5. veljače ove godine usvojen je novi standard za 10-megabitski Ethernet. Da, dobro ste pročitali: deset megabita u sekundi.
Zašto je u 21. stoljeću potrebna takva "mala" brzina? Kako bi se zamijenila sva ta rješenja koja se kriju pod opsežnim nazivom "poljska sabirnica" — Profibus, Modbus, CC-Link, CAN, FlexRay, HART itd. Previše ih je, međusobno nisu kompatibilni i relativno su složeni za postavljanje. A želimo samo priključiti kabel u prekidač i to je to. Kao kod običnog Ethereeta.
I uskoro će to postati moguće! Upoznajte: "802.3cg-2019 — IEEE Standard for Ethernet — Amendment 5: Specifikacije fizičkog sloja i upravljački parametri za rad od 10 Mb/s i povezano napajanje preko jednog uravnoteženog para vodiča".
Što je zanimljivo u ovom novom Ethernetu? Prije svega — radi na jednom uparenju, a ne na četiri. Stoga ima manje priključaka i tanje kabele. I može se koristiti već postavljeno upareno ožičenje koje ide do senzora i aktuatora.
Možete prigovoriti da Ethernet radi do 100 metara, a senzori su smješteni puno dalje. To je uistinu bila problematika. No, 802.3cg radi na udaljenosti do 1 km! Na jednom paru! Nije loše?
U stvari, još bolje: istim parom može se napajati i električni izvor. S tim ćemo i početi.
IEEE 802.3bu Napajanje preko podataka (PoDL)
Mislim da su mnogi od vas čuli za PoE (Napajanje preko Ethereeta) i znaju da za prenos napajanja trebaju 2 para žica. Ulaz/izlaz napajanja je napravljen na srednjim točkama transformatora svake para. Koristeći jedan par to nije moguće. Zato je trebalo napraviti drugačije. Kako točeno je prikazano na donjoj slici. Za primjer je dodan i klasični PoE.
Ovdje:
PSE – oprema za napajanje (izvor napajanja)
PD – napajano uređaj (uređaj na kraju koji troši struju)
Izvorno, 802.3bu je imao 10 klasa napajanja:
Boje označavaju tri uvjetne gradacije napona izvora: 12, 24 i 48V.
Označenja:
Vpse — napon izvora napajanja, V
Vpd min — minimalni napon na PD, V
I max — maksimalna struja u liniji, A
Ppd max — maksimalna potrošačka snaga PD, W
S pojavom protokola 802.3cg dodano je još 6 klasa:
Naravno, s obzirom na tu raznolikost, PSE i PD moraju uskladiti klasu napajanja prije nego što se primijeni pun napon. To se postiže putem SCCP (Serial Communications Classification Protocol). To je nisk brzi protokol (333 bita/s), temeljen na 1-Wire. Funkcionira samo kada napajanje nije primijenjeno na liniju (uključujući stanje mirovanja).
Na blok shemi prikazano je kako se provodi napajanje:
- daje se struja od 10mA i provjerava prisutnost stabilizatora na 4V na drugom kraju
- provodi se usklađivanje klase napajanja
- primjenjuje se glavno napajanje
- ako potrošnja padne ispod 10mA – aktivira se stanje mirovanja (provođenje pripravnog napajanja od 3.3V)
- ako potrošnja premaši 1mA – dolazi do izlaska iz stanja mirovanja
Usklađivanje klase napajanja nije potrebno ako je ona unaprijed poznata. Ova opcija zove se Fast Startup Mode. Primjenjuje se, na primjer, u automobilima, jer nije potrebno mijenjati konfiguraciju priključenih uređaja.
Prelazak u stanje mirovanja može inicirati i PSE i PD.
Sada ćemo preći na opis prijenosa podataka. Tamo je također zanimljivo: u standardu su definirana dva načina rada – dugometražni i za kratke udaljenosti.
10BASE-T1L
Ovo je opcija za veliku udaljenost (long reach). Osnovne karakteristike su sljedeće:
- doseg – do 1 km
- žice 18AWG (0.8mm2)
- do 10 međuspremnika (i dva završna)
- način rada točka-točka
- puni duplex
- simbolna brzina 7.5Mb/s
- modulacija PAM-3, kodiranje 4B3T
- signal s amplitudom 1V (1Vpp) ili 2.4V
- podrška za Energy Efficient Ethernet (“quiet/refresh” EEE)
Očigledno je da je ova opcija namijenjena industrijskim primjenama, sustavima kontrole pristupa, automatizaciji zgrada, liftovima. Za upravljanje uređajima na krovovima, kao što su chillere, klima uređaji, ventilatori. Ili u tehničkim prostorijama s grijalicama i pumpama. Drugim riječima, bezbroj raznih primjena osim industrije. Ne spominjući internet stvari (IoT).
Vrijedi spomenuti da je 10BASE-T1 samo jedan od standarda Single Pair Ethernet (SPE). Tu su još i 100BASE-T1 (802.3bw) i 1000BASE-T1 (802.3bp). Istina, razvijeni su za automobilske primjene, stoga im doseg iznosi samo 15 (UTP) ili 40 metara (STP). Međutim, već postoje planovi za dugometražni 100BASE-T1L. Tako da će u budućnosti dodati automatsko usklađivanje brzine.
Dok je odobravanje još uvijek neaktivno – najavljen je ‘brzi start’ sučelja: manje od 100 ms od uključivanja napajanja do početka razmjene podataka.
Još jedna opcija (neobavezna) – povećanje amplitude prijenosa s 1 na 2.4V za poboljšanje omjera signal/šum, smanjenje broja pogrešaka i suzbijanje industrijskih smetnji.
Naravno, tu je i EEE. To je način štednje električne energije isključivanjem odašiljača kada trenutno nema podataka za prijenos. Na dijagramu je prikazano kako to izgleda:
Nema podataka – šaljemo poruku 'idem na spavanje' i isključujemo se. Povremeno se budimo i šaljemo poruku 'još sam ovdje'. Kada se pojave podaci, suprotnoj strani se šalje upozorenje 'bude se' i počinje prijenos. Drugim riječima, samo prijemnici rade stalno.
Sada pogledajmo što su smislili za drugu opciju standarda.
10BASE-T1S
Već iz zadnjeg slova jasno je da je to protokol za kratke udaljenosti (short reach). No zašto bi bio potreban ako T1L radi na kratkim udaljenostima? Čitamo specifikacije:
- domet do 15m u point-to-point modu
- dupleks ili poludupleks
- voditelji 24-26AWG (0.2-0.13 mm²)
- simbolna brzina 12.5 Mbaud
- DME, kodiranje 4B5B
- signal s amplitudom 1V (1Vpp)
- do 4 međusobno priključaka (i dva terminala)
- nema podrške za EEE
Izgleda da nije ništa posebno. Pa zašto je onda potreban? A za ovo:
- domet do 25m u multipoint modu (do 8 čvorova)
I ovo:
- mod rada s izbjegavanjem sudara PLCA RS (PHY-Level Collision Avoidance Reconciliation Sublayer)
I ovo je već puno zanimljivije, zar ne? Budući da pomaže značajno smanjiti broj žica u upravljačkim ormarima, strojevima, robotima i automobilima. Već postoje prijedlozi za korištenje umjesto I2C u poslužiteljima, sklopkama i drugoj elektronici.
Ali multipoint način ima nedostatke. Glavni od njih – zajednička sredina prijenosa podataka. Naravno, sudari se rješavaju pomoću CSMA/CD. No ne zna se kakva će ići latencija. A za neke primjene to je kritično. Zato je novi standard dopunjen multipoint načinom specijalnim načinom PLCA RS (vidi sljedeći odjeljak).
Drugi nedostatak – u multipoint modu ne radi PoDL. Dakle, napajanje će se morati isporučiti putem zasebnog kabela ili nabaviti negdje na licu mjesta.
Međutim, u point-to-point režimu PoDL također radi i na T1S.
PLCA RS
Ovaj režim djeluje na sljedeći način:
- čvorovi međusobno raspoređuju identifikatore, čvor s ID=0 postaje koordinator
- koordinator šalje BEACON signal u mrežu, što označava početak novog ciklusa prijenosa i prosljeđuje svoj paket podataka
- nakon prijenosa paketa podataka, red za prijenos prelazi na sljedeći čvor
- ako unutar vremena potrebnog za prijenos 20 bita čvor nije započeo prijenos, red prelazi na sljedeći čvor
- kada svi čvorovi prenesu podatke (ili propuste svoju priliku), koordinator započinje novi ciklus
U cjelini, ovo podsjeća na TDMA. No s tom posebnom značajkom da čvor ne koristi svoj vremenski okvir ako nema što prenositi. A veličina okvira nije strogo određena, jer ovisi o veličini paketa podataka koji čvor prenosi. I sve ovo funkcionira preko standardnih Ethernet 802.3 okvira (PLCA RS nije obavezan, stoga mora biti kompatibilnost).
Rezultat korištenja PLCA prikazan je dolje na grafikama. Prvi – latencija ovisno o opterećenju, drugi – propusnost u odnosu na broj prijenosnih čvorova. Dobro se vidi da je latencija postala mnogo predvidljivija. I u najgorem slučaju je 2 puta manja nego u najgorem slučaju CSMA/CD:
I propusnost kanala u slučaju PLCA je viša, jer se ne troši na rješavanje kolizija:
Spojnice
U početku smo birali između 6 mogućih spojnih opcija koje su ponudile različite tvrtke. Na kraju smo se odlučili za ova dva izbora:
Za obične uvjete rada odabran je LC priključak IEC 63171-1 tvrtke CommScope.
Za teške uvjete rada odabrana je serija priključaka IEC 63171-6 (bivši 61076-3-125) tvrtke HARTING. Ovi priključci su izrađeni za zaštitne stupnjeve od IP20 do IP67.
Naravno, priključci i kabele mogu biti bilo UTP ili STP.
Ostalo
Može se koristiti obični četveroparni Ethernet kabel, koristeći svaki par za zasebni kanal SPE. Kako ne bismo morali dovoditi četiri zasebna kabela na veliku udaljenost. Ili koristiti jednomparni kabel i na udaljenom kraju postaviti preklopnik jednomparnog Etherecta.
Može li se ovaj prekidač izravno spojiti na lokalnu mrežu poduzeća, ako je mreža već produžena optičkim vlaknima do udaljenih lokacija? Ubaciti senzore u njega i prikazivati očitavanja ovdje. Direktno preko mreže. Bez konvertera sučelja i gateway-a.
I to ne moraju nužno biti senzori. Mogu biti kamere, interfoni ili „pametne“ žarulje. Pogoni nekih ventila ili turniketi na ulazima.
Dakle, otvaraju se zanimljive perspektive. Teško da će SPE zamijeniti sve poljske sabirnice. No, sigurno će uzeti značajan dio. Već u automobilima sigurno.
PS Nisam pronašao tekst standarda u otvorenom pristupu. Gornje informacije prikupljene su iz raznih prezentacija i dostupnih materijala na internetu. Tako da mogu postojati netočnosti.
Izvor: habr.com
