Den 5. februar i år blev en ny standard for 10-Mbit Ethernet godkendt. Ja, du læste rigtigt: ti megabit i sekundet.
Hvorfor er der brug for sådan en "lille" hastighed i det 21. århundrede? For at erstatte den zoologiske have, der er gemt under det rummelige navn "feltbus" - Profibus, Modbus, CC-Link, CAN, FlexRay, HART osv. Der er for mange af dem, de er inkompatible med hinanden og er relativt svære at konfigurere. Men du vil bare sætte kablet i kontakten, og det er det. Samme som med almindelig Ethernet.
Og snart vil det være muligt! Mød: "802.3cg-2019 - IEEE Standard for Ethernet - Ændring 5: Fysiske lagspecifikationer og administrationsparametre for 10 Mb/s drift og tilhørende strømforsyning over et enkelt afbalanceret lederpar."
Hvad er så spændende ved dette nye Ethernet? Først og fremmest fungerer det over et snoet par og ikke over fire. Derfor har den færre stik og tyndere kabler. Og du kan bruge allerede lagt parsnoet kabel, der går til sensorerne og aktuatorerne.
Man kan argumentere for, at Ethernet fungerer op til 100 meter, men sensorerne er placeret meget længere. Det plejede faktisk at være et problem. Men 802.3cg virker på en afstand på op til 1 km! Et par ad gangen! Ikke dårligt?
Faktisk endnu bedre: Strøm kan også leveres gennem det samme par. Det er der, vi starter.
IEEE 802.3bu Power over Data Lines (PoDL)
Jeg tror, at mange af jer har hørt om PoE (Power over Ethernet) og ved, at 2 par ledninger er nødvendige for at overføre strøm. Strømindgang/udgang foretages ved midtpunkterne på transformatorerne i hvert par. Dette kan ikke gøres ved at bruge ét par. Derfor var vi nødt til at gøre det anderledes. Hvordan det præcist er vist i figuren nedenfor. For eksempel er klassisk PoE også tilføjet.
her:
PSE – strømforsyningsudstyr (strømforsyning)
PD – drevet enhed (fjernende enhed, der forbruger elektricitet)
Oprindeligt havde 802.3bu 10 effektklasser:
Tre konventionelle gradueringer af kildespænding er fremhævet i farver: 12, 24 og 48V.
Forklaring:
Vpse — strømforsyningsspænding, V
Vpd min - minimumspænding på PD, V
I max — maksimal strøm i ledningen, A
Ppd max — maksimalt strømforbrug PD, W
Med fremkomsten af 802.3cg-protokollen blev der tilføjet yderligere 6 klasser:
Med en sådan diversitet skal PSE og PD naturligvis blive enige om effektklassen, før der påføres fuld spænding. Dette gøres ved hjælp af SCCP (Serial Communications Classification Protocol). Dette er en lavhastighedsprotokol (333 bps) baseret på 1-Wire. Det virker kun, når der ikke er strømforsyning til linjen (inklusive i dvaletilstand).
Blokdiagrammet viser, hvordan strømforsyningen leveres:
- en strøm på 10mA tilføres, og tilstedeværelsen af en 4V zenerdiode i den ende kontrolleres
- effektklasse aftales
- hovedstrøm forsynes
- hvis forbruget falder til under 10mA, aktiveres dvaletilstand (forsyning af standby strøm 3.3V)
- hvis forbruget overstiger 1mA, afsluttes dvaletilstanden
Der er ingen grund til at aftale madklassen, hvis den er kendt på forhånd. Denne mulighed kaldes Hurtig opstartstilstand. Det bruges fx i biler, pga det er ikke nødvendigt at ændre konfigurationen af det tilsluttede udstyr.
Både PSE og PD kan starte dvaletilstand.
Lad os nu gå videre til beskrivelsen af dataoverførsel. Det er også interessant der: Standarden definerer to driftstilstande - lang rækkevidde og til korte afstande.
10BASE-T1L
Dette er en mulighed for lang rækkevidde. De vigtigste egenskaber er som følger:
- rækkevidde – op til 1 km
- ledere 18AWG (0.8mm2)
- op til 10 mellemstik (og to terminalstik)
- punkt-til-punkt driftstilstand
- Fuld duplex
- symbolrate 7.5 Mbaud
- PAM-3-modulation, 4B3T-kodning
- signal med amplitude 1V (1Vpp) eller 2.4V
- Energieffektiv Ethernet (“quiet/refresh” EEE) understøttelse
Denne mulighed er naturligvis beregnet til industrielle applikationer, adgangskontrolsystemer, bygningsautomatisering, elevatorer. Til styring af kølere, klimaanlæg og ventilatorer placeret på tage. Eller varmekedler og pumper placeret i teknikrum. Det vil sige, at der er mange forskellige applikationer udover industrien. For ikke at nævne tingenes internet (IoT).
Det er værd at nævne, at 10BASE-T1 kun er en af Single Pair Ethernet (SPE) standarderne. Der er også 100BASE-T1 (802.3bw) og 1000BASE-T1 (802.3bp). Sandt nok blev de udviklet til bilapplikationer, så rækkevidden der er kun 15 (UTP) eller 40 meter (STP). Planerne inkluderer dog allerede en lang rækkevidde 100BASE-T1L. Så i fremtiden vil de tilføje auto-negotiation af hastighed.
I mellemtiden bruges koordinering ikke - en "hurtig start" af grænsefladen erklæres: mindre end 100ms fra strømforsyning til start af dataudveksling.
En anden mulighed (valgfrit) er at øge transmissionsamplituden fra 1 til 2.4V for at forbedre signal-til-støj-forholdet, reducere antallet af fejl og modvirke industriel interferens.
Og selvfølgelig EEE. Dette er en måde at spare strøm på ved at slukke for senderen, hvis der ikke er nogen data at sende i øjeblikket. Diagrammet viser, hvordan dette ser ud:
Ingen data - vi sender beskeden "Jeg gik i seng" og afbryde forbindelsen. Af og til vågner vi op og sender beskeden "Jeg er stadig her." Når data vises, advares den modsatte side "Jeg vågner", og transmissionen begynder. Det vil sige, at kun modtagerne konstant arbejder.
Lad os nu se, hvad de fandt på med den anden version af standarden.
10BASE-T1S
Allerede fra sidste brev er det tydeligt, at der er tale om en protokol for korte afstande. Men hvorfor er det nødvendigt, hvis T1L arbejder på korte afstande? Læsning af karakteristika:
- rækkevidde op til 15m i punkt-til-punkt-tilstand
- duplex eller halv duplex
- проводники 24-26AWG (0.2-0.13мм2)
- symbolrate 12.5 Mbaud
- DME, kodning 4B5B
- signal med amplitude 1V (1Vpp)
- op til 4 mellemstik (og to terminalstik)
- ingen EEE-understøttelse
Det virker ikke som noget særligt. Så hvad er det til? Men til dette:
- rækkevidde op til 25m i multipoint-tilstand (op til 8 knob)
Og dette:
- driftstilstand med kollisionsundgåelse PLCA RS (PHY-Level Collision Avoidance Reconciliation Sublayer)
Og dette er meget mere interessant, er det ikke? Fordi hjælper kraftigt med at reducere antallet af ledninger i styreskabe, maskiner, robotter og biler. Og der er allerede forslag om at bruge det som erstatning for I2C i servere, switches og anden elektronik.
Men multipoint-tilstand har sine ulemper. Den vigtigste er et delt dataoverførselsmedium. Naturligvis løses kollisioner ved hjælp af CSMA/CD. Men det er uvist, hvad forsinkelsen bliver. Og for nogle applikationer er dette kritisk. Derfor blev multipoint i den nye standard suppleret med en speciel PLCA RS-tilstand (se næste afsnit).
Den anden ulempe er, at PoDL ikke fungerer i multipoint. Det vil sige, at strøm skal forsynes via et separat kabel eller tages et sted på stedet.
Men i punkt-til-punkt-tilstand virker PoDL også på T1S.
PLCA RS
Denne tilstand fungerer som følger:
- noder fordeler identifikatorer imellem sig, knudepunktet med ID=0 bliver koordinator
- koordinatoren udsender et BEACON-signal til netværket, der angiver begyndelsen af en ny transmissionscyklus og transmitterer sin datapakke
- efter transmission af en datapakke, flytter transmissionskøen til den næste knude
- hvis noden ikke er begyndt at sende inden for den tid, det tager at sende 20 bit, flytter køen til den næste node
- når alle noder har transmitteret data (eller sprunget deres tur over), begynder koordinatoren en ny cyklus
Generelt minder det om TDMA. Men med den ejendommelighed, at noden ikke bruger sin tidsramme, hvis den ikke har noget at sende. Og rammestørrelsen er ikke strengt defineret, fordi... afhænger af størrelsen af den datapakke, der transmitteres af noden. Og det hele kører oven på standard 802.3 Ethernet-rammer (PLCA RS er valgfrit, så der burde være kompatibilitet).
Resultatet af at bruge PLCA er vist nedenfor i graferne. Den første er forsinkelsen afhængig af belastningen, den anden er gennemløbet afhængigt af antallet af transmitterende knudepunkter. Det er tydeligt at mærke, at forsinkelsen er blevet meget mere forudsigelig. Og i værste fald er det 2 størrelsesordener mindre end i værste tilfælde CSMA/CD:
Og kanalkapaciteten i tilfælde af PLCA er højere, fordi bruges ikke på at løse kollisioner:
stik
Til at begynde med valgte vi mellem 6 stikmuligheder, der tilbydes af forskellige firmaer. Som et resultat afgjorde vi disse to muligheder:
Til normale driftsforhold blev CommScopes IEC 63171-1 LC-stik valgt.
Til barske miljøer – IEC 63171-6 (tidligere 61076-3-125) konnektorfamilie fra HARTING. Disse stik er designet til beskyttelsesgrader fra IP20 til IP67.
Selvfølgelig kan stik og kabler enten være UTP eller STP.
Andre
Du kan bruge et almindeligt fire-par Ethernet-kabel, hvor hvert par bruges til en separat SPE-kanal. For ikke at trække fire separate kabler et sted i det fjerne. Eller brug et enkelt-par kabel, og installer en enkelt-par Ethernet-switch i den fjerne ende.
Eller du kan tilslutte denne switch direkte til virksomhedens lokale netværk, hvis et netværk allerede er udbygget over lange afstande via fiberoptik. Sæt sensorer ind i den der, og læs aflæsningerne fra dem her. Direkte på netværket. Uden interface-konvertere og gateways.
Og disse behøver ikke nødvendigvis at være sensorer. Der kan være videokameraer, samtaleanlæg eller smarte pærer. Drev af nogle ventiler eller drejekors ved indgange.
Så udsigterne åbner sig interessante. Det er naturligvis usandsynligt, at SPE vil erstatte alle feltbusser. Men han vil tage en pæn del ud af dem. Helt sikkert i biler.
PS Jeg fandt ikke teksten til standarden i det offentlige domæne. Ovenstående information er indsamlet stykke for stykke fra forskellige præsentationer og materialer, der er tilgængelige på internettet. Så der kan være unøjagtigheder i det.
Kilde: www.habr.com