이더넷 분기: 기존 속도, 새로운 기회

올해 5월 10일, XNUMXMbit 이더넷에 대한 새로운 표준이 승인되었습니다. 예, 읽은 대로입니다. 초당 XNUMX메가비트입니다.

21세기에 왜 그렇게 "작은" 속도가 필요한가? Profibus, Modbus, CC-Link, CAN, FlexRay, HART 등 "필드 버스"라는 거대한 이름 아래 숨겨진 동물원을 대체합니다. 너무 많아서 서로 호환되지 않으며 구성하기가 상대적으로 어렵습니다. 하지만 케이블을 스위치에 연결하기만 하면 됩니다. 일반 이더넷과 동일합니다.

그리고 곧 가능해질 것입니다! 회의: "802.3cg-2019 - 이더넷용 IEEE 표준 - 수정안 5: 단일 평형 컨덕터 쌍을 통한 10Mb/s 작동 및 관련 전력 공급을 위한 물리적 계층 사양 및 관리 매개변수."

이 새로운 이더넷의 어떤 점이 그렇게 흥미로운가요? 우선, XNUMX개 이상이 아닌 하나의 연선에서 작동합니다. 따라서 커넥터 수가 적고 케이블이 더 얇습니다. 그리고 센서와 액추에이터에 연결되는 이미 배치된 연선 케이블을 사용할 수 있습니다.

이더넷은 최대 100미터까지 작동한다고 주장할 수 있지만 센서는 훨씬 더 멀리 위치해 있습니다. 실제로 이것이 문제가 되기도 했습니다. 하지만 802.3cg는 최대 1km 거리에서도 작동합니다! 한 쌍씩! 나쁘지 않다?

실제로 더 좋은 점은 동일한 쌍을 통해서도 전원을 공급할 수 있다는 것입니다. 그것이 우리가 시작할 곳입니다.

IEEE 802.3bu 데이터 회선을 통한 전력 공급(PoDL)

많은 분들이 PoE(Power over Ethernet)에 대해 들어보셨을 것이고, 전력을 전송하려면 2쌍의 전선이 필요하다는 사실을 알고 계실 것입니다. 전원 입출력은 각 쌍의 변압기 중간 지점에서 이루어집니다. 이는 한 쌍을 사용하여 수행할 수 없습니다. 그러므로 우리는 다르게 해야 했습니다. 아래 그림에 정확히 어떻게 표시되어 있습니까? 예를 들어 클래식 PoE도 추가되었습니다.

Здесь :
PSE – 전원 공급 장치(전원 공급 장치)
PD - 전원 공급 장치(전기를 소비하는 원거리 장치)

처음에 802.3bu에는 10개의 전력 등급이 있었습니다.

소스 전압의 세 가지 기존 등급(12, 24, 48V)이 색상으로 강조 표시됩니다.

설명 :
Vpse — 전원 전압, V
Vpd min - PD의 최소 전압, V
I max - 라인의 최대 전류, A
Ppd max — 최대 전력 소비 PD, W

802.3cg 프로토콜의 출현으로 6개의 클래스가 더 추가되었습니다.

물론 이러한 다양성으로 인해 PSE와 PD는 전체 전압을 적용하기 전에 전력 등급에 동의해야 합니다. 이는 SCCP(직렬 통신 분류 프로토콜)를 사용하여 수행됩니다. 이는 333-Wire 기반의 저속 프로토콜(1bps)입니다. 회선에 주전원이 공급되지 않는 경우(슬립 모드 포함)에만 작동합니다.

블록 다이어그램은 전원 공급 방법을 보여줍니다.

• 10mA의 전류가 공급되고 그 끝에 4V 제너 다이오드가 있는지 확인됩니다.
• 전력 등급이 합의되었습니다.
• 주전원이 공급됨
• 소비전력이 10mA 이하로 떨어지면 슬립모드(대기전력 3.3V 공급)
• 소비가 1mA를 초과하면 절전 모드가 종료됩니다.

식품등급에 대해 사전에 공지된 경우에는 동의할 필요가 없습니다. 이 옵션을 빠른 시작 모드라고 합니다. 예를 들어 자동차에 사용됩니다. 연결된 장비의 구성을 변경할 필요가 없습니다.

PSE와 PD 모두 절전 모드를 시작할 수 있습니다.

이제 데이터 전송에 대한 설명으로 넘어 갑시다. 또한 흥미로운 점은 표준이 장거리 및 단거리의 두 가지 작동 모드를 정의한다는 것입니다.

10BASE-T1L

이것은 장거리 도달 옵션입니다. 주요 특징은 다음과 같습니다.

• 범위 – 최대 1km
• 도체 18AWG(0.8mm2)
• 최대 10개의 중간 커넥터(및 XNUMX개의 터미널 커넥터)
• 지점 간 작동 모드
• 전이중
• 기호 속도 7.5Mbaud
• PAM-3 변조, 4B3T 인코딩
• 진폭이 1V(1Vpp) 또는 2.4V인 신호
• 에너지 효율적인 이더넷("조용함/새로 고침" EEE) 지원

분명히 이 옵션은 산업용 애플리케이션, 출입 통제 시스템, 빌딩 자동화, 엘리베이터용으로 고안되었습니다. 지붕에 있는 냉각기, 에어컨, 팬을 제어하는 ​​데 사용됩니다. 또는 기술실에 위치한 난방 보일러 및 펌프. 즉, 산업 외에도 다양한 응용 분야가 있습니다. 사물인터넷(IoT)은 말할 것도 없고요.

10BASE-T1은 SPE(단일 쌍 이더넷) 표준 중 하나일 뿐이라는 점은 언급할 가치가 있습니다. 100BASE-T1(802.3bw)과 1000BASE-T1(802.3bp)도 있습니다. 사실, 자동차 애플리케이션용으로 개발되었으므로 범위는 15미터(UTP) 또는 40미터(STP)에 불과합니다. 그러나 계획에는 이미 장거리 100BASE-T1L이 포함되어 있습니다. 따라서 앞으로는 속도 자동 협상 기능을 추가할 예정입니다.

그 동안에는 조정이 사용되지 않습니다. 인터페이스의 "빠른 시작"이 선언됩니다. 즉, 전원 공급 장치에서 데이터 교환 시작까지 100ms 미만입니다.

또 다른 옵션(선택 사항)은 전송 진폭을 1V에서 2.4V로 증가시켜 신호 대 잡음비를 개선하고 오류 수를 줄이며 산업 간섭에 대응하는 것입니다.

그리고 물론, EEE. 현재 전송할 데이터가 없으면 송신기를 꺼서 전기를 절약하는 방법이다. 다이어그램은 다음과 같은 모습을 보여줍니다.


데이터 없음 - "나는 잠자리에 들었습니다"라는 메시지를 보내고 연결을 끊습니다. 때때로 우리는 잠에서 깨어나 “나 아직 여기 있어요”라는 메시지를 보냅니다. 데이터가 나오면 상대방에게 “깨어났어요”라는 알림이 울리고 전송이 시작된다. 즉, 수신자만 지속적으로 작동합니다.

이제 그들이 표준의 두 번째 버전에서 무엇을 생각해 냈는지 살펴보겠습니다.

10BASE-T1S

이미 마지막 편지에서 이것이 단거리용 프로토콜이라는 것이 분명해졌습니다. 그런데 T1L이 근거리에서 작동한다면 왜 필요한가요? 특성 읽기:

• 지점 간 모드에서 최대 15m 범위
• 이중 또는 반이중
• проводники 24-26AWG (0.2-0.13мм2)
• 기호 속도 12.5Mbaud
• DME, 코딩 4B5B
• 진폭이 1V(1Vpp)인 신호
• 최대 4개의 중간 커넥터(및 XNUMX개의 터미널 커넥터)
• EEE 지원 없음

특별한 것은 없는 것 같습니다. 그렇다면 그것은 무엇을 위한 것입니까? 그러나 이를 위해서는:

• 멀티포인트 모드에서 최대 25m 범위(최대 8노트)

이:

• 충돌 회피 PLCA RS(PHY-레벨 충돌 회피 조정 하위 계층)를 사용한 작동 모드

그리고 이게 훨씬 더 흥미롭지 않나요? 왜냐하면 제어 캐비닛, 기계, 로봇 및 자동차의 전선 수를 크게 줄이는 데 도움이 됩니다. 그리고 이미 서버, 스위치 및 기타 전자 장치에서 I2C를 대체하여 사용하려는 제안이 있습니다.

그러나 멀티포인트 모드에는 단점이 있습니다. 주요한 것은 공유 데이터 전송 매체입니다. 물론 충돌은 CSMA/CD를 사용하여 해결됩니다. 그러나 얼마나 지연될지는 알 수 없습니다. 일부 애플리케이션에서는 이것이 매우 중요합니다. 따라서 새로운 표준에서는 다중 지점이 특수 PLCA RS 모드로 보완되었습니다(다음 섹션 참조).

두 번째 단점은 PoDL이 다중 지점에서 작동하지 않는다는 것입니다. 즉, 별도의 케이블을 통해 전원을 공급하거나 현장 어딘가에서 전원을 공급받아야 합니다.

그러나 지점 간 모드에서는 PoDL이 T1S에서도 작동합니다.

PLCARS

이 모드는 다음과 같이 작동합니다:

• 노드는 식별자를 서로 분배하며, ID=0인 노드가 코디네이터가 됩니다.
• 코디네이터는 새로운 전송 주기의 시작을 알리는 BEACON 신호를 네트워크에 보내고 해당 데이터 패킷을 전송합니다.
• 데이터 패킷을 전송한 후 전송 큐는 다음 노드로 이동합니다.
• 20비트를 전송하는 데 필요한 시간 내에 노드가 전송을 시작하지 않으면 큐는 다음 노드로 이동합니다.
• 모든 노드가 데이터를 전송했거나 차례를 건너뛰었을 때 코디네이터는 새로운 주기를 시작합니다.

일반적으로 TDMA와 유사합니다. 그러나 노드는 전송할 것이 없으면 해당 시간 프레임을 사용하지 않는다는 특징이 있습니다. 그리고 프레임 크기는 엄격하게 정의되지 않습니다. 왜냐하면... 노드가 전송하는 데이터 패킷의 크기에 따라 달라집니다. 그리고 모두 표준 802.3 이더넷 프레임 위에서 실행됩니다(PLCA RS는 옵션이므로 호환성이 있어야 합니다).

PLCA를 사용한 결과는 아래 그래프와 같습니다. 첫 번째는 부하에 따른 지연이고, 두 번째는 전송 노드 수에 따른 처리량이다. 지연이 훨씬 더 예측 가능해졌음을 분명히 알 수 있습니다. 그리고 최악의 경우에는 최악의 CSMA/CD보다 2배 정도 작습니다.

그리고 PLCA의 경우 채널 용량이 더 높습니다. 충돌을 해결하는 데 소비되지 않습니다.

커넥터

처음에 우리는 여러 회사에서 제공하는 6개의 커넥터 옵션 중에서 선택했습니다. 결과적으로 우리는 다음 두 가지 옵션을 결정했습니다.

정상적인 작동 조건에서는 CommScope의 IEC 63171-1 LC 커넥터가 선택되었습니다.

열악한 환경에 적합한 HARTING의 IEC 63171-6(이전 61076-3-125) 커넥터 제품군. 이 커넥터는 IP20에서 IP67까지의 보호 수준에 맞게 설계되었습니다.

물론 커넥터와 케이블은 UTP 또는 STP일 수 있습니다.

기타

별도의 SPE 채널에 각 쌍을 사용하는 일반 XNUMX쌍 이더넷 케이블을 사용할 수 있습니다. XNUMX개의 개별 케이블을 먼 곳으로 당기지 않도록 합니다. 또는 단일 쌍 케이블을 사용하고 맨 끝에 단일 쌍 이더넷 스위치를 설치하십시오.

또는 네트워크가 이미 광섬유를 통해 장거리로 확장된 경우 이 스위치를 기업의 로컬 네트워크에 직접 연결할 수 있습니다. 거기에 센서를 부착하고 여기에서 판독값을 읽으세요. 네트워크에서 직접. 인터페이스 변환기와 게이트웨이가 없습니다.

그리고 이것이 반드시 센서일 필요는 없습니다. 비디오 카메라, 인터콤 또는 스마트 전구가 있을 수 있습니다. 입구의 일부 밸브 또는 개찰구를 구동합니다.

그래서 전망이 흥미로워지고 있습니다. 물론 SPE가 모든 필드버스를 대체할 가능성은 거의 없습니다. 그러나 그는 그들 중에서 상당한 부분을 취할 것입니다. 물론 자동차에서도 말이죠.

추신: 공개 도메인에서 표준 텍스트를 찾지 못했습니다. 위의 정보는 인터넷에서 구할 수 있는 다양한 프리젠테이션과 자료를 통해 하나씩 수집되었습니다. 따라서 부정확한 내용이 있을 수 있습니다.

출처 : habr.com