El 5 de febrero de este año se aprobó un nuevo estándar para Ethernet de 10 Mbit. Sí, has leído bien: diez megabits por segundo.
¿Por qué se necesita una velocidad tan “pequeña” en el siglo XXI? Para reemplazar el zoológico que se esconde bajo el espacioso nombre "bus de campo": Profibus, Modbus, CC-Link, CAN, FlexRay, HART, etc. Hay demasiados, son incompatibles entre sí y son relativamente difíciles de configurar. Pero sólo quieres conectar el cable al interruptor y listo. Lo mismo que con Ethernet normal.
¡Y pronto será posible! Conozca: “802.3cg-2019 - Estándar IEEE para Ethernet - Enmienda 5: Especificaciones de la capa física y parámetros de administración para operación de 10 Mb/s y entrega de energía asociada a través de un único par de conductores balanceados”.
¿Qué tiene de interesante esta nueva Ethernet? En primer lugar, funciona con un par trenzado y no con cuatro. Por tanto, tiene menos conectores y cables más finos. Y puede utilizar un cable de par trenzado ya tendido que vaya a los sensores y actuadores.
Se podría argumentar que Ethernet funciona hasta 100 metros, pero los sensores están ubicados mucho más lejos. De hecho, esto solía ser un problema. ¡Pero 802.3cg funciona a una distancia de hasta 1 km! ¡Un par a la vez! ¿Nada mal?
De hecho, aún mejor: la energía también se puede suministrar a través del mismo par. Ahí es donde comenzaremos.
Alimentación a través de líneas de datos (PoDL) IEEE 802.3bu
Creo que muchos de ustedes han oído hablar de PoE (Power over Ethernet) y saben que se necesitan 2 pares de cables para transmitir energía. La entrada/salida de energía se realiza en los puntos medios de los transformadores de cada par. Esto no se puede hacer usando un par. Por tanto, tuvimos que hacerlo de otra manera. Cómo se muestra exactamente en la siguiente figura. Por ejemplo, también se ha añadido el PoE clásico.
Aquí:
PSE – equipo de abastecimiento de energía (fuente de alimentación)
PD: dispositivo alimentado (dispositivo de extremo lejano que consume electricidad)
Inicialmente, 802.3bu tenía 10 clases de potencia:
Se resaltan en color tres gradaciones convencionales de voltaje de fuente: 12, 24 y 48V.
Leyenda:
Vpse — tensión de alimentación, V
Vpd min - voltaje mínimo en PD, V
I max — corriente máxima en la línea, A
Ppd max — consumo máximo de energía PD, W
Con la llegada del protocolo 802.3cg, se agregaron 6 clases más:
Por supuesto, con tal diversidad, el PSE y el PD deben ponerse de acuerdo sobre la clase de potencia antes de aplicar el voltaje total. Esto se hace mediante SCCP (Protocolo de clasificación de comunicaciones serie). Este es un protocolo de baja velocidad (333 bps) basado en 1-Wire. Solo funciona cuando no se suministra energía principal a la línea (incluso en modo de suspensión).
El diagrama de bloques muestra cómo se suministra la energía:
- se suministra una corriente de 10mA y se comprueba la presencia de un diodo zener de 4V en ese extremo
- Se acuerda la clase de potencia.
- se suministra energía principal
- si el consumo cae por debajo de 10 mA, se activa el modo de suspensión (suministro de energía en espera 3.3 V)
- si el consumo supera 1 mA, se sale del modo de suspensión
No es necesario ponerse de acuerdo sobre la clase de alimento si se conoce de antemano. Esta opción se llama Modo de inicio rápido. Se utiliza, por ejemplo, en automóviles, porque no es necesario cambiar la configuración del equipo conectado.
Tanto PSE como PD pueden iniciar el modo de suspensión.
Pasemos ahora a la descripción de la transferencia de datos. Lo interesante también es que el estándar define dos modos de funcionamiento: de largo alcance y para distancias cortas.
10BASE-T1L
Esta es una opción de largo alcance. Las principales características son las siguientes:
- alcance – hasta 1 km
- Conductores 18AWG (0.8mm2)
- hasta 10 conectores intermedios (y dos conectores terminales)
- modo de funcionamiento punto a punto
- duplex completo
- tasa de símbolo 7.5 Mbaud
- Modulación PAM-3, codificación 4B3T
- señal con amplitud 1V (1Vpp) o 2.4V
- Compatibilidad con Ethernet energéticamente eficiente (EEE “silencioso/actualizado”)
Evidentemente, esta opción está destinada a aplicaciones industriales, sistemas de control de acceso, automatización de edificios, ascensores. Para controlar enfriadores, aires acondicionados y ventiladores ubicados en techos. O calentar calderas y bombas ubicadas en salas técnicas. Es decir, existen muchas aplicaciones diferentes además de la industria. Por no hablar del Internet de las cosas (IoT).
Vale la pena mencionar que 10BASE-T1 es sólo uno de los estándares de Single Pair Ethernet (SPE). También hay 100BASE-T1 (802.3bw) y 1000BASE-T1 (802.3bp). Es cierto que fueron desarrollados para aplicaciones automotrices, por lo que el alcance allí es de solo 15 (UTP) o 40 metros (STP). Sin embargo, los planes ya incluyen un 100BASE-T1L de largo alcance. Por lo tanto, en el futuro agregarán la negociación automática de velocidad.
Mientras tanto, no se utiliza la coordinación: se declara un "inicio rápido" de la interfaz: menos de 100 ms desde la fuente de alimentación hasta el inicio del intercambio de datos.
Otra opción (opcional) es aumentar la amplitud de transmisión de 1 a 2.4 V para mejorar la relación señal-ruido, reducir la cantidad de errores y contrarrestar las interferencias industriales.
Y, por supuesto, EEE. Esta es una forma de ahorrar electricidad apagando el transmisor si no hay datos para transmitir en ese momento. El diagrama muestra cómo se ve esto:
Sin datos: enviamos el mensaje "Me fui a la cama" y nos desconectamos. De vez en cuando nos despertamos y enviamos el mensaje "Todavía estoy aquí". Cuando aparecen datos, se alerta al lado opuesto “Me estoy despertando” y comienza la transmisión. Es decir, solo los receptores funcionan constantemente.
Ahora veamos qué se les ocurrió con la segunda versión del estándar.
10BASE-T1S
Ya de la última carta queda claro que se trata de un protocolo para distancias cortas. Pero, ¿por qué es necesario si el T1L funciona en distancias cortas? Leyendo las características:
- Alcance de hasta 15 m en modo punto a punto.
- dúplex o semidúplex
- проводники 24-26AWG (0.2-0.13мм2)
- tasa de símbolo 12.5 Mbaud
- DME, codificación 4B5B
- señal con amplitud 1V (1Vpp)
- hasta 4 conectores intermedios (y dos conectores terminales)
- sin soporte EEE
No parece nada especial. Entonces, ¿para qué sirve? Pero para esto:
- alcance de hasta 25 m en modo multipunto (hasta 8 nudos)
Y esto:
- Modo de funcionamiento con prevención de colisiones PLCA RS (Subcapa de reconciliación para evitar colisiones a nivel PHY)
Y esto es mucho más interesante, ¿no? Porque ayuda a reducir en gran medida la cantidad de cables en gabinetes de control, máquinas, robots y automóviles. Y ya hay propuestas para utilizarlo como sustituto del I2C en servidores, conmutadores y otros dispositivos electrónicos.
Pero el modo multipunto tiene sus inconvenientes. El principal es un medio de transmisión de datos compartido. Por supuesto, las colisiones se resuelven utilizando CSMA/CD. Pero se desconoce cuál será el retraso. Y para algunas aplicaciones esto es fundamental. Por lo tanto, en el nuevo estándar, el multipunto se complementó con un modo PLCA RS especial (consulte la siguiente sección).
El segundo inconveniente es que PoDL no funciona en multipunto. Es decir, la energía deberá suministrarse mediante un cable separado o llevarse a algún lugar del sitio.
Sin embargo, en modo punto a punto, PoDL también funciona en T1S.
PLCA-RS
Este modo funciona de la siguiente manera:
- Los nodos distribuyen identificadores entre ellos, el nodo con ID=0 se convierte en el coordinador.
- el coordinador emite una señal BEACON a la red, indicando el comienzo de un nuevo ciclo de transmisión y transmite su paquete de datos
- Después de transmitir un paquete de datos, la cola de transmisión pasa al siguiente nodo.
- Si el nodo no ha comenzado a transmitir dentro del tiempo requerido para transmitir 20 bits, la cola pasa al siguiente nodo.
- Cuando todos los nodos han transmitido datos (o se han saltado su turno), el coordinador comienza un nuevo ciclo.
En general se parece a TDMA. Pero con la particularidad de que el nodo no utiliza su marco temporal si no tiene nada que transmitir. Y el tamaño del marco no está estrictamente definido, porque... Depende del tamaño del paquete de datos transmitido por el nodo. Y todo se ejecuta sobre tramas Ethernet 802.3 estándar (PLCA RS es opcional, por lo que debería haber compatibilidad).
El resultado del uso de PLCA se muestra a continuación en los gráficos. El primero es el retraso que depende de la carga, el segundo es el rendimiento que depende del número de nodos transmisores. Se nota claramente que el retraso se ha vuelto mucho más predecible. Y en el peor de los casos es 2 órdenes de magnitud menos que en el peor de los casos CSMA/CD:
Y la capacidad del canal en el caso de PLCA es mayor, porque no se gasta en resolver colisiones:
Conectores
Inicialmente, elegimos entre 6 opciones de conectores ofrecidas por diferentes empresas. Como resultado, nos decidimos por estas dos opciones:
Para condiciones de funcionamiento normales, se seleccionó el conector LC IEC 63171-1 de CommScope.
Para entornos hostiles: la familia de conectores IEC 63171-6 (anteriormente 61076-3-125) de HARTING. Estos conectores están diseñados para grados de protección desde IP20 hasta IP67.
Por supuesto, los conectores y cables pueden ser UTP o STP.
otro
Puede utilizar un cable Ethernet normal de cuatro pares, utilizando cada par para un canal SPE independiente. Para no tirar cuatro cables separados en la distancia. O utilice un cable de un solo par e instale un conmutador Ethernet de un solo par en el otro extremo.
O puede conectar este conmutador directamente a la red local de la empresa, si ya se ha extendido una red a largas distancias mediante fibra óptica. Coloque sensores allí y lea sus lecturas aquí. Directamente en la red. Sin convertidores de interfaz ni gateways.
Y estos no necesariamente tienen que ser sensores. Puede haber cámaras de vídeo, intercomunicadores o bombillas inteligentes. Accionamientos de algunas válvulas o torniquetes en los accesos.
Así que las perspectivas se abren interesantes. Por supuesto, es poco probable que SPE sustituya a todos los autobuses de campo. Pero les quitará una buena parte. Ciertamente en los automóviles.
PD: No encontré el texto de la norma en el dominio público. La información anterior fue recopilada pieza por pieza de varias presentaciones y materiales disponibles en Internet. Por lo tanto, puede haber inexactitudes en él.
Fuente: habr.com