Ethernet քառորդ. հին արագություն, նոր հնարավորություններ

Այս տարվա փետրվարի 5-ին հաստատվել է 10 Մբիթանոց Ethernet-ի նոր ստանդարտ։ Այո, ճիշտ եք կարդացել՝ տասը մեգաբիթ վայրկյանում:

Ինչու՞ է այդքան «փոքր» արագություն անհրաժեշտ 21-րդ դարում: Կենդանաբանական այգին փոխարինելու համար, որը թաքնված է «դաշտային ավտոբուս» տարողունակ անվան տակ՝ Profibus, Modbus, CC-Link, CAN, FlexRay, HART և այլն: Դրանք չափազանց շատ են, դրանք անհամատեղելի են միմյանց հետ և համեմատաբար դժվար է կարգավորել: Բայց դուք պարզապես ցանկանում եք միացնել մալուխը անջատիչին, և վերջ: Նույնը, ինչ սովորական Ethernet-ի դեպքում:

Եվ շուտով դա հնարավոր կլինի: Հանդիպեք՝ «802.3cg-2019 - IEEE ստանդարտ Ethernet-ի համար - Փոփոխություն 5. Ֆիզիկական շերտի բնութագրերը և կառավարման պարամետրերը 10 Մբ/վ շահագործման և հարակից էներգիայի մատակարարման համար մեկ հավասարակշռված զույգ հաղորդիչների վրա»:

Ի՞նչն է այդքան հետաքրքիր այս նոր Ethernet-ում: Առաջին հերթին, այն աշխատում է մեկ ոլորված զույգի վրա, և ոչ թե չորսից ավելի: Հետեւաբար, այն ունի ավելի քիչ միակցիչներ և ավելի բարակ մալուխներ: Եվ դուք կարող եք օգտագործել արդեն դրված ոլորված զույգ մալուխը, որը գնում է դեպի սենսորներ և շարժիչներ:

Դուք կարող եք պնդել, որ Ethernet-ը աշխատում է մինչև 100 մետր, բայց սենսորները գտնվում են շատ ավելի հեռու: Իրոք, սա նախկինում խնդիր էր: Բայց 802.3cg-ն աշխատում է մինչև 1 կմ հեռավորության վրա: Մի զույգ մեկ անգամ! Վատ չի?

Իրականում, նույնիսկ ավելի լավ. էլեկտրաէներգիան կարող է մատակարարվել նաև նույն զույգի միջոցով: Ահա թե որտեղից կսկսենք:

IEEE 802.3bu Տվյալների գծերի վրա հզորություն (PoDL)

Կարծում եմ՝ ձեզնից շատերը լսել են PoE-ի (Power over Ethernet) մասին և գիտեն, որ էլեկտրաէներգիան փոխանցելու համար անհրաժեշտ է 2 զույգ լար: Էլեկտրաէներգիայի մուտքը/ելքը կատարվում է յուրաքանչյուր զույգի տրանսֆորմատորների միջին կետերում: Սա հնարավոր չէ անել մեկ զույգ օգտագործելով: Հետեւաբար, մենք ստիպված էինք դա անել այլ կերպ: Ինչպես ճիշտ ցույց է տրված ստորև նկարում: Օրինակ, դասական PoE-ն նույնպես ավելացվել է։

Այստեղ:
PSE – էլեկտրաէներգիայի մատակարարման սարքավորում (էլեկտրամատակարարում)
PD – սնուցվող սարք (հեռավոր սարք, որը սպառում է էլեկտրաէներգիա)

Սկզբում 802.3bu-ն ուներ 10 ուժային դաս.

Աղբյուրի լարման երեք պայմանական աստիճանավորումն ընդգծված է գույնով՝ 12, 24 և 48 Վ:

Նշում.
Vpse — սնուցման լարումը, Վ
Vpd min - նվազագույն լարումը PD-ի վրա, V
I max — գծի առավելագույն հոսանք, Ա
Ppd max — առավելագույն էներգիայի սպառումը PD, W

802.3cg արձանագրության գալուստով ավելացվեցին ևս 6 դասեր.

Իհարկե, նման բազմազանության դեպքում PSE-ն և PD-ն պետք է համաձայնության գան հզորության դասի վերաբերյալ, նախքան ամբողջական լարումը կիրառելը: Սա արվում է օգտագործելով SCCP (Serial Communications Classification Protocol): Սա ցածր արագությամբ արձանագրություն է (333 bps), որը հիմնված է 1-Wire-ի վրա: Այն աշխատում է միայն այն դեպքում, երբ հիմնական էներգիան չի մատակարարվում գծին (ներառյալ քնի ռեժիմում):

Բլոկային դիագրամը ցույց է տալիս, թե ինչպես է էներգիան մատակարարվում.

• մատակարարվում է 10 մԱ հոսանք և ստուգվում է 4 Վ զեներ դիոդի առկայությունը այդ ծայրում
• հզորության դասը համաձայնեցված է
• հիմնական հոսանքը ապահովված է
• եթե սպառումը իջնում ​​է 10 մԱ-ից ցածր, քնի ռեժիմն ակտիվանում է (սպասման հոսանքի մատակարարում 3.3 Վ)
• եթե սպառումը գերազանցում է 1 մԱ-ը, քնի ռեժիմը դուրս է գալիս

Կարիք չկա պայմանավորվել սննդի դասի վերաբերյալ, եթե այն նախապես հայտնի է։ Այս տարբերակը կոչվում է Fast Startup Mode: Այն օգտագործվում է, օրինակ, մեքենաներում, քանի որ միացված սարքավորումների կոնֆիգուրացիան փոխելու կարիք չկա:

Ե՛վ PSE, և՛ PD-ն կարող են սկսել քնի ռեժիմը:

Այժմ անցնենք տվյալների փոխանցման նկարագրությանը։ Այնտեղ նույնպես հետաքրքիր է. ստանդարտը սահմանում է երկու աշխատանքային ռեժիմ՝ հեռահար և կարճ հեռավորությունների համար:

10BASE-T1L

Սա երկար հասանելի տարբերակ է: Հիմնական բնութագրերը հետևյալն են.

• հեռահարությունը - մինչև 1 կմ
• դիրիժորներ 18AWG (0.8 մմ 2)
• մինչև 10 միջանկյալ միակցիչ (և երկու տերմինալային միակցիչ)
• կետ առ կետ գործառնական ռեժիմ
• լրիվ դուպլեքս
• խորհրդանիշ տոկոսադրույքը 7.5 Մբաուդ
• PAM-3 մոդուլյացիա, 4B3T կոդավորում
• ազդանշան 1V (1Vpp) կամ 2.4V ամպլիտուդով
• Էներգաարդյունավետ Ethernet («հանգիստ/թարմացնել» EEE) աջակցություն

Ակնհայտ է, որ այս տարբերակը նախատեսված է արդյունաբերական ծրագրերի, մուտքի կառավարման համակարգերի, շենքերի ավտոմատացման, վերելակների համար: Տանիքներում տեղադրված չիլերների, օդորակիչների և օդափոխիչների կառավարման համար: Կամ տեխնիկական սենյակներում տեղակայված ջեռուցման կաթսաներ և պոմպեր: Այսինքն, բացի արդյունաբերությունից, կան բազմաթիվ տարբեր հավելվածներ։ Էլ չեմ խոսում իրերի ինտերնետի մասին (IoT):

Հարկ է նշել, որ 10BASE-T1-ը միայն Single Pair Ethernet (SPE) ստանդարտներից մեկն է: Կան նաև 100BASE-T1 (802.3bw) և 1000BASE-T1 (802.3bp): Ճիշտ է, դրանք մշակվել են ավտոմոբիլային ծրագրերի համար, ուստի այնտեղ միջակայքը ընդամենը 15 (UTP) կամ 40 մետր է (STP): Այնուամենայնիվ, ծրագրերն արդեն ներառում են հեռահար 100BASE-T1L: Այսպիսով, ապագայում կավելացնեն արագության ավտոմատ բանակցությունները։

Միևնույն ժամանակ, համակարգումը չի օգտագործվում. հայտարարված է ինտերֆեյսի «արագ մեկնարկ»՝ 100 մս-ից պակաս էլեկտրամատակարարումից մինչև տվյալների փոխանակման սկիզբը:

Մեկ այլ տարբերակ (ըստ ցանկության) փոխանցման ամպլիտուդիան 1-ից 2.4 Վ-ի ավելացումն է՝ ազդանշան-աղմուկ հարաբերակցությունը բարելավելու, սխալների քանակը նվազեցնելու և արդյունաբերական միջամտությանը հակազդելու համար:

Եվ, իհարկե, EEE: Սա էլեկտրաէներգիա խնայելու միջոց է՝ անջատելով հաղորդիչը, եթե տվյալ պահին փոխանցելու տվյալներ չկան։ Դիագրամը ցույց է տալիս, թե ինչ տեսք ունի սա.


Տվյալներ չկան. մենք ուղարկում ենք «Ես գնացի քնելու» հաղորդագրությունը և անջատվում: Երբեմն մենք արթնանում ենք և հաղորդագրություն ենք ուղարկում «Ես դեռ այստեղ եմ»: Երբ տվյալները հայտնվում են, հակառակ կողմը ահազանգում է «Ես արթնանում եմ» և փոխանցումը սկսվում է: Այսինքն՝ անընդհատ աշխատում են միայն ընդունիչները։

Հիմա տեսնենք, թե ինչ են նրանք եկել ստանդարտի երկրորդ տարբերակով։

10BASE-T1S

Արդեն վերջին նամակից պարզ է դառնում, որ սա կարճ տարածությունների արձանագրություն է։ Բայց ինչու է դա անհրաժեշտ, եթե T1L-ն աշխատում է կարճ հեռավորությունների վրա: Կարդալով բնութագրերը.

• տիրույթը կետից կետ ռեժիմում մինչև 15 մ
• դուպլեքս կամ կես դուպլեքս
• проводники 24-26AWG (0.2-0.13мм2)
• խորհրդանիշ տոկոսադրույքը 12.5 Մբաուդ
• DME, կոդավորում 4B5B
• ազդանշան 1V ամպլիտուդով (1Vpp)
• մինչև 4 միջանկյալ միակցիչ (և երկու տերմինալային միակցիչ)
• ոչ EEE աջակցություն

Կարծես առանձնահատուկ բան չկա: Այսպիսով, ինչի համար է դա: Բայց դրա համար.

• միջակայքը մինչև 25 մ բազմակետ ռեժիմում (մինչև 8 հանգույց)

Եւ այս:

• աշխատանքային ռեժիմ՝ բախումից խուսափելու հետ PLCA RS (PHY-Level Collision Avoidance Reconciliation Sublayer)

Եվ սա շատ ավելի հետաքրքիր է, այնպես չէ՞: Որովհետեւ օգնում է զգալիորեն նվազեցնել լարերի քանակը կառավարման կաբինետներում, մեքենաներում, ռոբոտներում և մեքենաներում: Եվ արդեն առաջարկներ կան այն օգտագործել որպես I2C-ի փոխարինում սերվերների, սվիչների և այլ էլեկտրոնիկայի մեջ։

Բայց բազմակետ ռեժիմն ունի իր թերությունները. Հիմնականը տվյալների փոխանցման ընդհանուր միջոցն է: Իհարկե, բախումները լուծվում են CSMA/CD-ի միջոցով: Բայց թե ինչ ուշացում կլինի, հայտնի չէ։ Եվ որոշ ծրագրերի համար դա կարևոր է: Հետևաբար, նոր ստանդարտում բազմակետը համալրվեց հատուկ PLCA RS ռեժիմով (տես հաջորդ բաժինը):

Երկրորդ թերությունն այն է, որ PoDL-ը չի աշխատում բազմակետում։ Այսինքն, էլեկտրաէներգիան պետք է մատակարարվի առանձին մալուխի միջոցով կամ տեղափոխվի տեղում ինչ-որ տեղ:

Այնուամենայնիվ, կետից կետ ռեժիմում PoDL-ն աշխատում է նաև T1S-ի վրա:

PLCA RS

Այս ռեժիմն աշխատում է հետևյալ կերպ.

• հանգույցները նույնացուցիչներ են բաժանում միմյանց միջև, ID=0 ունեցող հանգույցը դառնում է համակարգող
• համակարգողը ցանցին տալիս է BEACON ազդանշան, որը ցույց է տալիս փոխանցման նոր ցիկլի սկիզբը և փոխանցում է իր տվյալների փաթեթը
• Տվյալների փաթեթը փոխանցելուց հետո փոխանցման հերթը տեղափոխվում է հաջորդ հանգույց
• եթե հանգույցը չի սկսել հաղորդումը 20 բիթ փոխանցելու համար պահանջվող ժամանակի ընթացքում, հերթը տեղափոխվում է հաջորդ հանգույց
• երբ բոլոր հանգույցները փոխանցել են տվյալներ (կամ շրջանցել են իրենց հերթը), համակարգողը սկսում է նոր ցիկլ

Ընդհանուր առմամբ այն նման է TDMA-ին: Բայց այն յուրահատկությամբ, որ հանգույցը չի օգտագործում իր ժամանակային շրջանակը, եթե փոխանցելու բան չունի։ Իսկ շրջանակի չափը խիստ սահմանված չէ, քանի որ... կախված է հանգույցի կողմից փոխանցված տվյալների փաթեթի չափից: Եվ ամեն ինչ աշխատում է ստանդարտ 802.3 Ethernet շրջանակների վրա (PLCA RS-ն ընտրովի է, ուստի պետք է լինի համատեղելիություն):

PLCA-ի օգտագործման արդյունքը ներկայացված է ստորև՝ գրաֆիկներում: Առաջինը ուշացումն է՝ կախված բեռից, երկրորդը՝ թողունակությունը՝ կախված փոխանցող հանգույցների քանակից։ Հստակ նկատելի է, որ ուշացումը շատ ավելի կանխատեսելի է դարձել։ Իսկ վատագույն դեպքում դա 2 կարգով պակաս է, քան վատագույն դեպքում CSMA/CD.

Իսկ կապուղու թողունակությունը PLCA-ի դեպքում ավելի բարձր է, քանի որ չի ծախսվում բախումների լուծման վրա.

Միակցիչներ

Սկզբում մենք ընտրեցինք տարբեր ընկերությունների կողմից առաջարկվող միակցիչների 6 տարբերակներից: Արդյունքում, մենք որոշեցինք այս երկու տարբերակները.

Նորմալ աշխատանքային պայմանների համար ընտրվել է CommScope-ի IEC 63171-1 LC միակցիչը:

Դաժան միջավայրերի համար – IEC 63171-6 (նախկինում՝ 61076-3-125) միակցիչների ընտանիքը HARTING-ից: Այս միակցիչները նախատեսված են IP20-ից մինչև IP67 պաշտպանության աստիճանների համար:

Իհարկե, միակցիչները և մալուխները կարող են լինել կամ UTP կամ STP:

Այլ

Դուք կարող եք օգտագործել սովորական չորս զույգ Ethernet մալուխ, օգտագործելով յուրաքանչյուր զույգ առանձին SPE ալիքի համար: Որպեսզի չքաշեք չորս առանձին մալուխներ ինչ-որ տեղ հեռավորության վրա: Կամ օգտագործեք մեկ զույգ մալուխ և տեղադրեք մեկ զույգ Ethernet անջատիչ հեռավոր ծայրում:

Կամ դուք կարող եք միացնել այս անջատիչը ուղղակիորեն ձեռնարկության տեղական ցանցին, եթե ցանցն արդեն ընդլայնվել է երկար հեռավորությունների վրա օպտիկամանրաթելային համակարգի միջոցով: Կցեք սենսորները այնտեղ և կարդացեք դրանցից ստացված ընթերցումները այստեղ: Անմիջապես ցանցում: Առանց ինտերֆեյսի փոխարկիչների և դարպասների:

Եվ դրանք պարտադիր չէ, որ սենսորներ լինեն: Կարող են լինել տեսախցիկներ, ինտերկոմներ կամ խելացի լամպեր: Մուտքերի մոտ որոշ փականների կամ շրջադարձային շարժիչներ:

Այսպիսով, հեռանկարները հետաքրքիր են բացվում: Դժվար թե, իհարկե, SPE-ն փոխարինի բոլոր դաշտային ավտոբուսներին։ Բայց նա կհանի դրանցից մի արդար կտոր։ Իհարկե, մեքենաներում:

Հ.Գ Չգտա ստանդարտի տեքստը հանրային տիրույթում: Վերոնշյալ տեղեկատվությունը մաս առ մաս հավաքվել է համացանցում առկա տարբեր շնորհանդեսներից և նյութերից: Այսպիսով, դրա մեջ կարող են լինել անճշտություններ:

Source: www.habr.com