5 lutego tego roku zatwierdzono nowy standard dla Ethernetu o prędkości 10 megabitów. Tak, dobrze przeczytaliście: dziesięć megabitów na sekundę.
Po co w XXI wieku potrzebna jest taka 'mała' prędkość? Aby zastąpić ten złożony zbiór protokołów, który ukrywa się pod ogólnym terminem 'szyna polowa' — Profibus, Modbus, CC-Link, CAN, FlexRay, HART itd. Jest ich zbyt wiele, nie są ze sobą kompatybilne i są stosunkowo trudne w konfiguracji. A chciałoby się po prostu wpiąć kabel do switcha i tyle. Jak w przypadku zwykłego Ethernetu.
I wkrótce to będzie możliwe! Przedstawiamy: '802.3cg-2019 — Standard IEEE dla Ethernetu — Poprawka 5: Specyfikacje warstwy fizycznej i parametry zarządzania dla operacji 10 Mb/s oraz dostarczania energii przy użyciu pojedynczej pary przewodów.'
Czym więc interesuje ten nowy Ethernet? Przede wszystkim — działa na jednej skrętce, a nie na czterech. Dlatego ma mniejsze złącza i cieńsze kable. Można wykorzystać już położoną skrętkę, która prowadzi do czujników i aktuatorów.
Możecie się sprzeciwić, że Ethernet działa do 100 metrów, a czujniki są znacznie dalej. Rzeczywiście, wcześniej było to problemem. Ale 802.3cg działa na odległości do 1 km! Na jednej parze! Nieźle?
W rzeczywistości, jest nawet lepiej: przez tę samą parę można również przesyłać zasilanie. 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. Zasilanie wejściowe/wyjściowe jest realizowane w środkowych punktach transformatorów każdej pary. Używając jednej pary, jest to niemożliwe. Dlatego musiano to zrobić w inny sposób. Jak dokładnie, pokazano na rysunku poniżej. Dla porównania dodano również klasyczny PoE.
Gdzie:
PSE – urządzenie zasilające (power sourcing equipment)
PD – urządzenie zasilane (powered device) na końcu, które pobiera energię elektryczną
Początkowo 802.3bu miał 10 klas zasilania:
Kolorem wyróżniono trzy umowne klasy napięcia źródła: 12, 24 i 48V.
Oznaczenia:
Vpse — napięcie źródła zasilania, V
Vpd min — minimalne napięcie na PD, V
I max — maksymalny prąd w linii, A
Ppd max — maksymalna moc pobierana przez PD, W
Wraz z pojawieniem się protokołu 802.3cg dodano jeszcze 6 klas:
Oczywiście, przy takiej różnorodności PSE i PD muszą uzgodnić klasę zasilania przed podaniem pełnego napięcia. Robi się to za pomocą SCCP (Serial Communications Classification Protocol). Jest to niskoszybki protokół (333 bity/s), oparty na 1-Wire. Działa tylko wtedy, gdy na linię nie jest podane zasilanie główne (w tym w trybie uśpienia).
Na schemacie blokowym pokazano, jak wykonywane jest zasilanie:
- poddawane napięciu 10mA i sprawdzana jest obecność stabilizatora na 4V po drugiej stronie
- następuje uzgodnienie klasy zasilania
- podawane jest zasilanie główne
- jeśli pobór spada poniżej 10mA – włącza się tryb uśpienia (podawanie zasilania czuwania 3.3V)
- jeśli pobór przekracza 1mA – następuje wyjście z trybu uśpienia
Uzgodnienia klasy zasilania można nie przeprowadzać, jeśli jest ona wcześniej znana. Taka opcja nazywa się Fast Startup Mode. Stosowana jest na przykład w samochodach, ponieważ nie ma potrzeby zmieniać konfiguracji podłączonego sprzętu.
Przejście w tryb uśpienia może zainicjować zarówno PSE, jak i PD.
Teraz przejdźmy do opisu transferu danych. Tam też jest ciekawie: w standardzie określono dwa tryby pracy – długi zasięg i krótki zasięg.
10BASE-T1L
To opcja dla dużych odległości (long reach). Główne parametry to:
- zasięg działania – do 1 km
- przewody 18AWG (0.8mm2)
- do 10 złączy pośrednich (i dwa końcowe)
- tryb pracy punkt-punkt
- pełny dupleks
- prędkość symboli 7.5Mbaud
- modulacja PAM-3, kodowanie 4B3T
- sygnał o amplitudzie 1V (1Vpp) lub 2.4V
- wsparcie dla Energy Efficient Ethernet ("quiet/refresh" EEE)
Oczywiście, że ta opcja jest przeznaczona do zastosowań przemysłowych, systemów kontroli dostępu, automatyzacji budynków, wind. Do sterowania chłodnicami, klimatyzatorami, wentylatorami umieszczonymi na dachach. Lub znajdującymi się w pomieszczeniach technicznych piecami grzewczymi i pompami. Innymi słowy, mnóstwo 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). Są jeszcze 100BASE-T1 (802.3bw) i 1000BASE-T1 (802.3bp). Prawda jest taka, że były one opracowywane do zastosowań samochodowych, dlatego zasięg wynosi tylko 15 (UTP) lub 40 metrów (STP). Jednak w planach już znajduje się długozasięgowy 100BASE-T1L. Więc w przyszłości dodadzą automatyczne uzgadnianie prędkości.
A tymczasem, gdy zatwierdzenie nie jest stosowane, wprowadzono interfejs „szybkiego startu”: mniej niż 100 ms od momentu podłączenia zasilania do rozpoczęcia wymiany danych.
Kolejną opcją (opcjonalną) jest zwiększenie amplitudy transmisji z 1 do 2,4 V w celu poprawy stosunku sygnał/szum, zmniejszenia liczby błędów oraz przeciwdziałania zakłóceniom przemysłowym.
No i oczywiście EEE. To sposób na oszczędzanie energii elektrycznej poprzez wyłączanie nadajnika, kiedy w danym momencie nie ma danych do przesłania. Na diagramie widać, jak to wygląda:
Brak danych – wysyłamy wiadomość „poszłam spać” i się wyłączamy. Od czasu do czasu się budzimy i wysyłamy wiadomość „jeszcze tu jestem”. Kiedy pojawiają się dane, drugiej stronie wysyłane jest powiadomienie „budzę się” i zaczyna się transmisja. Innymi słowy, działają tylko odbiorniki.
Teraz przyjrzymy się, co wymyślono w przypadku drugiej wersji standardu.
10BASE-T1S
Już sama ostatnia litera wskazuje, że jest to protokół przeznaczony do krótkich odległości (short reach). Ale po co jest potrzebny, skoro na krótkich odległościach działa także T1L? Sprawdźmy specyfikację:
- zasięg do 15 m w trybie point-to-point
- full-duplex lub half-duplex
- przewody 24-26 AWG (0,2-0,13 mm²)
- prędkość symboli 12,5 Mb/s
- DME, kodowanie 4B5B
- sygnał o amplitudzie 1 V (1 Vpp)
- do 4 pośrednich złączy (i dwa końcowe)
- brak wsparcia dla EEE
Wydaje się, że nic nadzwyczajnego. Więc po co to wszystko? A oto dlaczego:
- zasięg do 25 m w trybie multipoint (do 8 węzłów)
I tego:
- tryb pracy z zapobieganiem kolizjom PLCA RS (PHY-Level Collision Avoidance Reconciliation Sublayer)
A to już znacznie ciekawsze, prawda? Ponieważ pomaga znacząco zmniejszyć liczbę przewodów w szafach sterowniczych, maszynach, robotach, samochodach. I już pojawiły się propozycje, by wykorzystać go jako zamiennik I2C w serwerach, przełącznikach i innej elektronice.
Jednak tryb multipoint ma swoje wady. Główną z nich jest współdzielone medium transmisji danych. Oczywiście kolizje są rozwiązywane za pomocą CSMA/CD. Ale nie wiadomo, jakie będą opóźnienia. A w niektórych zastosowaniach to krytyczne. Dlatego w nowym standardzie dodano do multipoint specjalny tryb PLCA RS (patrz następny rozdział).
Drugą wadą jest to, że w trybie multipoint nie działa PoDL. Oznacza to, że zasilanie trzeba będzie podać osobnym kablem lub wziąć je skądś na miejscu.
Jednakże, w trybie punkt-punkt PoDL działa również na T1S.
PLCA RS
Tryb ten działa w następujący sposób:
- węzły przydzielają sobie identyfikatory, węzeł z ID=0 staje się koordynatorem
- koordynator wysyła do sieci sygnał BEACON, oznaczający początek nowego cyklu transmisji i przesyła swój pakiet danych
- po przesłaniu pakietu danych kolejka na przesył przechodzi do następnego węzła
- jeśli w ciągu czasu potrzebnego do przesłania 20 bitów węzeł nie rozpoczął transmisji, kolejka przechodzi do następnego węzła
- gdy wszystkie węzły przesłały dane (lub pominęły swoją kolej), koordynator rozpoczyna nowy cykl
Ogólnie przypomina to TDMA, ale z taką różnicą, że węzeł nie wykorzystuje swojego okna czasowego, jeśli nie ma nic do przesłania. Rozmiar ramki nie jest ściśle określony, ponieważ zależy od rozmiaru pakietu danych przesyłanego przez węzeł. Wszystko to działa na standardowych ramach Ethernet 802.3 (PLCA RS nie jest obowiązkowy, dlatego powinna być zgodność).
Wynik użycia PLCA przedstawiony jest na poniższych wykresach. Pierwszy - opóźnienie w zależności od obciążenia, drugi - przepustowość w zależności od liczby przesyłających węzłów. Widać wyraźnie, że opóźnienie stało się znacznie bardziej przewidywalne. W najgorszym przypadku jest ono o 2 rzędy wielkości mniejsze niż w najgorszym przypadku CSMA/CD:
A przepustowość kanału w przypadku PLCA jest wyższa, ponieważ nie jest wykorzystywana na rozwiązywanie kolizji:
Złącza
Początkowo wybierano spośród 6 wariantów złączy zaproponowanych przez różne firmy. W rezultacie zatrzymano się na tych dwóch wariantach:
Do normalnych warunków eksploatacji wybrano złącze LC IEC 63171-1 firmy CommScope.
Do trudnych warunków eksploatacji – rodzina złączy IEC 63171-6 (dawniej 61076-3-125) firmy HARTING. Złącza te są zaprojektowane z myślą o stopniach ochrony od IP20 do IP67.
Oczywiście, złącza i kable mogą być zarówno UTP, jak i STP.
Inne
Można stosować zwykły czteroparowy kabel Ethernet, wykorzystując każdą parę do oddzielnego kanału SPE. Aby nie ciągnąć czterech oddzielnych kabli w dal. Można także użyć jednoparowego kabla, a na końcu umieścić przełącznik jednoparowego Ethernet.
Czy można podłączyć ten przełącznik bezpośrednio do lokalnej sieci firmy, jeśli już jest rozciągnięta sieć światłowodowa? Włożyć w nim czujniki, a odczyty z nich oglądać tutaj. Bezpośrednio przez sieć. Bez konwerterów interfejsów i bramek.
I to nie muszą być koniecznie czujniki. Mogą to być kamery, domofony lub „inteligentne” żarówki. Napędy jakichś zaworów lub bramki w przejściach.
Tak więc otwierają się interesujące perspektywy. Rzeczywiście, SPE raczej nie zastąpi wszystkich szyn fieldbus. Ale znaczny ich kawałek na pewno sobie zabierze. Już w samochodach na pewno.
PS Nie znalazłem tekstu standardu w ogólnym dostępie. Powyzsze informacje zostały zebrane fragmentarycznie z różnych prezentacji i dostępnych materiałów w internecie. Dlatego mogą zawierać nieścisłości.
Źródło: habr.com
