Quartier Ethernet : ancienne vitesse, nouvelles opportunités

Le 5 février de cette année, une nouvelle norme pour Ethernet 10 Mbits a été approuvée. Oui, vous avez bien lu : dix mégabits par seconde.

Pourquoi une si « petite » vitesse est-elle nécessaire au 21e siècle ? Pour remplacer le zoo caché sous le nom volumineux de « bus de terrain » - Profibus, Modbus, CC-Link, CAN, FlexRay, HART, etc. Ils sont trop nombreux, incompatibles entre eux et relativement difficiles à configurer. Mais vous voulez simplement brancher le câble sur le commutateur, et c'est tout. Identique à Ethernet classique.

Et bientôt ce sera possible ! Rencontre : « 802.3cg-2019 - Norme IEEE pour Ethernet - Amendement 5 : Spécifications de la couche physique et paramètres de gestion pour 10 Mb/s Fonctionnement et fourniture de puissance associée sur une seule paire équilibrée de conducteurs.

Qu'y a-t-il de si excitant dans ce nouvel Ethernet ? Tout d’abord, cela fonctionne sur une paire torsadée et non sur quatre. Il comporte donc moins de connecteurs et des câbles plus fins. Et vous pouvez utiliser un câble à paire torsadée déjà posé pour les capteurs et les actionneurs.

On pourrait affirmer qu’Ethernet fonctionne jusqu’à 100 mètres, mais que les capteurs sont situés beaucoup plus loin. En effet, cela posait un problème. Mais le 802.3cg fonctionne jusqu'à une distance de 1 km ! Une paire à la fois ! Pas mal?

En fait, mieux encore : l’alimentation peut également être fournie via la même paire. C'est par là que nous commencerons.

Alimentation sur lignes de données IEEE 802.3bu (PoDL)

Je pense que beaucoup d'entre vous ont entendu parler du PoE (Power over Ethernet) et savent que 2 paires de fils sont nécessaires pour transmettre l'énergie. L'entrée/sortie de puissance s'effectue aux points médians des transformateurs de chaque paire. Cela ne peut pas être fait en utilisant une seule paire. Nous avons donc dû procéder différemment. Comment exactement est montré dans la figure ci-dessous. Par exemple, le PoE classique a également été ajouté.

Ici:
PSE – équipement d’alimentation électrique (alimentation)
PD – appareil alimenté (appareil distant qui consomme de l’électricité)

Initialement, le 802.3bu avait 10 classes de puissance :

Trois gradations conventionnelles de tension source sont mises en évidence en couleur : 12, 24 et 48 V.

légende:
Vpse — tension d'alimentation, V
Vpd min - tension minimale sur PD, V
I max — courant maximum dans la ligne, A
Ppd max — consommation électrique maximale PD, W

Avec l'avènement du protocole 802.3cg, 6 classes supplémentaires ont été ajoutées :

Bien entendu, avec une telle diversité, le PSE et le PD doivent se mettre d’accord sur la classe de puissance avant d’appliquer la pleine tension. Cela se fait à l’aide du SCCP (Serial Communications Classification Protocol). Il s'agit d'un protocole à faible vitesse (333 bps) basé sur 1-Wire. Il ne fonctionne que lorsque l'alimentation principale n'est pas fournie à la ligne (y compris en mode veille).

Le schéma fonctionnel montre comment l'alimentation est fournie :

• un courant de 10 mA est fourni et la présence d'une diode Zener 4 V à cette extrémité est vérifiée
• la classe de puissance est convenue
• l'alimentation principale est fournie
• si la consommation descend en dessous de 10mA, le mode veille est activé (alimentation en veille 3.3V)
• si la consommation dépasse 1mA, le mode veille sort

Il n’est pas nécessaire de se mettre d’accord sur la classe alimentaire si celle-ci est connue à l’avance. Cette option est appelée Mode de démarrage rapide. Il est utilisé par exemple dans les voitures, car il n'est pas nécessaire de modifier la configuration de l'équipement connecté.

PSE et PD peuvent lancer le mode veille.

Passons maintenant à la description du transfert de données. C’est là aussi intéressant : la norme définit deux modes de fonctionnement – ​​longue portée et pour courtes distances.

10BASE-T1L

Il s’agit d’une option à longue portée. Les principales caractéristiques sont les suivantes :

• portée – jusqu'à 1 km
• conducteurs 18AWG (0.8mm2)
• jusqu'à 10 connecteurs intermédiaires (et deux connecteurs terminaux)
• mode de fonctionnement point à point
• duplex intégral
• débit de symbole 7.5 Mbauds
• Modulation PAM-3, encodage 4B3T
• signal avec amplitude 1V (1Vpp) ou 2.4V
• Prise en charge d'Ethernet économe en énergie (« EEE silencieux/rafraîchissant »)

Cette option est évidemment destinée aux applications industrielles, aux systèmes de contrôle d’accès, à l’immotique, aux ascenseurs. Pour contrôler les refroidisseurs, les climatiseurs et les ventilateurs situés sur les toits. Ou des chaudières et pompes de chauffage situées dans les locaux techniques. Autrement dit, il existe de nombreuses applications différentes en dehors de l’industrie. Sans parler de l’Internet des objets (IoT).

Il convient de mentionner que 10BASE-T1 n'est que l'une des normes Ethernet à paire unique (SPE). Il existe également 100BASE-T1 (802.3bw) et 1000BASE-T1 (802.3bp). Certes, ils ont été développés pour des applications automobiles, la portée n'est donc que de 15 (UTP) ou 40 mètres (STP). Cependant, les plans incluent déjà un 100BASE-T1L longue portée. Ainsi, à l’avenir, ils ajouteront l’auto-négociation de la vitesse.

En attendant, la coordination n'est pas utilisée - un « démarrage rapide » de l'interface est déclaré : moins de 100 ms entre l'alimentation et le début de l'échange de données.

Une autre option (facultative) consiste à augmenter l'amplitude de transmission de 1 à 2.4 V pour améliorer le rapport signal/bruit, réduire le nombre d'erreurs et contrecarrer les interférences industrielles.

Et bien sûr, l’EEE. C'est un moyen d'économiser de l'électricité en éteignant l'émetteur s'il n'y a aucune donnée à transmettre pour le moment. Le diagramme montre à quoi cela ressemble :


Aucune donnée - nous envoyons le message « Je me suis couché » et nous nous déconnectons. Parfois, nous nous réveillons et envoyons le message « Je suis toujours là ». Lorsque les données apparaissent, le côté opposé est alerté « Je me réveille » et la transmission commence. C'est à dire que seuls les récepteurs fonctionnent en permanence.

Voyons maintenant ce qu'ils ont proposé avec la deuxième version de la norme.

10BASE-T1S

Dès la dernière lettre, il ressort clairement qu’il s’agit d’un protocole pour de courtes distances. Mais pourquoi est-il nécessaire si le T1L fonctionne sur de courtes distances ? Lecture des caractéristiques :

• portée jusqu'à 15 m en mode point à point
• duplex ou semi-duplex
• проводники 24-26AWG (0.2-0.13мм2)
• débit de symbole 12.5 Mbauds
• DME, codant 4B5B
• signal avec amplitude 1V (1Vpp)
• jusqu'à 4 connecteurs intermédiaires (et deux connecteurs terminaux)
• pas de support EEE

Cela ne semble rien de spécial. Alors à quoi ça sert ? Mais pour ça :

• portée jusqu'à 25 m en mode multipoint (jusqu'à 8 nœuds)

Et ça:

• mode de fonctionnement avec évitement de collision PLCA RS (PHY-Level Collision Evidence Reconciliation Sublayer)

Et c'est bien plus intéressant, n'est-ce pas ? Car cela permet de réduire considérablement le nombre de câbles dans les armoires de commande, les machines, les robots et les voitures. Et il existe déjà des propositions pour l'utiliser comme alternative à l'I2C. серверах, des interrupteurs et autres appareils électroniques.

Mais le mode multipoint a ses inconvénients. Le principal est un support de transmission de données partagé. Bien entendu, les collisions sont résolues à l’aide de CSMA/CD. Mais on ne sait pas quel sera le retard. Et pour certaines applications, cela est essentiel. Par conséquent, dans la nouvelle norme, le multipoint a été complété par un mode PLCA RS spécial (voir la section suivante).

Le deuxième inconvénient est que PoDL ne fonctionne pas en multipoint. Autrement dit, l'alimentation électrique devra être fournie via un câble séparé ou prise quelque part sur place.

Cependant, en mode point à point, PoDL fonctionne également sur T1S.

PLCA RS

Ce mode fonctionne comme suit :

• les nœuds se répartissent les identifiants entre eux, le nœud avec ID=0 devient le coordinateur
• le coordinateur émet un signal BEACON au réseau, indiquant le début d'un nouveau cycle de transmission et transmet son paquet de données
• après la transmission d'un paquet de données, la file d'attente de transmission se déplace vers le nœud suivant
• si le nœud n'a pas commencé à transmettre dans le temps nécessaire pour transmettre 20 bits, la file d'attente passe au nœud suivant
• lorsque tous les nœuds ont transmis des données (ou ont sauté leur tour), le coordinateur commence un nouveau cycle

En général, cela ressemble au TDMA. Mais avec la particularité que le nœud n'utilise pas sa tranche horaire s'il n'a rien à transmettre. Et la taille du cadre n'est pas strictement définie, car... dépend de la taille du paquet de données transmis par le nœud. Et tout cela fonctionne sur les trames Ethernet 802.3 standard (PLCA RS est facultatif, il devrait donc y avoir une compatibilité).

Le résultat de l’utilisation de PLCA est présenté ci-dessous dans les graphiques. Le premier est le délai en fonction de la charge, le second est le débit en fonction du nombre de nœuds de transmission. Il est clairement visible que le retard est devenu beaucoup plus prévisible. Et dans le pire des cas, c'est 2 ordres de grandeur de moins que dans le pire des cas CSMA/CD :

Et la capacité du canal dans le cas du PLCA est plus élevée, car n'est pas dépensé pour résoudre les collisions :

Connecteurs

Au départ, nous avons choisi parmi 6 options de connecteurs proposées par différentes sociétés. En conséquence, nous avons opté pour ces deux options :

Pour des conditions de fonctionnement normales, le connecteur LC CEI 63171-1 de CommScope a été sélectionné.

Pour les environnements difficiles – la famille de connecteurs CEI 63171-6 (anciennement 61076-3-125) de HARTING. Ces connecteurs sont conçus pour des degrés de protection allant de IP20 à IP67.

Bien entendu, les connecteurs et les câbles peuvent être soit UTP, soit STP.

autre

Vous pouvez utiliser un câble Ethernet classique à quatre paires, en utilisant chaque paire pour un canal SPE distinct. Afin de ne pas tirer quatre câbles séparés quelque part au loin. Ou utilisez un câble à paire unique et installez un commutateur Ethernet à paire unique à l'extrémité distante.

Vous pouvez également connecter ce switch directement au réseau local de l’entreprise, si un réseau a déjà été étendu sur de longues distances via la fibre optique. Collez-y des capteurs et lisez leurs lectures ici. Directement sur le réseau. Sans convertisseurs d'interface ni passerelles.

Et il ne s’agit pas nécessairement de capteurs. Il peut y avoir des caméras vidéo, des interphones ou des ampoules intelligentes. Entraînements de certaines vannes ou tourniquets aux entrées.

Des perspectives intéressantes s’ouvrent donc. Il est bien entendu peu probable que SPE remplace tous les bus de terrain. Mais il en prendra une bonne partie. Certainement dans les voitures.

PS Je n'ai pas trouvé le texte de la norme dans le domaine public. Les informations ci-dessus ont été recueillies pièce par pièce à partir de diverses présentations et documents disponibles sur Internet. Il peut donc y avoir des inexactitudes.

Source: habr.com