5 lutego tego roku zatwierdzono nowy standard dla 10-Mbit Ethernet. Tak, dobrze przeczytałeś: dziesięć megabitów na sekundę.
Dlaczego w XXI wieku potrzebna jest tak „mała” prędkość? Zastąpienie zoo ukrytego pod pojemną nazwą „field bus” – Profibus, Modbus, CC-Link, CAN, FlexRay, HART itp. Jest ich za dużo, są ze sobą niekompatybilne i stosunkowo trudne w konfiguracji. Ale chcesz po prostu podłączyć kabel do przełącznika i to wszystko. Podobnie jak w przypadku zwykłego Ethernetu.
A już niedługo będzie to możliwe! Poznaj: „802.3cg-2019 – Standard IEEE dla sieci Ethernet – Poprawka 5: Specyfikacje warstwy fizycznej i parametry zarządzania dla działania z szybkością 10 Mb/s i powiązanego dostarczania mocy przez pojedynczą zrównoważoną parę przewodów”.
Co jest takiego ekscytującego w tym nowym standardzie Ethernet? Po pierwsze działa na jednej skrętce, a nie na czterech. Dlatego ma mniej złączy i cieńsze kable. Można też użyć już ułożonej skrętki dwużyłowej prowadzącej do czujników i elementów wykonawczych.
Można argumentować, że Ethernet działa do 100 metrów, ale czujniki są zlokalizowane znacznie dalej. Rzeczywiście, kiedyś był to problem. Ale 802.3cg działa na odległość do 1 km! Jedna para na raz! Nie jest zły?
W rzeczywistości nawet lepiej: moc może być również dostarczana przez tę samą parę. Od tego zaczniemy.
IEEE 802.3bu Zasilanie przez linie danych (PoDL)
Myślę, że wielu z Was słyszało o PoE (Power over Ethernet) i wie, że do przesyłania zasilania potrzebne są 2 pary przewodów. Wejście/wyjście zasilania odbywa się w środkowych punktach transformatorów każdej pary. Nie da się tego zrobić używając jednej pary. Dlatego musieliśmy to zrobić inaczej. Jak dokładnie pokazano na poniższym rysunku. Na przykład dodano również klasyczne PoE.
Tutaj:
PSE – urządzenia zasilające (zasilacz)
PD – urządzenie zasilane (urządzenie odległe, które zużywa energię elektryczną)
Początkowo 802.3bu miał 10 klas mocy:
Kolorem wyróżniono trzy konwencjonalne gradacje napięcia źródła: 12, 24 i 48 V.
Oznaczenia:
Vpse — napięcie zasilania, V
Vpd min - minimalne napięcie na PD, V
I max — maksymalny prąd w linii, A
Ppd max — maksymalny pobór mocy PD, W
Wraz z pojawieniem się protokołu 802.3cg dodano 6 kolejnych klas:
Oczywiście przy takiej różnorodności PSE i PD muszą uzgodnić klasę mocy przed podaniem pełnego napięcia. Odbywa się to za pomocą protokołu SCCP (protokół klasyfikacji komunikacji szeregowej). Jest to protokół o niskiej prędkości (333 bps) oparty na technologii 1-Wire. Działa tylko wtedy, gdy do linii nie jest doprowadzone główne zasilanie (również w trybie uśpienia).
Schemat blokowy przedstawia sposób zasilania:
- doprowadzany jest prąd o natężeniu 10 mA i sprawdzana jest obecność na tym końcu diody Zenera 4 V
- klasa mocy jest uzgodniona
- dostarczane jest główne zasilanie
- jeżeli pobór spadnie poniżej 10mA następuje aktywacja trybu uśpienia (zasilanie w trybie czuwania 3.3V)
- jeśli pobór przekracza 1 mA, tryb uśpienia wychodzi
Nie ma potrzeby uzgadniania klasy żywności, jeśli jest ona znana z góry. Ta opcja nazywa się trybem szybkiego uruchamiania. Stosowany jest na przykład w samochodach, ponieważ nie ma potrzeby zmiany konfiguracji podłączonego sprzętu.
Zarówno PSE, jak i PD mogą inicjować tryb uśpienia.
Przejdźmy teraz do opisu transferu danych. Tam też jest ciekawie: norma definiuje dwa tryby pracy – dalekiego zasięgu i na krótkie dystanse.
10BASE-T1L
Jest to opcja o dużym zasięgu. Główne cechy są następujące:
- zasięg – do 1 km
- przewody 18AWG (0.8mm2)
- do 10 złącz pośrednich (i dwa złącza końcowe)
- tryb pracy punkt-punkt
- pełny dupleks
- szybkość symbolu 7.5 Mbod
- Modulacja PAM-3, kodowanie 4B3T
- sygnał o amplitudzie 1V (1Vpp) lub 2.4V
- Obsługa energooszczędnego Ethernetu („cichy/odświeżający” EEE).
Opcja ta przeznaczona jest oczywiście do zastosowań przemysłowych, systemów kontroli dostępu, automatyki budynków, wind. Do sterowania agregatami chłodniczymi, klimatyzatorami i wentylatorami umieszczonymi na dachach. Lub kotły grzewcze i pompy zlokalizowane w pomieszczeniach technicznych. Oznacza to, że istnieje wiele różnych zastosowań poza przemysłem. Nie mówiąc już o Internecie rzeczy (IoT).
Warto wspomnieć, że 10BASE-T1 to tylko jeden ze standardów Single Pair Ethernet (SPE). Istnieją również 100BASE-T1 (802.3bw) i 1000BASE-T1 (802.3bp). Co prawda zostały opracowane do zastosowań motoryzacyjnych, więc zasięg tam wynosi tylko 15 (UTP) lub 40 metrów (STP). Jednak plany obejmują już sieć 100BASE-T1L dalekiego zasięgu. W przyszłości dodadzą automatyczną negocjację prędkości.
W międzyczasie nie stosuje się koordynacji - deklarowany jest „szybki start” interfejsu: niecałe 100ms od zasilania do rozpoczęcia wymiany danych.
Inną opcją (opcjonalną) jest zwiększenie amplitudy transmisji z 1 do 2.4 V w celu poprawy stosunku sygnału do szumu, zmniejszenia liczby błędów i przeciwdziałania zakłóceniom przemysłowym.
I oczywiście EEE. Jest to sposób na zaoszczędzenie energii elektrycznej poprzez wyłączenie nadajnika, jeśli w danej chwili nie ma danych do przesłania. Diagram pokazuje, jak to wygląda:
Brak danych - wysyłamy wiadomość „Poszedłem do łóżka” i rozłączamy się. Czasami budzimy się i wysyłamy wiadomość „Nadal tu jestem”. Gdy pojawią się dane, strona przeciwna otrzymuje powiadomienie „Budzę się” i rozpoczyna się transmisja. Oznacza to, że tylko odbiorniki stale pracują.
Zobaczmy teraz, co wymyślili w drugiej wersji standardu.
10BASE-T1S
Już z ostatniej litery widać, że jest to protokół na krótkie dystanse. Ale dlaczego jest to potrzebne, jeśli T1L działa na krótkich dystansach? Czytanie charakterystyki:
- zasięg do 15 m w trybie punkt-punkt
- dupleks lub półdupleks
- проводники 24-26AWG (0.2-0.13мм2)
- szybkość symbolu 12.5 Mbod
- DME, kodowanie 4B5B
- sygnał o amplitudzie 1V (1Vpp)
- do 4 złączy pośrednich (i dwóch złączy końcowych)
- brak wsparcia dla EEE
Wydaje się, że to nic specjalnego. Więc po co to jest? Ale do tego:
- zasięg do 25m w trybie wielopunktowym (do 8 węzłów)
I to:
- tryb pracy z unikaniem kolizji PLCA RS (podwarstwa uzgadniająca unikanie kolizji na poziomie PHY)
A to jest o wiele ciekawsze, prawda? Ponieważ pomaga znacznie zmniejszyć liczbę przewodów w szafach sterowniczych, maszynach, robotach i samochodach. Pojawiły się już propozycje wykorzystania go jako zamiennika I2C w serwerach, przełącznikach i innej elektronice.
Ale tryb wielopunktowy ma swoje wady. Głównym z nich jest współdzielony nośnik transmisji danych. Oczywiście kolizje są rozwiązywane za pomocą CSMA/CD. Nie wiadomo jednak, jakie będzie opóźnienie. W przypadku niektórych zastosowań ma to kluczowe znaczenie. Dlatego w nowym standardzie multipoint został uzupełniony o specjalny tryb PLCA RS (patrz kolejny rozdział).
Drugą wadą jest to, że PoDL nie działa w trybie wielopunktowym. Oznacza to, że zasilanie będzie musiało być dostarczone osobnym kablem lub pobrane gdzieś na miejscu.
Jednak w trybie punkt-punkt PoDL działa również na T1S.
PLCARS
Ten tryb działa w następujący sposób:
- węzły rozdzielają między sobą identyfikatory, węzeł z ID=0 staje się koordynatorem
- koordynator wysyła do sieci sygnał BEACON sygnalizujący rozpoczęcie nowego cyklu transmisji i transmituje swój pakiet danych
- po przesłaniu pakietu danych kolejka transmisji przesuwa się do kolejnego węzła
- jeżeli węzeł nie rozpoczął transmisji w czasie wymaganym do przesłania 20 bitów, kolejka przesuwa się do następnego węzła
- kiedy wszystkie węzły przesłały dane (lub pominęły swoją turę), koordynator rozpoczyna nowy cykl
Ogólnie przypomina TDMA. Ale z tą osobliwością, że węzeł nie wykorzystuje swoich ram czasowych, jeśli nie ma nic do przesłania. A rozmiar ramki nie jest ściśle określony, bo... zależy od rozmiaru pakietu danych przesyłanego przez węzeł. A wszystko to działa w oparciu o standardowe ramki Ethernet 802.3 (PLCA RS jest opcjonalny, więc powinna być kompatybilność).
Efekt zastosowania PLCA przedstawiono poniżej na wykresach. Pierwsza to opóźnienie zależne od obciążenia, druga to przepustowość zależna od liczby węzłów nadawczych. Wyraźnie widać, że opóźnienie stało się znacznie bardziej przewidywalne. A w najgorszym przypadku jest to o 2 rzędy wielkości mniej niż w najgorszym przypadku CSMA/CD:
A pojemność kanału w przypadku PLCA jest większa, ponieważ nie jest wydawane na rozwiązywanie kolizji:
Złącza
Początkowo wybieraliśmy spośród 6 opcji złączy oferowanych przez różne firmy. W rezultacie zdecydowaliśmy się na te dwie opcje:
Do normalnych warunków pracy wybrano złącze LC IEC 63171-1 firmy CommScope.
Do trudnych warunków – rodzina złączy IEC 63171-6 (dawniej 61076-3-125) firmy HARTING. Złącza te są zaprojektowane dla stopni ochrony od IP20 do IP67.
Oczywiście złącza i kable mogą być UTP lub STP.
inny
Można użyć zwykłego czteroparowego kabla Ethernet, wykorzystując każdą parę do osobnego kanału SPE. Żeby nie ciągnąć gdzieś w dal czterech osobnych kabli. Możesz też użyć kabla jednoparowego i zainstalować na drugim końcu jednoparowy przełącznik Ethernet.
Możesz też podłączyć ten przełącznik bezpośrednio do sieci lokalnej przedsiębiorstwa, jeśli sieć została już rozszerzona na duże odległości za pomocą światłowodu. Włóż tam czujniki i odczytaj z nich odczyty tutaj. Bezpośrednio w sieci. Bez konwerterów interfejsów i bramek.
I niekoniecznie muszą to być czujniki. Mogą być kamery wideo, domofony lub inteligentne żarówki. Napędy niektórych zaworów lub kołowrotów przy wejściach.
Perspektywy otwierają się więc interesujące. Jest oczywiście mało prawdopodobne, aby SPE zastąpiło wszystkie autobusy terenowe. Ale wyciśnie z nich sporą część. Na pewno w samochodach.
PS Nie znalazłem tekstu standardu w domenie publicznej. Powyższe informacje zostały zebrane fragmentarycznie z różnych prezentacji i materiałów dostępnych w Internecie. Mogą więc być w nim nieścisłości.
Źródło: www.habr.com