🥇רבעון האתרנט: מהירות ישנה, אפשרויות חדשות

ב-5 בפברואר השנה אושר תקן חדש עבור 10Mbit Ethernet. כן, קראתם נכון: עשרה מגה-ביט לשנייה.

מדוע יש צורך במהירות "קטנה" כזו במאה ה-21? להחליף את גן החיות החבוי תחת השם הרחב "אוטובוס שדה" - Profibus, Modbus, CC-Link, CAN, FlexRay, HART וכו'. יש יותר מדי מהם, הם אינם תואמים זה לזה וקשה יחסית להגדיר אותם. אבל אתה רק רוצה לחבר את הכבל למתג, וזהו. אותו דבר כמו עם Ethernet רגיל.

ובקרוב זה יהיה אפשרי! הכירו: "802.3cg-2019 - תקן IEEE עבור Ethernet - תיקון 5: מפרטי השכבה הפיזית ופרמטרי ניהול עבור 10 Mb/s תפעול ואספקת חשמל נלווית על פני זוג מוליכים מאוזן בודד."

מה כל כך מרגש ב-Ethernet החדש הזה? קודם כל, זה עובד על זוג מעוות אחד, ולא על ארבעה. לכן, יש לו פחות מחברים וכבלים דקים יותר. ואתה יכול להשתמש בכבל זוג מעוות שהונח כבר אל החיישנים והמפעילים.

אפשר לטעון שהאתרנט עובד עד 100 מטר, אבל החיישנים ממוקמים הרבה יותר רחוק. אכן, פעם זו הייתה בעיה. אבל 802.3cg עובד במרחק של עד 1 ק"מ! זוג אחד בכל פעם! לא רע?

למעשה, אפילו טוב יותר: ניתן לספק כוח גם דרך אותו זוג. שם נתחיל.

IEEE 802.3bu Power Over Data Lines (PoDL)

אני חושב שרבים מכם שמעו על PoE (Power over Ethernet) ויודעים שצריך 2 זוגות של חוטים כדי להעביר כוח. קלט/פלט הספק מתבצע בנקודות האמצע של השנאים של כל זוג. לא ניתן לעשות זאת באמצעות זוג אחד. לכן, היינו צריכים לעשות את זה אחרת. איך בדיוק מוצג באיור למטה. לדוגמה, נוספה גם PoE קלאסית.

Здесь:
PSE - ציוד למקור חשמל (ספק כוח)
PD – מכשיר מופעל (מכשיר קצה שצורך חשמל)

בתחילה, ל-802.3bu היו 10 דרגות הספק:

שלוש הדרגות קונבנציונליות של מתח המקור מודגשות בצבע: 12, 24 ו-48V.

מקרא:
Vpse - מתח אספקת החשמל, V
Vpd min - מתח מינימלי ב-PD, V
I max - זרם מקסימלי בקו, A
Ppd max - צריכת חשמל מקסימלית PD, W

עם כניסתו של פרוטוקול 802.3cg, נוספו עוד 6 מחלקות:

כמובן, עם גיוון כזה, ה-PSE וה-PD חייבים להסכים על דרגת ההספק לפני הפעלת מתח מלא. זה נעשה באמצעות SCCP (Serial Communications Classification Protocol). זהו פרוטוקול במהירות נמוכה (333 bps) המבוסס על 1-Wire. זה עובד רק כאשר החשמל הראשי אינו מסופק לקו (כולל במצב שינה).

דיאגרמת הבלוק מראה את אופן אספקת החשמל:

זרם של 10mA מסופק ונבדקת נוכחות של דיודת זנר 4V בקצה זה
מעמד הכוח מוסכם
המתח הראשי מסופק
אם הצריכה יורדת מתחת ל-10mA, מצב שינה מופעל (אספקת מתח המתנה 3.3V)
אם הצריכה עולה על 1mA, מצב השינה יוצא

אין צורך להסכים על שיעור האוכל אם הוא ידוע מראש. אפשרות זו נקראת מצב הפעלה מהירה. הוא משמש, למשל, במכוניות, כי אין צורך לשנות את התצורה של הציוד המחובר.

גם PSE וגם PD יכולים להפעיל מצב שינה.

כעת נעבור לתיאור של העברת נתונים. גם שם מעניין: התקן מגדיר שני מצבי פעולה - לטווח ארוך ולמרחקים קצרים.

10BASE-T1L

זוהי אפשרות לטווח ארוך. המאפיינים העיקריים הם כדלקמן:

טווח - עד 1 ק"מ
מוליכים 18AWG (0.8mm2)
עד 10 מחברי ביניים (ושני מחברי טרמינלים)
מצב הפעלה מנקודה לנקודה
דופלקס מלא
קצב סמל 7.5 Mbaud
אפנון PAM-3, קידוד 4B3T
אות עם משרעת 1V (1Vpp) או 2.4V
תמיכה באנרנט חסכוני באנרגיה ("שקט/רענן" EEE).

ברור, אפשרות זו מיועדת ליישומים תעשייתיים, מערכות בקרת כניסה, אוטומציה של בניינים, מעליות. לשליטה בצ'ילרים, מזגנים ומאווררים הממוקמים על גגות. או דודי חימום ומשאבות הממוקמים בחדרים טכניים. כלומר, יש הרבה יישומים שונים מלבד התעשייה. שלא לדבר על האינטרנט של הדברים (IoT).

ראוי להזכיר ש-10BASE-T1 הוא רק אחד מתקני ה-Single Pair Ethernet (SPE). ישנם גם 100BASE-T1 (802.3bw) ו-1000BASE-T1 (802.3bp). נכון, הם פותחו עבור יישומי רכב, כך שהטווח שם הוא רק 15 (UTP) או 40 מטר (STP). עם זאת, התוכניות כבר כוללות 100BASE-T1L לטווח ארוך. אז בעתיד הם יוסיפו משא ומתן אוטומטי של מהירות.

בינתיים, לא נעשה שימוש בתיאום - מוצהרת "התחלה מהירה" של הממשק: פחות מ-100ms מאספקת החשמל לתחילת חילופי הנתונים.

אפשרות נוספת (אופציונלית) היא להגדיל את משרעת השידור מ-1 ל-2.4V כדי לשפר את יחס האות לרעש, להפחית את מספר השגיאות ולנטרל הפרעות תעשייתיות.

וכמובן, EEE. זוהי דרך לחסוך בחשמל על ידי כיבוי המשדר אם אין נתונים לשדר כרגע. התרשים מראה איך זה נראה:

אין נתונים - אנו שולחים את ההודעה "הלכתי לישון" ומתנתקים. מדי פעם אנחנו מתעוררים ושולחים את ההודעה "אני עדיין כאן". כאשר הנתונים מופיעים, הצד הנגדי מקבל התראה "אני מתעורר" והשידור מתחיל. כלומר, רק המקלטים עובדים כל הזמן.

עכשיו בואו נראה מה הם הגיעו עם הגרסה השנייה של התקן.

10BASE-T1S

כבר מהמכתב האחרון ברור שמדובר בפרוטוקול למרחקים קצרים. אבל למה זה נחוץ אם T1L עובד במרחקים קצרים? קריאת המאפיינים:

טווח של עד 15 מ' במצב נקודה לנקודה
דופלקס או חצי דופלקס
проводники 24-26AWG (0.2-0.13мм2)
קצב סמל 12.5 Mbaud
DME, קידוד 4B5B
אות עם משרעת 1V (1Vpp)
עד 4 מחברי ביניים (ושני מחברי טרמינלים)
אין תמיכה ב-EEE

זה נראה כאילו שום דבר מיוחד. אז בשביל מה זה? אבל בשביל זה:

טווח של עד 25 מ' במצב ריבוי נקודות (עד 8 קשר)

וזה:

מצב פעולה עם הימנעות מהתנגשות PLCA RS (שכבת תת-שכבת התאמת התנגשות ברמת PHY)

וזה הרבה יותר מעניין, לא? כי זה עוזר להפחית משמעותית את מספר החוטים בארונות בקרה, מכונות, רובוטים ומכוניות. וכבר יש הצעות להשתמש בו כתחליף I2C ב... שרתים, מתגים ואלקטרוניקה אחרת.

אבל למצב מרובה נקודות יש חסרונות. העיקרי שבהם הוא אמצעי העברת נתונים משותף. כמובן, התנגשויות נפתרות באמצעות CSMA/CD. אך לא ידוע מה יהיה העיכוב. ועבור יישומים מסוימים זה קריטי. לכן, בתקן החדש נוספה ל-multipoint מצב PLCA RS מיוחד (ראה בסעיף הבא).

החיסרון השני הוא ש-PoDL לא עובד בריבוי נקודות. כלומר, החשמל יצטרך להיות מסופק באמצעות כבל נפרד או לקחת איפשהו באתר.

עם זאת, במצב נקודה לנקודה, PoDL עובד גם על T1S.

PLCA RS

מצב זה פועל באופן הבא:

צמתים מפיצים מזהים בינם לבין עצמם, הצומת עם ID=0 הופך לרכז
הרכז מוציא אות BEACON לרשת, המציין את תחילתו של מחזור שידור חדש ומשדר את חבילת הנתונים שלו
לאחר שידור חבילת נתונים, תור השידור עובר לצומת הבא
אם הצומת לא התחיל לשדר תוך הזמן הנדרש לשידור 20 סיביות, התור עובר לצומת הבא
כאשר כל הצמתים שידרו נתונים (או דילגו על התור שלהם), הרכז מתחיל מחזור חדש

באופן כללי זה דומה ל-TDMA. אבל עם המוזרות שהצומת לא משתמש בטווח הזמן שלו אם אין לו מה לשדר. וגודל המסגרת אינו מוגדר בקפדנות, כי... תלוי בגודל חבילת הנתונים המשודרת על ידי הצומת. והכל פועל על גבי מסגרות Ethernet סטנדרטיות 802.3 (PLCA RS היא אופציונלית, אז צריכה להיות תאימות).

התוצאה של השימוש ב-PLCA מוצגת להלן בגרפים. הראשון הוא ההשהיה בהתאם לעומס, השני הוא התפוקה בהתאם למספר צמתי השידור. ניכר בבירור שהעיכוב הפך להרבה יותר צפוי. ובמקרה הגרוע זה 2 סדרי גודל פחות מאשר במקרה הגרוע CSMA/CD:

וקיבולת הערוץ במקרה של PLCA גבוהה יותר, כי לא מושקע בפתרון התנגשויות:

מחברים

בתחילה, בחרנו מתוך 6 אפשרויות מחברים המוצעות על ידי חברות שונות. כתוצאה מכך, הגענו לשתי האפשרויות הבאות:

עבור תנאי הפעלה רגילים, נבחר מחבר IEC 63171-1 LC של CommScope.

לסביבות קשות - משפחת המחברים של IEC 63171-6 (לשעבר 61076-3-125) מבית HARTING. מחברים אלה מיועדים לדרגות הגנה מ-IP20 עד IP67.

כמובן, מחברים וכבלים יכולים להיות UTP או STP.

אחר

אתה יכול להשתמש בכבל Ethernet רגיל בן ארבעה זוגות, תוך שימוש בכל זוג לערוץ SPE נפרד. כדי לא למשוך ארבעה כבלים נפרדים איפשהו למרחקים. לחלופין, השתמש בכבל של זוג בודד, והתקן מתג Ethernet של זוג בודד בקצה הרחוק.

או שאתה יכול לחבר את המתג הזה ישירות לרשת המקומית של הארגון, אם רשת כבר הורחבה למרחקים ארוכים באמצעות סיבים אופטיים. הדביקו אליו חיישנים וקראו את הקריאות מהם כאן. ישירות ברשת. ללא ממירי ממשק ושערים.

ואלה לא בהכרח חייבים להיות חיישנים. ייתכנו מצלמות וידאו, אינטרקום או נורות חכמות. הנעה של כמה שסתומים או קרוסלות בכניסות.

אז הסיכויים נפתחים מעניינים. לא סביר, כמובן, ש-SPE תחליף את כל אוטובוסי השדה. אבל הוא יוציא מהם נתח נאה. בטח במכוניות.

נ.ב לא מצאתי את הטקסט של התקן ברשות הרבים. המידע הנ"ל נאסף חלק אחר חלק ממצגות וחומרים שונים הזמינים באינטרנט. אז אולי יש בו אי דיוקים.

מקור: www.habr.com