El 5 de febrero de este año se aprobó un nuevo estándar para Ethernet de 10 megabits. Sí, lo leíste bien: diez megabits por segundo.
¿Para qué se necesita una «pequeña» velocidad así en el siglo XXI? Para reemplazar el zoológico que se esconde bajo el amplio término «bus de campo»: Profibus, Modbus, CC-Link, CAN, FlexRay, HART, etc. Son demasiados, son incompatibles entre sí y relativamente difíciles de configurar. Lo que se desea es simplemente conectar un cable al conmutador y listo. Como con el Ethernet normal.
¡Y pronto esto será posible! Conozcan: «802.3cg-2019 — Estándar IEEE para Ethernet — Enmienda 5: Especificaciones de la Capa Física y Parámetros de Gestión para Operaciones de 10 Mb/s y Suministro de Energía Asociado sobre un Solo Par Balanceado de Conductores».
¿Qué es lo interesante de este nuevo Ethernet? Primero que nada, funciona con un solo par trenzado, en lugar de cuatro. Por lo tanto, tiene conectores más pequeños y cables más delgados. Y se puede utilizar el par trenzado ya instalado que va hacia los sensores y actuadores.
Podrías argumentar que el Ethernet funciona hasta 100 metros, y que los sensores están mucho más lejos. Ciertamente, antes eso era un problema. ¡Pero el 802.3cg trabaja a distancias de hasta 1 km! ¡Con un solo par! ¿No está mal?
En realidad, es incluso mejor: por ese mismo par se puede suministrar energía. Comencemos por ahí.
IEEE 802.3bu Power over Data Lines (PoDL)
Creo que muchos de ustedes han oído hablar de PoE (Power over Ethernet) y saben que se necesitan 2 pares de cables para la transmisión de energía. La entrada/salida de energía se realiza en los puntos intermedios de los transformadores de cada par. Usar un solo par hace que esto sea imposible. Así que se tuvo que hacer de otra manera. Cómo exactamente se muestra en la imagen a continuación. Se ha añadido el PoE clásico como ejemplo.
Aquí:
PSE – equipo suministrador de energía
PD – dispositivo alimentado (dispositivo en el extremo que consume electricidad)
Originalmente, el 802.3bu tenía 10 clases de potencia:
Se destacan tres gradaciones de tensión del suministro: 12, 24 y 48V.
Designaciones:
Vpse — tensión del suministro de energía, V
Vpd min — tensión mínima en el PD, V
I max — corriente máxima en la línea, A
Ppd max — potencia máxima consumida por el PD, W
Con la aparición del protocolo 802.3cg se añadieron 6 clases más:
Por supuesto, con tal diversidad, PSE y PD deben coordinar la clase de potencia antes de aplicar el voltaje completo. Esto se realiza mediante SCCP (Protocolo de Clasificación de Comunicaciones en Serie). Es un protocolo de baja velocidad (333 bits/s), basado en 1-Wire. Funciona solo cuando no hay alimentación principal en la línea (incluido en modo de suspensión).
El diagrama de bloques muestra cómo se realiza el suministro de energía:
- se suministra una corriente de 10 mA y se verifica la presencia de un estabilizador de voltaje de 4 V al otro lado
- se lleva a cabo la coordinación de la clase de potencia
- se aplica la alimentación principal
- si el consumo cae por debajo de 10 mA, se activa el modo de suspensión (suministro de energía de espera de 3.3 V)
- si el consumo supera 1 mA, se sale del modo de suspensión
No es necesario realizar la coordinación de clase de potencia si se conoce de antemano. Esta opción se llama Modo de Inicio Rápido. Se aplica, por ejemplo, en automóviles, ya que no hay necesidad de cambiar la configuración del equipo conectado.
La transición al modo de suspensión puede ser iniciada tanto por PSE como por PD.
Ahora pasemos a la descripción de la transmisión de datos. También resulta interesante: la norma define dos modos de operación: de largo alcance y para distancias cortas.
10BASE-T1L
Esta es la opción para grandes distancias (long reach). Las características principales son las siguientes:
- alcance de hasta 1 km
- conductores 18AWG (0.8 mm²)
- hasta 10 conectores intermedios (y dos finales)
- modo de operación punto a punto
- full duplex
- velocidad de símbolo de 7.5 Mbaud
- modulación PAM-3, codificación 4B3T
- señal con amplitud de 1 V (1 Vpp) o 2.4 V
- soporte para Ethernet Energéticamente Eficiente (EEE 'quiet/refresh')
Es evidente que esta opción está diseñada para aplicaciones industriales, sistemas de control de acceso, automatización de edificios, ascensores. Para controlar chillers, acondicionadores de aire, ventiladores ubicados en techos. O calderas de calefacción y bombas ubicadas en salas técnicas. Es decir, una gran cantidad de aplicaciones más allá de la industria. Sin mencionar el Internet de las Cosas (IoT).
Vale la pena mencionar que 10BASE-T1 es solo uno de los estándares de Single Pair Ethernet (SPE). También están 100BASE-T1 (802.3bw) y 1000BASE-T1 (802.3bp). Sin embargo, se desarrollaron para aplicaciones automotrices, por lo que su alcance es de solo 15 (UTP) o 40 metros (STP). Sin embargo, ya se planea un 100BASE-T1L de largo alcance. Así que en el futuro se añadirá la autoconfiguración de velocidad.
Mientras que la aprobación no se utiliza, se ha declarado un «inicio rápido» de la interfaz: menos de 100 ms desde que se aplica la alimentación hasta que comienza el 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. Es una forma de ahorrar electricidad al desactivar el transmisor si no hay datos para transmitir en ese momento. En el diagrama se muestra cómo se ve eso:
Sin datos, enviamos el mensaje "me he ido a dormir" y nos desconectamos. Ocasionalmente despertamos y enviamos el mensaje "sigo aquí". Cuando hay datos, se emite un aviso al otro lado "me estoy despertando" y comienza la transmisión. Es decir, solo los receptores están siempre activos.
Ahora veamos qué han ideado con la segunda opción del estándar.
10BASE-T1S
Ya por la última letra se entiende que este es un protocolo para distancias cortas (short reach). Pero, ¿para qué se necesita, si en distancias cortas también funciona T1L? Leamos las especificaciones:
- rango de acción de hasta 15 m en modo punto a punto
- duplex o half-duplex
- conductores de 24-26 AWG (0.2-0.13 mm²)
- velocidad simbólica de 12.5 Mbaud
- DME, codificación 4B5B
- señal con amplitud de 1 V (1 Vpp)
- hasta 4 conectores intermedios (y dos terminales)
- sin soporte para EEE
Parece que no hay nada especial. Entonces, ¿para qué se necesita? Para esto:
- rango de acción de hasta 25 m en modo multipunto (hasta 8 nodos)
Y esto:
- modo de operación con prevención de colisiones PLCA RS (Capa de Reconciliación de Prevención de Colisiones a Nivel Físico)
Y esto ya es mucho más interesante, ¿no? Ya que ayuda a reducir significativamente la cantidad de cables en armarios de control, máquinas, robots y automóviles. Ya hay propuestas para usarlo como sustituto de I2C en como en entornos de nube públicos o privados., conmutadores y otra electrónica.
Pero el modo multipunto tiene desventajas. La principal es el medio compartido de transmisión de datos. Por supuesto, las colisiones se resuelven mediante CSMA/CD. Pero no se sabe cuál será la latencia. Y para algunas aplicaciones, eso es crítico. Por lo tanto, en el nuevo estándar se complementó el multipunto con un modo especial PLCA RS (ver la siguiente sección).
La segunda desventaja es que en el multipunto no funciona PoDL. Es decir, la alimentación deberá suministrarse a través de un cable separado o tomarse de alguna parte en el lugar.
Sin embargo, en modo punto a punto, PoDL funciona también en T1S.
PLCA RS
Este modo funciona de la siguiente manera:
- los nodos se distribuyen identificadores entre ellos, el nodo con ID=0 se convierte en el coordinador.
- el coordinador emite en la red una señal BEACON, que indica el comienzo de un nuevo ciclo de transmisión y envía su paquete de datos.
- después de transmitir el paquete de datos, la cola de transmisión pasa al siguiente nodo.
- si durante el tiempo necesario para transmitir 20 bits el nodo no ha comenzado la transmisión, la cola pasa al siguiente nodo.
- cuando todos los nodos han transmitido datos (o han pasado su turno), el coordinador inicia un nuevo ciclo.
En general, esto se asemeja 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 fijado, ya que depende del tamaño del paquete de datos transmitido por el nodo. Todo esto funciona sobre marcos estándar Ethernet 802.3 (PLCA RS no es obligatorio, por lo que debe haber compatibilidad).
El resultado del uso de PLCA se muestra a continuación en los gráficos. El primero representa la latencia en función de la carga, el segundo, la capacidad de transmisión en función del número de nodos transmisores. Es evidente que la latencia se ha vuelto mucho más predecible. Y en el peor de los casos es 2 órdenes de magnitud menor que en el peor de los casos de CSMA/CD:
Y la capacidad de transmisión del canal en el caso de PLCA es mayor, ya que no se utiliza en la resolución de colisiones:
Conectores
Inicialmente se seleccionaron entre 6 opciones de conectores ofrecidos por diferentes empresas. Al final, se optó por estas dos opciones:
Para condiciones de operación normales se eligió el conector LC IEC 63171-1 de CommScope.
Para condiciones de operación extremas, se seleccionó la familia de conectores IEC 63171-6 (anteriormente 61076-3-125) de HARTING. Estos conectores están diseñados para grados de protección de IP20 a IP67.
Por supuesto, los conectores y cables pueden ser tanto UTP como STP.
Otros
Se puede utilizar un cable Ethernet de cuatro pares normal, utilizando cada par para un canal SPE separado. Para evitar tener que tirar cuatro cables separados a una distancia. O usar un cable de un solo par y colocar un conmutador de Ethernet de un solo par al final.
¿Es posible conectar este conmutador directamente a la red local de la empresa, si ya se ha tendido una red de fibra óptica a largas distancias? Conectar sensores allí y ver las lecturas aquí. Directamente a través de la red. Sin convertidores de interfaz ni puertas de enlace.
Y no necesariamente tienen que ser sensores. Pueden ser cámaras de video, porteros automáticos o bombillas 'inteligentes'. Actuadores de alguna válvula o torniquetes en las entradas.
Así que se abren perspectivas interesantes. Es poco probable que SPE reemplace todos los buses de campo. Pero ciertamente le quitará una buena parte. Especialmente en los automóviles.
PS No encontré el texto del estándar en acceso público. La información anterior se recopiló a partir de fragmentos de varias presentaciones y materiales disponibles en internet. Por lo tanto, puede haber imprecisiones.
Fuente: habr.com
