Il 5 febbraio di quest'anno è stato approvato un nuovo standard per Ethernet a 10 Mbit. Sì, hai letto bene: dieci megabit al secondo.
Perché nel 21° secolo è necessaria una velocità così “piccola”? Per sostituire lo zoo che si nasconde sotto il nome capiente "bus di campo": Profibus, Modbus, CC-Link, CAN, FlexRay, HART, ecc. Ce ne sono troppi, sono incompatibili tra loro e sono relativamente difficili da configurare. Ma vuoi solo collegare il cavo all'interruttore, e basta. Come con la normale Ethernet.
E presto sarà possibile! Incontro: "802.3cg-2019 - Standard IEEE per Ethernet - Emendamento 5: Specifiche del livello fisico e parametri di gestione per il funzionamento a 10 Mb/s e l'erogazione di potenza associata su una singola coppia bilanciata di conduttori."
Cosa c'è di così entusiasmante in questa nuova Ethernet? Prima di tutto, funziona su un doppino intrecciato e non su quattro. Pertanto, ha meno connettori e cavi più sottili. Ed è possibile utilizzare il cavo a doppino intrecciato già posato che va ai sensori e agli attuatori.
Si potrebbe sostenere che Ethernet funziona fino a 100 metri, ma i sensori si trovano molto più lontano. In effetti, questo era un problema. Ma 802.3cg funziona fino a 1 km di distanza! Una coppia alla volta! Non male?
Anzi, ancora meglio: l'alimentazione può essere fornita anche attraverso la stessa coppia. È da lì che inizieremo.
Alimentazione su linee dati (PoDL) IEEE 802.3bu
Penso che molti di voi abbiano sentito parlare di PoE (Power over Ethernet) e sappiano che sono necessarie 2 coppie di cavi per trasmettere energia. L'ingresso/uscita dell'alimentazione avviene nei punti centrali dei trasformatori di ciascuna coppia. Questo non può essere fatto utilizzando una coppia. Pertanto, abbiamo dovuto farlo diversamente. Come è mostrato esattamente nella figura seguente. Ad esempio è stato aggiunto anche il PoE classico.
Qui:
PSE – apparecchiature di alimentazione (alimentazione)
PD – dispositivo alimentato (dispositivo remoto che consuma elettricità)
Inizialmente, 802.3bu aveva 10 classi di potenza:
Tre gradazioni convenzionali di tensione della sorgente sono evidenziate a colori: 12, 24 e 48 V.
Legenda:
Vpse: tensione di alimentazione, V
Vpd min - tensione minima su PD, V
I max — corrente massima nella linea, A
Ppd max: consumo energetico massimo PD, W
Con l'avvento del protocollo 802.3cg sono state aggiunte altre 6 classi:
Naturalmente, con tale diversità, PSE e PD devono concordare la classe di potenza prima di applicare la piena tensione. Questo viene fatto utilizzando SCCP (Serial Communications Classification Protocol). Si tratta di un protocollo a bassa velocità (333 bps) basato su 1-Wire. Funziona solo quando l'alimentazione principale non è fornita alla linea (anche in modalità sleep).
Lo schema a blocchi mostra come viene fornita l'alimentazione:
- si fornisce una corrente di 10mA e si controlla la presenza di un diodo zener da 4V a questo capo
- viene concordata la classe di potenza
- viene fornita l'alimentazione principale
- se il consumo scende sotto i 10mA si attiva la modalità sleep (alimentazione in standby 3.3V)
- se il consumo supera 1 mA, si esce dalla modalità sleep
Non è necessario concordare la classe alimentare se questa è nota in anticipo. Questa opzione è chiamata Modalità di avvio rapido. Viene utilizzato, ad esempio, nelle automobili, perché non è necessario modificare la configurazione delle apparecchiature collegate.
Sia PSE che PD possono avviare la modalità di sospensione.
Passiamo ora alla descrizione del trasferimento dei dati. Anche qui è interessante: la norma definisce due modalità operative: a lungo raggio e per brevi distanze.
10base-t1l
Questa è un'opzione a lunga portata. Le caratteristiche principali sono le seguenti:
- portata – fino a 1 km
- conduttori 18 AWG (0.8 mm2)
- fino a 10 connettori intermedi (e due connettori terminali)
- modalità operativa punto-punto
- full duplex
- velocità di simbolo 7.5 Mbaud
- Modulazione PAM-3, codifica 4B3T
- segnale con ampiezza 1V (1Vpp) o 2.4V
- Supporto Energy Efficient Ethernet (EEE “quiet/refresh”)
Ovviamente questa opzione è destinata ad applicazioni industriali, sistemi di controllo accessi, building automation, ascensori. Per il controllo di refrigeratori, condizionatori d'aria e ventilatori posizionati sui tetti. Oppure caldaie e pompe per il riscaldamento situate nei locali tecnici. Cioè, ci sono molte applicazioni diverse oltre all'industria. Per non parlare dell’Internet delle cose (IoT).
Vale la pena ricordare che 10BASE-T1 è solo uno degli standard Single Pair Ethernet (SPE). Esistono anche 100BASE-T1 (802.3bw) e 1000BASE-T1 (802.3bp). È vero, sono stati sviluppati per applicazioni automobilistiche, quindi la portata è solo di 15 (UTP) o 40 metri (STP). Tuttavia, i piani includono già un 100BASE-T1L a lungo raggio. Quindi in futuro aggiungeranno la negoziazione automatica della velocità.
Nel frattempo non viene utilizzato il coordinamento: viene dichiarato un “avvio rapido” dell'interfaccia: meno di 100 ms dall'alimentazione all'inizio dello scambio di dati.
Un'altra opzione (opzionale) è aumentare l'ampiezza di trasmissione da 1 a 2.4 V per migliorare il rapporto segnale-rumore, ridurre il numero di errori e contrastare le interferenze industriali.
E, naturalmente, AEE. Questo è un modo per risparmiare energia elettrica spegnendo il trasmettitore se al momento non ci sono dati da trasmettere. Il diagramma mostra come appare:
Nessun dato: inviamo il messaggio "Sono andato a letto" e ci disconnettiamo. Di tanto in tanto ci svegliamo e inviamo il messaggio “Sono ancora qui”. Quando compaiono i dati, la parte opposta viene avvisata “mi sto svegliando” e inizia la trasmissione. Cioè, solo i ricevitori funzionano costantemente.
Ora vediamo cosa hanno inventato con la seconda versione dello standard.
10BASE-T1S
Già dall’ultima lettera è chiaro che si tratta di un protocollo per le brevi distanze. Ma perché è necessario se T1L funziona a brevi distanze? Leggendo le caratteristiche:
- portata fino a 15 m in modalità punto-punto
- duplex o semiduplex
- проводники 24-26AWG (0.2-0.13мм2)
- velocità di simbolo 12.5 Mbaud
- DME, codifica 4B5B
- segnale con ampiezza 1V (1Vpp)
- fino a 4 connettori intermedi (e due connettori terminali)
- nessun supporto EEE
Sembra niente di speciale. Allora a cosa serve? Ma per questo:
- portata fino a 25 m in modalità multipunto (fino a 8 nodi)
E questo:
- modalità operativa con prevenzione delle collisioni PLCA RS (PHY-Level Collision Evitare Reconciliation Sublayer)
E questo è molto più interessante, no? Perché aiuta a ridurre notevolmente il numero di cavi negli armadi elettrici, nelle macchine, nei robot e nelle automobili. E ci sono già proposte per utilizzarlo in sostituzione di I2C in server, switch e altri dispositivi elettronici.
Ma la modalità multipunto ha i suoi svantaggi. Il principale è un mezzo di trasmissione dati condiviso. Naturalmente, le collisioni vengono risolte utilizzando CSMA/CD. Ma non si sa quale sarà il ritardo. E per alcune applicazioni questo è fondamentale. Pertanto, nel nuovo standard, il multipunto è stato integrato con una speciale modalità PLCA RS (vedere la sezione successiva).
Il secondo inconveniente è che PoDL non funziona in multipunto. Cioè, l'alimentazione dovrà essere fornita tramite un cavo separato o portata da qualche parte sul posto.
Tuttavia, in modalità punto-punto, PoDL funziona anche su T1S.
PLCA RS
Questa modalità funziona come segue:
- i nodi distribuiscono gli identificatori tra loro, il nodo con ID=0 diventa il coordinatore
- il coordinatore emette un segnale BEACON alla rete, indicando l'inizio di un nuovo ciclo di trasmissione e trasmette il suo pacchetto di dati
- dopo aver trasmesso un pacchetto di dati, la coda di trasmissione si sposta al nodo successivo
- se il nodo non ha iniziato a trasmettere entro il tempo necessario per trasmettere 20 bit, la coda si sposta al nodo successivo
- quando tutti i nodi hanno trasmesso i dati (o hanno saltato il proprio turno), il coordinatore inizia un nuovo ciclo
In generale assomiglia al TDMA. Ma con la particolarità che il nodo non utilizza il suo time frame se non ha nulla da trasmettere. E la dimensione del telaio non è strettamente definita, perché... dipende dalla dimensione del pacchetto dati trasmesso dal nodo. E tutto funziona su frame Ethernet standard 802.3 (PLCA RS è opzionale, quindi dovrebbe esserci compatibilità).
Il risultato dell'utilizzo di PLCA è mostrato di seguito nei grafici. Il primo è il ritardo che dipende dal carico, il secondo è il throughput che dipende dal numero di nodi trasmittenti. È chiaramente evidente che il ritardo è diventato molto più prevedibile. E nel peggiore dei casi è 2 ordini di grandezza inferiore rispetto al caso peggiore CSMA/CD:
E la capacità del canale nel caso del PLCA è maggiore, perché non viene speso per risolvere le collisioni:
connettori
Inizialmente abbiamo scelto tra 6 opzioni di connettori offerte da diverse aziende. Di conseguenza, abbiamo optato per queste due opzioni:
Per le normali condizioni operative è stato selezionato il connettore LC IEC 63171-1 di CommScope.
Per ambienti difficili: la famiglia di connettori IEC 63171-6 (ex 61076-3-125) di HARTING. Questi connettori sono progettati per gradi di protezione da IP20 a IP67.
Naturalmente connettori e cavi possono essere UTP o STP.
altro
È possibile utilizzare un normale cavo Ethernet a quattro coppie, utilizzando ciascuna coppia per un canale SPE separato. Per non tirare quattro cavi separati da qualche parte in lontananza. Oppure utilizzare un cavo a coppia singola e installare uno switch Ethernet a coppia singola all'estremità.
Oppure puoi collegare questo switch direttamente alla rete locale dell’azienda, se una rete è già stata estesa su lunghe distanze tramite fibra ottica. Inserisci lì i sensori e leggi le loro letture qui. Direttamente in rete. Senza convertitori di interfaccia e gateway.
E questi non devono necessariamente essere sensori. Potrebbero esserci videocamere, citofoni o lampadine intelligenti. Azionamenti di alcune valvole o tornelli agli ingressi.
Quindi le prospettive si aprono interessanti. Naturalmente è improbabile che lo SPE sostituisca tutti i bus di campo. Ma ne prenderà una bella fetta. Sicuramente nelle auto.
PS Non ho trovato il testo della norma di pubblico dominio. Le informazioni di cui sopra sono state raccolte pezzo per pezzo da varie presentazioni e materiali disponibili su Internet. Quindi potrebbero esserci delle imprecisioni.
Fonte: habr.com