Il 5 febbraio di quest'anno è stato approvato un nuovo standard per Ethernet a 10 megabit. Sì, avete letto bene: dieci megabit al secondo.
A cosa serve una tale "piccola" velocità nel XXI secolo? Per sostituire il caos che si nasconde sotto il nome generico di "bus di campo" — Profibus, Modbus, CC-Link, CAN, FlexRay, HART, ecc. Ce ne sono troppi, non sono compatibili tra loro e sono relativamente complicati da configurare. Si desidera semplicemente collegare un cavo all'interruttore e basta. Come con un normale Ethernet.
E presto questo diventerà possibile! Ecco a voi: "802.3cg-2019 - Standard IEEE per Ethernet - Emendamento 5: Specifiche e Parametri di Gestione del Livello Fisico per Operazione a 10 Mb/s e Fornitura di Energia Associata tramite una Singola Coppia Bilanciata di Conduttori".
Cosa rende interessante questo nuovo Ethernet? Prima di tutto, funziona su una sola coppia intrecciata, non su quattro. Pertanto, ha connettori più piccoli e cavi più sottili. E si può utilizzare la coppia intrecciata già installata che va ai sensori e ai dispositivi di attuazione.
Potreste obiettare che Ethernet funziona fino a 100 metri, mentre i sensori sono spesso molto più lontani. È vero, in passato questo era un problema. Ma l'802.3cg funziona a distanze fino a 1 km! Su una sola coppia! Non male?
In realtà, è anche meglio: su questa stessa coppia può essere fornita anche energia. Da questo iniziamo.
IEEE 802.3bu Power over Data Lines (PoDL)
Penso che molti di voi abbiano sentito parlare di PoE (Power over Ethernet) e sappiano che per la trasmissione di energia servono 2 coppie di fili. L'ingresso/uscita dell'energia è realizzato nei punti medi dei trasformatori di ciascuna coppia. Utilizzando una sola coppia, non è possibile fare così. Pertanto, è stato necessario fare diversamente. Come precisamente, viene mostrato nell'immagine qui sotto. È stato aggiunto anche il classico PoE per confronto.
Qui:
PSE – power sourcing equipment (sorgente di alimentazione)
PD – powered device (dispositivo alimentato, che consuma elettricità)
Inizialmente, l'802.3bu aveva 10 classi di potenza:
Le tre gradazioni di tensione dell'alimentatore sono evidenziate in colore: 12, 24 e 48V.
Designazioni:
Vpse — tensione di alimentazione, V
Vpd min — tensione minima su PD, V
I max — corrente massima nella linea, A
Ppd max — potenza massima assorbita da PD, W
Con l'introduzione del protocollo 802.3cg sono state aggiunte altre 6 classi:
Certo, con questa varietà, PSE e PD devono concordare la classe di alimentazione prima di fornire la tensione completa. Questo avviene tramite SCCP (Serial Communications Classification Protocol). Si tratta di un protocollo a bassa velocità (333 bit/s), basato su 1-Wire. Funziona solo quando non è fornita alimentazione principale alla linea (incluso in modalità sleep).
Lo schema di flusso mostra come viene fornita l'alimentazione:
- viene fornita una corrente di 10mA e si verifica la presenza di un regolatore di tensione da 4V all'altra estremità
- viene effettuata la concordanza della classe di alimentazione
- viene fornita l'alimentazione principale
- se il consumo scende sotto 10mA, si attiva la modalità sleep (fornitura di alimentazione standby a 3.3V)
- se il consumo supera 1mA, avviene l'uscita dalla modalità sleep
La concordanza della classe di alimentazione non è necessaria se è già nota in anticipo. Questa opzione è chiamata Fast Startup Mode. Viene utilizzata, ad esempio, nei veicoli, poiché non è necessario cambiare la configurazione dell'equipaggiamento connesso.
L'inizio del passaggio alla modalità sleep può essere attivato sia da PSE che da PD.
Ora passiamo alla descrizione della trasmissione dei dati. Anche lì è interessante: gli standard definiscono due modalità operative - per lunghe distanze e per distanze brevi.
10BASE-T1L
Questa è l'opzione per lunghe distanze. Le caratteristiche principali sono le seguenti:
- portata – fino a 1 km
- conduttori 18AWG (0.8 mm²)
- fino a 10 connettori intermedi (e due terminali)
- modalità di funzionamento punto-punto
- full duplex
- velocità simbolica 7.5 Mbod
- modulazione PAM-3, codifica 4B3T
- segnale con ampiezza 1V (1Vpp) o 2.4V
- supporto per Energy Efficient Ethernet (“quiet/refresh” EEE)
È evidente che questa opzione è destinata a usi industriali, sistemi di controllo accessi, automazione degli edifici, ascensori. Per il controllo dei chiller, condizionatori, ventilatori situati sui tetti. O dei caldaie e pompe situate in camere tecniche. In altre parole, ci sono molte applicazioni oltre all'industria. Senza parlare dell'Internet delle cose (IoT).
Vale la pena menzionare che 10BASE-T1 è solo uno degli standard di Single Pair Ethernet (SPE). Ci sono anche 100BASE-T1 (802.3bw) e 1000BASE-T1 (802.3bp). Tuttavia, sono stati sviluppati per applicazioni automotive, quindi la portata è solo di 15 (UTP) o 40 metri (STP). Tuttavia, ci sono già piani per un 100BASE-T1L a lunga distanza. Quindi, in futuro, verrà aggiunta l'autonegoterapia della velocità.
Nel mentre, l'approvazione non è utilizzata – è dichiarato un «avvio rapido» dell'interfaccia: meno di 100 ms dall'alimentazione iniziale all'inizio dello scambio di dati.
Un'altra opzione (facoltativa) è l'aumento dell'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.
Naturalmente, c'è anche l'EEE. Questo è un modo per risparmiare energia disattivando il trasmettitore quando non ci sono dati da trasmettere. Il diagramma mostra come si presenta:
Nessun dato – inviamo un messaggio “sono andata a dormire” e ci disconnettiamo. Ci risvegliamo occasionalmente e inviamo un messaggio “sono ancora qui”. Quando compaiono dati, l'altra parte riceve un avviso “mi sto svegliando” e inizia la trasmissione. Dunque, solo i ricevitori funzionano costantemente.
Ora vediamo cosa hanno ideato per la seconda variante dello standard.
10BASE-T1S
Già dall'ultima lettera è chiaro che si tratta di un protocollo per brevi distanze (short reach). Ma a cosa serve, se per brevi distanze funziona anche T1L? Leggiamo le specifiche:
- portata fino a 15 m in modalità punto-punto
- duplex o half-duplex
- conduttori 24-26 AWG (0,2-0,13 mm2)
- velocità simbolica 12,5 Mbod
- DME, codifica 4B5B
- segnale con ampiezza di 1 V (1 Vpp)
- fino a 4 connettori intermedi (e due terminali)
- non supporta EEE
Sembra che non ci sia nulla di speciale. Allora a cosa serve?
- portata fino a 25 m in modalità multipoint (fino a 8 nodi)
E anche questo:
- modalità di funzionamento con evitamento delle collisioni PLCA RS (PHY-Level Collision Avoidance Reconciliation Sublayer)
E questo diventa molto più interessante, non credi? Poiché aiuta a ridurre significativamente il numero di cavi nelle armadi di controllo, macchine, robot, automobili. E ci sono già proposte per utilizzarlo come sostituto di I2C in server, switch e altra elettronica.
Ma la modalità multipoint ha delle lacune. La principale è il mezzo di trasmissione dati condiviso. Certo, le collisioni vengono risolte tramite CSMA/CD. Ma non si sa quale sarà il ritardo. E per alcune applicazioni questo è critico. Pertanto, nel nuovo standard è stata aggiunta una modalità speciale PLCA RS al multipoint (vedi sezione successiva).
Il secondo svantaggio è che in modalità multipoint PoDL non funziona. Quindi l'alimentazione dovrà essere fornita tramite un cavo separato o recuperata in loco.
Tuttavia, in modalità point-to-point, PoDL funziona anche su T1S.
PLCA RS
Questo modo di operare funziona nel seguente modo:
- i nodi si scambiano identificatori, il nodo con ID=0 diventa il coordinatore.
- il coordinatore emette un segnale BEACON in rete, che indica l'inizio di un nuovo ciclo di trasmissione e invia il proprio pacchetto di dati.
- dopo la trasmissione del pacchetto di dati, la coda per la trasmissione passa al nodo successivo.
- se entro il tempo necessario per trasmettere 20 bit il nodo non ha iniziato la trasmissione, la coda passa 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, questo ricorda il TDMA. Ma con la caratteristica che il nodo non utilizza il proprio intervallo temporale se non ha nulla da trasmettere. E la dimensione del frame non è rigidamente definita, poiché dipende dalla dimensione del pacchetto di dati trasmesso dal nodo. E tutto questo funziona sopra i normali frame Ethernet 802.3 (PLCA RS non è obbligatorio, quindi deve esserci compatibilità).
Il risultato dell'uso del PLCA è mostrato in basso nei grafici. Il primo – latenza in funzione del carico, il secondo – capacità di trasmissione in funzione del numero di nodi trasmittenti. È evidente che la latenza è diventata molto più prevedibile. E nel caso peggiore è due ordini di grandezza inferiore rispetto al caso peggiore di CSMA/CD:
E la capacità del canale nel caso del PLCA è superiore, poiché non viene sprecata per la risoluzione delle collisioni:
Connettori
Inizialmente abbiamo scelto tra 6 opzioni di connettori offerte da diverse aziende. Alla fine, ci siamo concentrati su queste due opzioni:
Per le condizioni normali di utilizzo è stato scelto il connettore LC IEC 63171-1 dell'azienda CommScope.
Per le condizioni di utilizzo severe – la serie di connettori IEC 63171-6 (ex 61076-3-125) dell'azienda HARTING. Questi connettori sono progettati con gradi di protezione da IP20 a IP67.
Naturalmente, i connettori e i cavi possono essere sia UTP che STP.
Altro
È possibile utilizzare un normale cavo Ethernet a quattro coppie, utilizzando ogni coppia per un singolo canale SPE. Per non dover tirare quattro cavi separati in lontananza. Oppure utilizzare un cavo a coppia singola, e all'estremità distante installare uno switch Ethernet a coppia singola.
È possibile collegare questo switch direttamente alla rete locale dell'azienda, se una rete in fibra ottica è già stata stesa a lungo. È possibile collegare sensori a questo switch e visualizzarne le letture qui. Direttamente sulla rete. Senza convertitori di interfaccia e gateway.
E non devono necessariamente essere sensori. Possono essere videocamere, citofoni o lampadine "intelligenti". Attuatori di valvole o tornelli negli ingressi.
Quindi si aprono prospettive interessanti. È improbabile, ovviamente, che SPE sostituisca tutte le bus di campo. Ma sicuramente ne porterà via una buona parte. Soprattutto nelle automobili.
PS Non ho trovato il testo dello standard in accesso pubblico. Le informazioni sopra sono state raccolte da diverse presentazioni e materiali disponibili su internet. Quindi potrebbero esserci delle imprecisioni.
Fonte: habr.com
