sekundet.
Hvorfor har vi i det 21. århundrede brug for sådan en 'lille' hastighed? Til at erstatte den jungle, der gemmer sig under det omfattende navn 'feltbus' — Profibus, Modbus, CC-Link, CAN, FlexRay, HART osv. Der er alt for mange varianter, de er ikke kompatible med hinanden, og de er relativt besværlige at konfigurere. Man ønsker blot at kunne sætte et kabel i en switch, og så er det klart. Ligesom med almindelig Ethernet.
Og snart vil dette blive muligt! Mød: '802.3cg-2019 — IEEE Standard for Ethernet — Amendment 5: Fysiske lag specifikationer og ledelsesparametre for 10 Mb/s drift og tilhørende strømforsyning over et enkelt balanceret par af ledere'.
Hvad gør denne nye Ethernet interessant? Først og fremmest – den fungerer over et enkelt tvistet par, i stedet for fire. Derfor har den færre stik og tyndere kabler. Det er muligt at bruge det allerede installerede tvisted par, der går til sensorer og aktuatorer.
Du kan indvende, at Ethernet fungerer op til 100 meter, mens sensorerne er placeret meget længere væk. Det er korrekt, tidligere var dette et problem. Men 802.3cg fungerer på afstande op til 1 km! Over et enkelt par! Ikke dårligt?
Faktisk er det endnu bedre: over dette samme par kan der også leveres strøm. Lad os starte der.
IEEE 802.3bu Power over Data Lines (PoDL)
Jeg tror, mange af jer har hørt om PoE (Power over Ethernet) og ved, at der kræves 2 par ledninger til at overføre strøm. Ind- og udgang af strøm sker i midten af transformatorerne i hvert par. Ved at bruge et enkelt par er det umuligt at gøre det på samme måde. Derfor måtte der laves en anden løsning. Hvordan – er vist på billedet nedenfor. For eksempel er klassisk PoE også tilføjet.
Her:
PSE – power sourcing equipment (strømkilde)
PD – powered device (enhed i den fjerne ende, som bruger elektricitet)
Oprindeligt havde 802.3bu 10 klasser af strømforsyning:
Farven fremhæver tre betingede spændingsgraderinger af kilden: 12, 24 og 48V.
Betegnelser:
Vpse — spænding fra strømkilde, V
Vpd min — minimum spænding på PD, V
I max — maksimal strøm i linjen, A
Ppd max — maksimal forbrugte effekt af PD, W
Med tilkomsten af protokollen 802.3cg blev der tilføjet yderligere 6 klasser:
Selvfølgelig skal PSE og PD enes om strømklassificeringen, inden der gives fuld spænding. Dette gøres ved hjælp af SCCP (Serial Communications Classification Protocol). Det er en lavhastighedsprotokol (333 bit/s), baseret på 1-Wire. Den fungerer kun, når der ikke er hovedstrøm tilsluttet (herunder i dvaletilstand).
I blokdiagrammet vises, hvordan strømforsyning tilføjes:
- der tilføres 10 mA strøm, og der kontrolleres om der er en zenerdiode på 4V i den anden ende
- klassefordeling af strømmen udføres
- mains-strømmen tilføres
- hvis strømforbruget falder under 10 mA, aktiveres dvaletilstand (tilførsel af standby-strøm på 3,3V)
- hvis strømforbruget overstiger 1 mA, sker der en udgang fra dvaletilstand
Klassefordeling af strømmen er ikke nødvendig, hvis den er kendt på forhånd. Denne mulighed kaldes Fast Startup Mode. Det anvendes for eksempel i biler, da der ikke er behov for at ændre konfigurationen af det tilsluttede udstyr.
Overgang til dvaletilstand kan initieres af både PSE og PD.
Lad os nu gå videre til beskrivelsen af datatransmission. Der er også interessante aspekter: i standarden er der defineret to driftstilstande - langdistance og kortdistance.
10BASE-T1L
Dette er en variant til langdistance (long reach). De vigtigste egenskaber er som følger:
- rækkevidde – op til 1 km
- ledninger 18AWG (0,8 mm²)
- op til 10 mellemforbindelser (og to endepunkter)
- driftstilstand punkt-til-punkt
- fuld duplex
- symbolhastighed 7,5 Mb/s
- modulation PAM-3, kodning 4B3T
- signal med amplitude 1V (1Vpp) eller 2,4V
- support for Energy Efficient Ethernet (“quiet/refresh” EEE)
Det er tydeligt, at denne variant er designet til industriel anvendelse, adgangskontrolsystemer, bygningsautomatisering, elevatorer. Til styring af chillere, airconditionanlæg og ventilatorer placeret på tage. Eller kedler og pumper i tekniske rum. Det vil sige, en række forskellige anvendelser ud over industrien. Ikke at forglemme internettet af ting (IoT).
Det er værd at nævne, at 10BASE-T1 kun er en af standarderne for Single Pair Ethernet (SPE). Der er også 100BASE-T1 (802.3bw) og 1000BASE-T1 (802.3bp). De blev dog udviklet til anvendelse i biler, så rækkevidden er kun 15 (UTP) eller 40 meter (STP). Der er dog allerede planer om en langdistance 100BASE-T1L. Så i fremtiden vil selvjustering af hastighed blive tilføjet.
Indtil videre anvendes der ikke nogen forhandling – der er erklæret en «hurtig start» for brugergrænsefladen: mindre end 100 ms fra strømtilslutning til påbegyndelse af datakommunikation.
En anden mulighed (valgfri) – at øge amplituden af transmissionen fra 1 til 2,4 V for at forbedre signal/støj-forholdet, reducere fejl og modstå industrielle forstyrrelser.
Og selvfølgelig EEE. Dette er en metode til at spare strøm ved at slukke transmitterens strøm, hvis der i øjeblikket ikke er data til transmission. Diagrammet viser, hvordan det ser ud:
Ingen data – vi sender en besked "jeg går i seng" og slukker. Af og til vågner vi op og sender en besked "jeg er stadig her". Når der kommer data, gives den anden part en advarsel "jeg vågner op" og transmissionen begynder. Det betyder, at kun modtagere altid er aktive.
Lad os nu se, hvad der er blevet udtænkt med den anden variant af standarden.
10BASE-T1S
Ud fra den sidste bogstav er det allerede klart, at dette er en protokol til korte afstande (short reach). Men hvorfor er det nødvendigt, hvis T1L fungerer på korte afstande? Læs specifikationerne:
- rækkevidde op til 15 m i punkt-til-punkt-tilstand
- fuld duplex eller halvdublex
- ledninger 24-26 AWG (0.2-0.13 mm²)
- symbolhastighed 12,5 Mbaud
- DME, kodning 4B5B
- signal med en amplitude på 1 V (1 Vpp)
- op til 4 mellemforbindelser (og to endepunkter)
- ingen støtte til EEE
Tilsyneladende ikke noget specielt. Hvad er det så nødvendigt for? Jo, til dette:
- rækkevidde op til 25 m i multipoint-tilstand (op til 8 noder)
Og dette:
- driftsmode med kollisionsforebyggelse PLCA RS (PHY-Level Collision Avoidance Reconciliation Sublayer)
Og det bliver langt mere interessant, ikke? Da det hjælper med at reducere antallet af ledninger i kontrolskabe, maskiner, robotter, biler. Og der er allerede forslag om at bruge det som en erstatning for I2C i servere, switches og anden elektronik.
Men multipoint-tilstanden har sine ulemper. Hovedproblemet er den delte dataoverførselsmiljø. Selvfølgelig løses kollisioner ved hjælp af CSMA/CD. Men det er ukendt, hvilken forsinkelse der vil være. Og for nogle anvendelser er det kritisk. Derfor er multipoint-tilstanden blevet suppleret med en særlig mode PLCA RS i den nye standard (se næste afsnit).
En anden ulempe er, at PoDL ikke fungerer i multipoint-tilstand. Det betyder, at strømmen skal leveres via et separat kabel eller tages et sted lokalt.
Dog, i punkt-til-punkt-tilstand fungerer PoDL også på T1S.
PLCA RS
Denne tilstand fungerer som følger:
- noderne fordeler identiteter imellem sig, noden med ID=0 bliver koordinator
- koordinatoren udsender et BEACON-signal til netværket, som betyder starten på en ny transmissionscykel og sender sin datapakke
- efter transmissionen af datapakken skifter køen til transmission til den næste node
- hvis noden ikke påbegynder transmission inden for den tid, der kræves for at sende 20 bits, skifter køen til den næste node
- når alle noder har sendt data (eller sprunget over deres tur), starter koordinatoren en ny cyklus
Generelt ligner det TDMA. Men med den særlige egenskab, at noden ikke bruger sin tidsramme, hvis den ikke har noget at sende. Og størrelsen på rammen er ikke fastsat, da den afhænger af størrelsen på datapakken, der sendes af noden. Og alt dette fungerer oven på standard Ethernet-rammer 802.3 (PLCA RS er ikke obligatorisk, så der skal være kompatibilitet).
Resultatet af brugen af PLCA vises nederst i grafikken. Den første – forsinkelse i forhold til belastning, den anden – båndbredde i forhold til antal transmitting noder. Det er tydeligt, at forsinkelsen er blevet meget mere forudsigelig. Og den er i værste fald 2 ordener mindre end i værste fald CSMA/CD:
Og båndbredden i tilfælde af PLCA er højere, da den ikke bruges til at løse kollisioner:
Stik
Oprindeligt valgtes der mellem 6 stikmuligheder, der blev tilbudt af forskellige virksomheder. I sidste ende stoppede vi ved disse to muligheder:
Til normale driftsforhold blev LC-stik IEC 63171-1 fra CommScope valgt.
Til barske driftsforhold – stikfamilien IEC 63171-6 (tidligere 61076-3-125) fra HARTING. Disse stik er designet til beskyttelsesgrader fra IP20 til IP67.
Selvfølgelig kan stik og kabler være både UTP og STP.
Andet
Man kan anvende et almindeligt fireparret Ethernet-kabel ved at bruge hvert par til en separat kanal SPE. For ikke at skulle trække fire separate kabler langt væk. Eller anvende et enkeltparret kabel, og på den fjerne ende sætte en switch til enkeltparret Ethernet.
Kan denne switch tilsluttes direkte til virksomhedens lokale netværk, hvis der allerede er trukket fiberoptisk netværk langt væk? Man kan tilslutte sensorer til den, og så se målingerne her. Direkte over netværket. Uden interface-konvertere og gateways.
Og det behøver ikke nødvendigvis at være sensorer. Det kan være videokameraer, intercom-systemer eller 'smarte' pærer. Aktuatorer til nogle ventiler eller adgangskontroller ved indgange.
Så der åbner sig interessante perspektiver. Det er usandsynligt, at SPE vil erstatte alle feltbusser. Men det vil tage en betydelig del af dem. I hvert fald i biler.
PS Jeg fandt ikke teksten til standarden tilgængelig offentligt. Oplysningerne ovenfor er samlet fra forskellige præsentationer og materialer tilgængelige på internettet. Så der kan være unøjagtigheder.
Kilde: habr.com
