5. februar i år ble en ny standard for 10-Mbit Ethernet godkjent. Ja, du leste riktig: ti megabit per sekund.
Hvorfor trengs en så "liten" hastighet i det 21. århundre? For å erstatte dyrehagen som er skjult under det romslige navnet "feltbuss" - Profibus, Modbus, CC-Link, CAN, FlexRay, HART, etc. Det er for mange av dem, de er inkompatible med hverandre og er relativt vanskelige å konfigurere. Men du vil bare koble kabelen til bryteren, og det er det. Samme som med vanlig Ethernet.
Og snart er det mulig! Møt: "802.3cg-2019 - IEEE Standard for Ethernet - Amendment 5: Physical Layer Specifications and Management Parameters for 10 Mb/s Operation and Associated Power Delivery over a Single Balanced Pair of Conductor."
Hva er så spennende med dette nye Ethernet? Først og fremst fungerer det over ett tvunnet par, og ikke over fire. Derfor har den færre kontakter og tynnere kabler. Og du kan bruke allerede lagt tvunnet parkabel som går til sensorene og aktuatorene.
Du kan argumentere for at Ethernet fungerer opptil 100 meter, men sensorene er plassert mye lenger. Faktisk pleide dette å være et problem. Men 802.3cg fungerer på en avstand på opptil 1 km! Ett par om gangen! Ikke verst?
Faktisk enda bedre: strøm kan også leveres gjennom samme par. Det er der vi begynner.
IEEE 802.3bu Power over Data Lines (PoDL)
Jeg tror mange av dere har hørt om PoE (Power over Ethernet) og vet at det trengs to par ledninger for å overføre strøm. Strøminngang/-utgang gjøres ved midtpunktene på transformatorene til hvert par. Dette kan ikke gjøres med ett par. Derfor måtte vi gjøre det annerledes. Nøyaktig hvordan er vist i figuren under. For eksempel er klassisk PoE også lagt til.
her:
PSE – strømkildeutstyr (strømforsyning)
PD – drevet enhet (fjernende enhet som bruker strøm)
Opprinnelig hadde 802.3bu 10 kraftklasser:
Tre konvensjonelle graderinger av kildespenning er uthevet i farger: 12, 24 og 48V.
Legend:
Vpse — strømforsyningsspenning, V
Vpd min - minimumsspenning på PD, V
I max — maksimal strøm i linjen, A
Ppd max — maksimalt strømforbruk PD, W
Med bruken av 802.3cg-protokollen ble ytterligere 6 klasser lagt til:
Selvfølgelig, med et slikt mangfold, må PSE og PD bli enige om effektklassen før full spenning påføres. Dette gjøres ved hjelp av SCCP (Serial Communications Classification Protocol). Dette er en lavhastighetsprotokoll (333 bps) basert på 1-Wire. Den fungerer bare når hovedstrømmen ikke tilføres linjen (inkludert i hvilemodus).
Blokkskjemaet viser hvordan strømtilførselen leveres:
- en strøm på 10mA tilføres og tilstedeværelsen av en 4V zenerdiode i den enden kontrolleres
- effektklasse avtales
- hovedstrøm tilføres
- hvis forbruket faller under 10mA, aktiveres hvilemodus (tilførsel av standby-strøm 3.3V)
- hvis forbruket overstiger 1mA, avsluttes hvilemodus
Det er ikke nødvendig å avtale matklassen dersom den er kjent på forhånd. Dette alternativet kalles Rask oppstartsmodus. Det brukes for eksempel i biler, pga det er ikke nødvendig å endre konfigurasjonen av det tilkoblede utstyret.
Både PSE og PD kan starte hvilemodus.
La oss nå gå videre til beskrivelsen av dataoverføring. Det er også interessant der: Standarden definerer to driftsmoduser - lang rekkevidde og for korte avstander.
10BASE-T1L
Dette er et alternativ med lang rekkevidde. Hovedkarakteristikkene er som følger:
- rekkevidde – opptil 1 km
- ledere 18AWG (0.8mm2)
- opptil 10 mellomkontakter (og to terminalkontakter)
- punkt-til-punkt driftsmodus
- full dupleks
- symbolhastighet 7.5 Mbaud
- PAM-3-modulasjon, 4B3T-koding
- signal med amplitude 1V (1Vpp) eller 2.4V
- Støtte for energieffektiv Ethernet (“quiet/refresh” EEE).
Åpenbart er dette alternativet ment for industrielle applikasjoner, adgangskontrollsystemer, bygningsautomatisering, heiser. For styring av kjølere, klimaanlegg og vifter plassert på tak. Eller varmekjeler og pumper plassert i tekniske rom. Det vil si at det er mange forskjellige bruksområder i tillegg til industri. For ikke å snakke om tingenes internett (IoT).
Det er verdt å nevne at 10BASE-T1 bare er en av Single Pair Ethernet (SPE)-standardene. Det er også 100BASE-T1 (802.3bw) og 1000BASE-T1 (802.3bp). Riktignok ble de utviklet for bilapplikasjoner, så rekkevidden der er bare 15 (UTP) eller 40 meter (STP). Imidlertid inkluderer planene allerede en lang rekkevidde 100BASE-T1L. Så i fremtiden vil de legge til automatisk forhandling av hastighet.
I mellomtiden brukes ikke koordinering - en "rask start" av grensesnittet er erklært: mindre enn 100ms fra strømforsyning til starten av datautveksling.
Et annet alternativ (valgfritt) er å øke overføringsamplituden fra 1 til 2.4V for å forbedre signal-til-støy-forholdet, redusere antall feil og motvirke industriell interferens.
Og selvfølgelig EEE. Dette er en måte å spare strøm ved å slå av senderen hvis det ikke er data å overføre for øyeblikket. Diagrammet viser hvordan dette ser ut:
Ingen data - vi sender meldingen "Jeg la meg" og kobler fra. Av og til våkner vi og sender meldingen "Jeg er fortsatt her." Når data vises, blir den motsatte siden varslet "Jeg våkner" og overføringen begynner. Det vil si at bare mottakerne hele tiden jobber.
La oss nå se hva de kom opp med den andre versjonen av standarden.
10BASE-T1S
Allerede fra siste brev er det klart at dette er en protokoll for korte avstander. Men hvorfor trengs det hvis T1L fungerer på korte avstander? Leser egenskapene:
- rekkevidde opptil 15m i punkt-til-punkt-modus
- tosidig eller halv tosidig
- проводники 24-26AWG (0.2-0.13мм2)
- symbolhastighet 12.5 Mbaud
- DME, koding 4B5B
- signal med amplitude 1V (1Vpp)
- opptil 4 mellomkontakter (og to terminalkontakter)
- ingen EEE-støtte
Det virker som ikke noe spesielt. Så hva er det for? Men for dette:
- rekkevidde opptil 25m i flerpunktsmodus (opptil 8 knop)
Og dette:
- driftsmodus med kollisjonsunngåelse PLCA RS (PHY-Level Collision Avoidance Reconciliation Sublayer)
Og dette er mye mer interessant, er det ikke? Fordi bidrar sterkt til å redusere antall ledninger i kontrollskap, maskiner, roboter og biler. Og det er allerede forslag om å bruke den som erstatning for I2C i servere, brytere og annen elektronikk.
Men flerpunktsmodus har sine ulemper. Den viktigste er et delt dataoverføringsmedium. Selvfølgelig løses kollisjoner ved hjelp av CSMA/CD. Men det er ukjent hva forsinkelsen blir. Og for noen applikasjoner er dette kritisk. Derfor, i den nye standarden, ble multipoint supplert med en spesiell PLCA RS-modus (se neste avsnitt).
Den andre ulempen er at PoDL ikke fungerer i multipoint. Det vil si at strøm må tilføres via en separat kabel eller tas et sted på stedet.
Men i punkt-til-punkt-modus fungerer PoDL også på T1S.
PLCA RS
Denne modusen fungerer som følger:
- noder distribuerer identifikatorer mellom seg, noden med ID=0 blir koordinator
- koordinatoren sender et BEACON-signal til nettverket, som indikerer begynnelsen av en ny overføringssyklus og sender datapakken
- etter å ha sendt en datapakke, flytter overføringskøen seg til neste node
- hvis noden ikke har begynt å sende innen tiden det tar å sende 20 biter, flyttes køen til neste node
- når alle noder har overført data (eller hoppet over sin tur), starter koordinatoren en ny syklus
Generelt ligner det TDMA. Men med det særegne at noden ikke bruker sin tidsramme hvis den ikke har noe å overføre. Og rammestørrelsen er ikke strengt definert, fordi... avhenger av størrelsen på datapakken som overføres av noden. Og det hele kjører på toppen av standard 802.3 Ethernet-rammer (PLCA RS er valgfritt, så det bør være kompatibilitet).
Resultatet av bruk av PLCA er vist nedenfor i grafene. Den første er forsinkelsen avhengig av belastningen, den andre er gjennomstrømningen avhengig av antall overføringsnoder. Det merkes tydelig at forsinkelsen er blitt mye mer forutsigbar. Og i verste fall er det 2 størrelsesordener mindre enn i verste fall CSMA/CD:
Og kanalkapasiteten i tilfelle av PLCA er høyere, fordi brukes ikke på å løse kollisjoner:
kontakter
I utgangspunktet valgte vi fra 6 koblingsalternativer som tilbys av forskjellige selskaper. Som et resultat bestemte vi oss for disse to alternativene:
For normale driftsforhold ble CommScopes IEC 63171-1 LC-kontakt valgt.
For tøffe miljøer – IEC 63171-6 (tidligere 61076-3-125) koblingsfamilien fra HARTING. Disse kontaktene er designet for beskyttelsesgrader fra IP20 til IP67.
Selvfølgelig kan kontakter og kabler være enten UTP eller STP.
Andre
Du kan bruke en vanlig fire-pars Ethernet-kabel, og bruke hvert par for en egen SPE-kanal. For ikke å trekke fire separate kabler et sted i det fjerne. Eller bruk en enkelt-par kabel, og installer en enkelt-par Ethernet-svitsj på den andre enden.
Eller du kan koble denne bryteren direkte til bedriftens lokale nettverk, hvis et nettverk allerede er utvidet over lange avstander via fiberoptikk. Stikk sensorer inn i den der, og les avlesningene fra dem her. Direkte på nettverket. Uten grensesnittomformere og gatewayer.
Og disse trenger ikke nødvendigvis å være sensorer. Det kan være videokameraer, intercoms eller smarte lyspærer. Drives av noen ventiler eller dreiekiler ved innganger.
Så utsiktene åpner seg interessante. Det er selvsagt lite sannsynlig at SPE vil erstatte alle feltbusser. Men han vil ta en god del av dem. Gjerne i biler.
PS Jeg fant ikke teksten til standarden i det offentlige. Informasjonen ovenfor ble samlet inn bit for bit fra ulike presentasjoner og materiell tilgjengelig på Internett. Så det kan være unøyaktigheter i det.
Kilde: www.habr.com