イーサネット四半期: 古いスピード、新しいチャンス

今年の 5 月 10 日、XNUMX メガビット イーサネットの新しい規格が承認されました。 はい、そのとおりです。XNUMX メガビット/秒です。

21世紀にはなぜこのような「小さな」スピードが必要なのでしょうか？ Profibus、Modbus、CC-Link、CAN、FlexRay、HART など、「フィールドバス」という大げさな名前の下に隠されている動物園を置き換えるには。 それらの数が多すぎるため、相互に互換性がなく、設定が比較的困難です。 ただし、ケーブルをスイッチに接続するだけで十分です。 通常のイーサネットと同じです。

そしてすぐにそれが可能になります！ 「802.3cg-2019 - イーサネットに関する IEEE 規格 - 修正 5: 10 Mb/s 動作および単一平衡導体ペア上の関連する電力供給のための物理層の仕様と管理パラメータ」を満たします。

この新しいイーサネットの何がそんなに魅力的なのでしょうか? まず第一に、それは XNUMX 本のツイストペアで動作し、XNUMX 本のツイストペアでは動作しません。 したがって、コネクタの数が減り、ケーブルが細くなります。 また、センサーとアクチュエーターに接続されているすでに敷設されているツイストペアケーブルを使用できます。

イーサネットは最大 100 メートルまで機能しますが、センサーはさらに遠くに設置されていると主張する人もいるでしょう。 実際、これは以前は問題でした。 ただし、802.3cg は最大 1 km の距離でも動作します。 一度に一足ずつ！ 悪くない？

実際には、さらに良いことに、同じペアを通じて電力を供給することもできます。 そこから始めましょう。

IEEE 802.3bu Power over Data Lines (PoDL)

PoE (Power over Ethernet) について聞いたことがある方も多く、電力を伝送するには 2 対のワイヤが必要であることはご存知だと思います。 電源の入出力は各ペアのトランスの中点で行われます。 XNUMX ペアではこれを行うことはできません。 したがって、別の方法で行う必要がありました。 具体的には次の図に示されています。 たとえば、クラシック PoE も追加されました。

ここに：
PSE – 電源供給装置（電源）
PD – 受電デバイス (電気を消費する遠端デバイス)

当初、802.3bu には 10 の電力クラスがありました。

電源電圧の 12 つの従来の階調 (24、48、および XNUMXV) が色で強調表示されます。

凡例：
Vpse — 電源電圧、V
Vpd min - PD の最小電圧、V
I max — ライン内の最大電流、A
Ppd max — 最大消費電力 PD、W

802.3cg プロトコルの出現により、さらに 6 つのクラスが追加されました。

もちろん、このような多様性があるため、PSE と PD は全電圧を印加する前に電力クラスに同意する必要があります。 これは、SCCP (シリアル通信分類プロトコル) を使用して行われます。 これは、333-Wire に基づく低速プロトコル (1 bps) です。 回線に主電源が供給されていない場合（スリープモードを含む）のみ動作します。

ブロック図は、電力がどのように供給されるかを示しています。

• 10mAの電流が供給され、その端に4Vのツェナーダイオードが存在するかどうかがチェックされます。
• パワークラスは合意されています
• 主電源が供給されている
• 消費電力が10mAを下回るとスリープモードが作動します（スタンバイ電源3.3Vの供給）
• 消費量が1mAを超えるとスリープモードが終了します。

食品クラスが事前にわかっている場合は、食品クラスに同意する必要はありません。 このオプションは高速スタートアップ モードと呼ばれます。 車などに使われているのは、 接続機器の設定を変更する必要はありません。

PSE と PD はどちらもスリープ モードを開始できます。

それではデータ転送の説明に移りましょう。 ここでも興味深い点があります。規格では、長距離用と短距離用の XNUMX つの動作モードが定義されています。

10BASE-T1L

これはリーチが長いオプションです。 主な特徴は次のとおりです。

• 範囲 – 最大 1 km
• 導体 18AWG (0.8mm2)
• 最大 10 個の中間コネクタ (および XNUMX 個の端末コネクタ)
• ポイントツーポイント動作モード
• 全二重
• シンボルレート 7.5 Mbaud
• PAM-3変調、4B3Tエンコーディング
• 振幅 1V (1Vpp) または 2.4V の信号
• エネルギー効率の高いイーサネット (「静か/リフレッシュ」EEE) のサポート

明らかに、このオプションは産業用アプリケーション、アクセス制御システム、ビルオートメーション、エレベーターを対象としています。 屋根上のチラー、エアコン、ファンの制御に。 または技術室にある加熱ボイラーとポンプ。 つまり、産業以外にもさまざまな用途があります。 モノのインターネット (IoT) については言うまでもありません。

10BASE-T1 はシングル ペア イーサネット (SPE) 標準の 100 つにすぎないことに注意してください。 1BASE-T802.3 (1000bw) と 1BASE-T802.3 (15bp) もあります。 確かに、これらは自動車用途向けに開発されたものであるため、到達距離はわずか 40 メートル (UTP) または 100 メートル (STP) です。 ただし、計画にはすでに長距離 1BASE-TXNUMXL が含まれています。 したがって、将来的には速度の自動ネゴシエーションが追加される予定です。

その間、調整は使用されません。インターフェイスの「クイック スタート」が宣言されます。電源供給からデータ交換の開始までは 100 ミリ秒未満です。

もう 1 つのオプション (オプション) は、送信振幅を 2.4 V から XNUMX V に増加して、信号対雑音比を改善し、エラーの数を減らし、産業上の干渉に対抗することです。

そしてもちろんEEE。 これは、送信するデータがない場合に送信機の電源をオフにして電力を節約する方法です。 図はこれがどのようなものかを示しています。


データがありません - 「寝ました」というメッセージを送信して切断します。 時々私たちは目を覚まして、「私はまだここにいます」というメッセージを送ります。 データが表示されると、相手側に「起きています」と通知され、送信が始まります。 つまり、受信機のみが常に動作しています。

それでは、彼らが標準の XNUMX 番目のバージョンで何を思いついたのかを見てみましょう。

10BASE-T1S

最後の手紙から、これが短距離用のプロトコルであることは明らかです。 しかし、T1L が短距離で機能するのになぜ必要なのでしょうか? 特徴を読み取る:

• ポイントツーポイントモードで最大15mの範囲
• 二重または半二重
• проводники 24-26AWG (0.2-0.13мм2)
• シンボルレート 12.5 Mbaud
• DME、コーディング 4B5B
• 振幅1V（1Vpp）の信号
• 最大 4 つの中間コネクタ (および XNUMX つの端末コネクタ)
• EEE サポートなし

特別なことは何もないようです。 それで、それは何のためにあるのでしょうか？ しかし、これに関しては:

• マルチポイントモードで最大 25m の範囲 (最大 8 ノット)

この：

• 衝突回避を伴う動作モード PLCA RS (PHY レベルの衝突回避調整サブレイヤー)

そして、これはもっと興味深いことですよね？ なぜなら制御キャビネット、機械、ロボット、自動車のワイヤの数を大幅に減らすのに役立ちます。 そして、サーバー、スイッチ、その他の電子機器で I2C の代替としてこれを使用する提案がすでにあります。

ただし、マルチポイント モードには欠点もあります。 主なものは共有データ伝送媒体です。 もちろん、衝突は CSMA/CD を使用して解決されます。 しかし、どの程度の遅延が発生するかは不明です。 一部のアプリケーションにとって、これは重要です。 したがって、新しい規格では、マルチポイントに特別な PLCA RS モードが追加されました (次のセクションを参照)。

XNUMX 番目の欠点は、PoDL がマルチポイントでは機能しないことです。 つまり、電源は別のケーブルを介して供給するか、現場のどこかから取得する必要があります。

ただし、ポイントツーポイント モードでは、PoDL は T1S でも動作します。

PLCA RS

このモードは次のように動作します。

• ノード間で識別子を配布し、ID=0 のノードがコーディネーターになります。
• コーディネーターはネットワークに BEACON 信号を発行し、新しい送信サイクルの開始を示し、そのデータ パケットを送信します。
• データパケットを送信した後、送信キューは次のノードに移動します
• 20 ビットの送信に必要な時間内にノードが送信を開始しない場合、キューは次のノードに移動します。
• すべてのノードがデータを送信し終わると（または順番をスキップすると）、コーディネーターは新しいサイクルを開始します。

一般的には TDMA に似ています。 ただし、送信するものが何もない場合、ノードはタイムフレームを使用しないという特徴があります。 そして、フレームサイズは厳密に定義されていません。 ノードによって送信されるデータ パケットのサイズによって異なります。 そして、それらはすべて標準の 802.3 イーサネット フレーム上で実行されます (PLCA RS はオプションであるため、互換性が必要です)。

PLCA を使用した結果を以下のグラフに示します。 2 つ目は負荷に応じた遅延、XNUMX つ目は送信ノードの数に応じたスループットです。 遅延がはるかに予測可能になっていることが明らかにわかります。 そして、最悪のケースでは、CSMA/CD よりも XNUMX 桁小さくなります。

また、PLCA の場合のチャネル容量はより高くなります。 衝突の解決には費やされません。

コネクター

最初に、さまざまな会社が提供する 6 つのコネクタ オプションから選択しました。 その結果、次の XNUMX つの選択肢に落ち着きました。

通常の動作条件では、コムスコープの IEC 63171-1 LC コネクタが選択されました。

過酷な環境向け – HARTING の IEC 63171-6 (旧称 61076-3-125) コネクタ ファミリ。 これらのコネクタは、IP20 から IP67 までの保護等級に合わせて設計されています。

もちろん、コネクタとケーブルは UTP または STP のいずれでもかまいません。

他の

通常の XNUMX ペアのイーサネット ケーブルを使用し、各ペアを個別の SPE チャネルに使用できます。 XNUMX 本の別々のケーブルをどこか遠くまで引っ張らないようにするためです。 または、シングルペア ケーブルを使用し、遠端にシングルペア イーサネット スイッチを設置します。

または、ネットワークがすでに光ファイバー経由で長距離に拡張されている場合は、このスイッチを企業のローカル ネットワークに直接接続することもできます。 そこにセンサーを差し込み、そこからの測定値をここで読み取ります。 ネットワーク上で直接。 インターフェイスコンバータとゲートウェイなし。

そして、これらは必ずしもセンサーである必要はありません。 ビデオカメラ、インターホン、スマート電球などが設置されている場合があります。 入口のいくつかのバルブまたは回転式改札口の駆動装置。

したがって、興味深い展望が開けています。 もちろん、SPE がすべてのフィールド バスに取って代わる可能性は低いです。 しかし、彼はそれらからかなりの部分を取り出すでしょう。 確かに車の中では。

PS パブリックドメインにある規格のテキストは見つかりませんでした。 上記の情報は、インターネット上で入手可能なさまざまなプレゼンテーションや資料から少しずつ収集したものです。 したがって、不正確な部分があるかもしれません。

出所： habr.com