Am 5. Februar dieses Jahres wurde ein neuer Standard für 10-Megabit-Ethernet genehmigt. Ja, Sie haben richtig gelesen: zehn Megabit pro Sekunde.
Wozu benötigt man im 21. Jahrhundert eine so „kleine“ Geschwindigkeit? Um den Dschungel zu ersetzen, der unter dem umfassenden Begriff „Feldbus“ bekannt ist — Profibus, Modbus, CC-Link, CAN, FlexRay, HART usw. Es gibt zu viele, sie sind untereinander nicht kompatibel und relativ schwierig einzustellen. Man möchte einfach nur das Kabel in den Switch stecken und fertig. Wie beim normalen Ethernet.
Und bald wird das möglich sein! Lernen Sie kennen: „802.3cg-2019 — IEEE-Standard für Ethernet — Änderungsantrag 5: Physikalische Schichtspezifikationen und Managementparameter für den Betrieb mit 10 Mb/s und damit verbundene Energieübertragung über ein einzelnes, symmetrisches Kabelpaar.“
Was ist also an diesem neuen Ethernet interessant? Vor allem – es funktioniert über ein einziges Twisted-Pair-Kabel und nicht über vier. Daher sind die Anschlüsse kleiner und die Kabel dünner. Man kann auch bereits verlegte Twisted-Pair-Kabel verwenden, die zu Sensoren und Aktoren führen.
Sie könnten einwenden, dass Ethernet nur bis zu 100 Meter funktioniert, während die Sensoren viel weiter entfernt sein können. In der Tat war das früher ein Problem. Aber 802.3cg funktioniert über Distanzen von bis zu 1 km! Mit einem Kabelpaar! Nicht schlecht?
In der Tat, es ist sogar noch besser: Über dieses Paar kann auch Stromversorgung bereitgestellt werden. Damit fangen wir an.
IEEE 802.3bu Power over Data Lines (PoDL)
Ich denke, viele von Ihnen haben schon von PoE (Power over Ethernet) gehört und wissen, dass für die Stromversorgung zwei Drahtpaare benötigt werden. Die Einspeisung/Ausgabe von Strom erfolgt an den Mittelpunkten der Transformatoren jedes Paares. Es ist unmöglich, dies mit nur einem Paar zu realisieren. Deshalb musste eine andere Lösung gefunden werden. Wie dies aussieht, wird im Bild unten dargestellt. Zur Veranschaulichung wurde auch das klassische PoE hinzugefügt.
Hier:
PSE – power sourcing equipment (Stromquelle)
PD – powered device (Gerät am anderen Ende, das Strom verbraucht)
Ursprünglich hatte 802.3bu 10 Klassen der Stromversorgung:
Drei bedingte Spannungsstufen des Stromsources sind farblich hervorgehoben: 12, 24 und 48V.
Bezeichnungen:
Vpse — Spannung der Stromquelle, V
Vpd min — minimale Spannung am PD, V
I max — maximaler Strom in der Leitung, A
Ppd max — maximale Leistungsaufnahme des PD, W
Mit dem Protokoll 802.3cg kamen noch 6 Klassen hinzu:
Natürlich müssen bei einer so großen Vielfalt PSE und PD die Leistungsversorgungsklasse abstimmen, bevor die volle Spannung angelegt wird. Dies geschieht über das SCCP (Serial Communications Classification Protocol). Es handelt sich um ein Niedriggeschwindigkeitsprotokoll (333 Bit/s), das auf 1-Wire basiert. Es funktioniert nur, wenn keine Hauptstromversorgung an die Linie angelegt wird (einschließlich im Schlafmodus).
Das Blockdiagramm zeigt, wie die Stromversorgung erfolgt:
- Es wird ein Strom von 10 mA angelegt und das Vorhandensein eines 4V-Zener-Dioden am anderen Ende überprüft.
- Die Leistungsversorgungsklasse wird abgestimmt.
- Die Hauptstromversorgung wird angelegt.
- Wenn der Verbrauch unter 10 mA fällt, wird in den Schlafmodus gewechselt (es wird eine Standby-Spannung von 3,3 V angelegt).
- Wenn der Verbrauch 1 mA überschreitet, erfolgt der Ausgang aus dem Schlafmodus.
Die Abstimmung der Leistungsversorgungsklasse kann entfallen, wenn sie im Voraus bekannt ist. Diese Variante wird als Fast Startup Mode bezeichnet. Sie wird beispielsweise in Autos verwendet, da dort keine Notwendigkeit besteht, die Konfiguration der angeschlossenen Geräte zu ändern.
Den Übergang in den Schlafmodus kann sowohl PSE als auch PD initiieren.
Kommen wir nun zur Beschreibung der Datenübertragung. Auch hier gibt es Interessantes: Der Standard definiert zwei Betriebsmodi – Langstrecken- und Kurzstreckenbetrieb.
10BASE-T1L
Dies ist die Variante für große Reichweiten (long reach). Die Hauptmerkmale sind wie folgt:
- Reichweite – bis zu 1 km
- Leiter 18AWG (0,8 mm²)
- bis zu 10 Zwischenverbindungen (und zwei Endverbindungen)
- Punkt-zu-Punkt-Betrieb
- Voll-Duplex
- Symbolrate 7,5 Mbaud
- Modulation PAM-3, Kodierung 4B3T
- Signal mit einer Amplitude von 1 V (1 Vpp) oder 2,4 V
- Unterstützung für Energy Efficient Ethernet ("quiet/refresh" EEE)
Offensichtlich ist diese Variante für industrielle Anwendungen, Zugangskontrollsysteme, Gebäudeautomatisierung, Aufzüge gedacht. Zur Steuerung von Chiller, Klimaanlagen und Ventilatoren, die sich auf Dächern befinden. Oder von Heizkesseln und Pumpen, die in technischen Räumen stehen. Das heißt, es gibt eine Vielzahl von Anwendungen über die Industrie hinaus. Ganz zu schweigen vom Internet der Dinge (IoT).
Es ist erwähnenswert, dass 10BASE-T1 nur einer der Standards für Single Pair Ethernet (SPE) ist. Es gibt auch 100BASE-T1 (802.3bw) und 1000BASE-T1 (802.3bp). Diese wurden zwar für Anwendungen im Automobilbereich entwickelt, wobei die Reichweite nur 15 Meter (UTP) oder 40 Meter (STP) beträgt. Allerdings gibt es bereits Pläne für eine langreichweitige Variante, den 100BASE-T1L. Zukünftig wird auch eine automatische Geschwindigkeitsanpassung hinzugefügt.
Derzeit wird jedoch keine Anpassung verwendet – es wurde ein "schneller Start" des Interfaces angekündigt: weniger als 100 ms von der Stromzufuhr bis zum Beginn des Datenaustauschs.
Eine weitere Option (optional) ist die Erhöhung der Übertragungsamplitude von 1 auf 2,4 V, um das Signal-Rausch-Verhältnis zu verbessern, die Anzahl der Fehler zu reduzieren und gegen industrielle Störungen zu wappnen.
Und natürlich EEE. Dies ist eine Möglichkeit, Strom zu sparen, indem der Sender abgeschaltet wird, wenn gerade keine Daten zu übertragen sind. Das Diagramm zeigt, wie dies aussieht:
Keine Daten – wir senden die Nachricht „Ich gehe schlafen“ und schalten uns ab. Gelegentlich wachen wir auf und senden die Nachricht „Ich bin noch hier“. Wenn Daten verfügbar sind, wird der gegenüberliegenden Seite die Warnung „Ich wach auf“ gegeben und die Übertragung beginnt. Das bedeutet, dass nur die Empfänger ständig aktiv sind.
Schauen wir uns an, was mit der zweiten Variante des Standards entwickelt wurde.
10BASE-T1S
Bere already auf den letzten Buchstaben ist klar, dass es sich um ein Protokoll für kurze Distanzen (short reach) handelt. Aber warum wird es benötigt, wenn T1L auch auf kurzen Strecken funktioniert? Lassen Sie uns die Spezifikationen lesen:
- Reichweite bis zu 15 m im Punkt-zu-Punkt-Betrieb
- Voll- oder Halbduplex
- Leitungen 24-26 AWG (0,2-0,13 mm²)
- Symbolrate 12,5 Mbaud
- DME, Codierung 4B5B
- Signal mit einer Amplitude von 1 V (1 Vpp)
- Bis zu 4 Zwischenanschlüssen (und zwei Endanschluss)
- Keine Unterstützung für EEE
Scheint nichts Besonderes zu sein. Wozu wird es dann benötigt? Für Folgendes:
- Reichweite bis zu 25 m im Multipoint-Betrieb (bis zu 8 Knoten)
Und für das hier:
- Betriebsmodus mit Kollisionsvermeidung PLCA RS (PHY-Level Collision Avoidance Reconciliation Sublayer)
Und das ist schon viel interessanter, nicht wahr? Da es hilft, die Anzahl der Kabel in Schaltschränken, Maschinen, Robotern und Autos erheblich zu reduzieren. Es gibt bereits Vorschläge, es als Ersatz für I2C in Servern, Switches und anderer Elektronik zu verwenden.
Aber der Multipoint-Modus hat seine Nachteile. Der Hauptnachteil ist die geteilte Übertragungsumgebung. Natürlich werden Kollisionen mit CSMA/CD gelöst. Aber es ist unklar, welche Verzögerung dabei entstehen wird. Und für einige Anwendungen ist das kritisch. Daher wurde im neuen Standard der Multipoint mit einem speziellen PLCA RS-Modus ergänzt (siehe den nächsten Abschnitt).
Ein weiterer Nachteil ist, dass PoDL im Multipoint nicht funktioniert. Das bedeutet, dass die Stromversorgung über ein separates Kabel bereitgestellt werden muss oder vor Ort verfügbar sein muss.
Im Punkt-zu-Punkt-Modus funktioniert PoDL jedoch auch auf T1S.
PLCA RS
Dieser Modus funktioniert wie folgt:
- Die Knoten teilen sich Identifikatoren, wobei der Knoten mit ID=0 zum Koordinator wird.
- Der Koordinator sendet ein BEACON-Signal ins Netzwerk, das den Beginn eines neuen Übertragungszyklus anzeigt, und überträgt sein Datensignal.
- Nach der Datenübertragung wechselt die Übertragungswarteschlange zum nächsten Knoten.
- Wenn innerhalb der für die Übertragung von 20 Bits benötigten Zeit kein Knoten mit der Übertragung beginnt, wechselt die Warteschlange zum nächsten Knoten.
- Wenn alle Knoten Daten übertragen haben (oder ihre Warteschlange verpasst haben), beginnt der Koordinator einen neuen Zyklus.
Im Grunde ähnelt es dem TDMA. Der Unterschied liegt jedoch darin, dass der Knoten seinen Zeitrahmen nicht nutzt, wenn er nichts zu übertragen hat. Außerdem ist die Rahmenlänge nicht festgelegt, da sie von der Größe des vom Knoten übertragenen Datenpakets abhängt. All dies funktioniert über die Standard-Ethernet 802.3-Rahmen (PLCA RS ist nicht zwingend erforderlich, daher muss Kompatibilität gewährleistet sein).
Die Ergebnisse der Verwendung von PLCA sind in den untenstehenden Grafiken dargestellt. Der erste zeigt die Verzögerung in Abhängigkeit von der Auslastung, der zweite die Bandbreite in Abhängigkeit von der Anzahl der übertragenden Knoten. Es ist deutlich zu erkennen, dass die Verzögerung viel vorhersehbarer geworden ist. Im schlimmsten Fall ist sie um zwei Größenordnungen geringer als im schlimmsten Fall beim CSMA/CD:
Die Bandbreite des Kanals ist im Fall von PLCA höher, da keine Ressourcen für die Auflösung von Kollisionen benötigt werden:
Anschlüsse
Ursprünglich wurden aus sechs von verschiedenen Unternehmen vorgeschlagenen Steckverbindern ausgewählt. Letztendlich entschieden wir uns für diese beiden Varianten:
Für normale Betriebsbedingungen wurde der LC-Steckverbinder IEC 63171-1 von CommScope gewählt.
Für raue Betriebsbedingungen – die Steckverbinderfamilie IEC 63171-6 (ehemals 61076-3-125) von HARTING. Diese Steckverbinder sind für Schutzarten von IP20 bis IP67 ausgelegt.
Natürlich können die Anschlüsse und Kabel sowohl UTP als auch STP sein.
Sonstiges
Es kann ein gewöhnliches vierpaariges Ethernet-Kabel verwendet werden, wobei jedes Paar für einen separaten SPE-Kanal genutzt wird. So muss man nicht vier separate Kabel weit verlegen. Alternativ kann auch ein einadriges Kabel verwendet werden, wobei am anderen Ende ein Switch für einadriges Ethernet installiert wird.
Dieser Switch kann direkt mit dem lokalen Netzwerk des Unternehmens verbunden werden, sofern bereits ein Glasfasernetz in die Ferne gelegt wurde. Dort können Sensoren angeschlossen werden, deren Daten hier direkt über das Netzwerk abgerufen werden können. Ohne Schnittstellenwandler und Gateways.
Und es müssen nicht unbedingt Sensoren sein. Es können auch Kameras, Gegensprechanlagen oder „smarte“ Lampen sein. Antriebe für Ventile oder Drehkreuze an Zufahrtskontrollen.
Die Perspektiven sind also interessant. Sicherlich wird SPE nicht alle Feldbusse ersetzen. Aber einen beträchtlichen Teil wird es ihm sicherlich abnehmen. Besonders im Automobilbereich.
PS: Ich habe den Text des Standards nicht öffentlich gefunden. Die obigen Informationen wurden aus verschiedenen Präsentationen und verfügbaren Materialien im Internet zusammengetragen. Daher können Ungenauigkeiten enthalten sein.
Quelle: habr.com
