No dia 5 de fevereiro deste ano, foi aprovado um novo padrão para Ethernet de 10 megabits. Sim, você leu corretamente: dez megabits por segundo.
Para que no século XXI precisamos de uma velocidade tão 'pequena'? Para substituir a variedade de protocolos que se esconde sob o nome abrangente de 'barramento de campo' — Profibus, Modbus, CC-Link, CAN, FlexRay, HART, etc. Há muitos deles, eles não são compatíveis entre si e são relativamente complexos de configurar. E a gente só quer plugar o cabo no switch e pronto. Como no Ethernet comum.
E isso logo será possível! Conheça: '802.3cg-2019 — Padrão IEEE para Ethernet — Alteração 5: Especificações da Camada Física e Parâmetros de Gestão para Operação de 10 Mb/s e Entrega de Energia Associada por um Único Par Balanceado de Condutores'.
O que torna esse novo Ethernet interessante? Primeiro de tudo, ele funciona com um único par trançado, em vez de quatro. Portanto, ele tem conectores menores e cabos mais finos. E é possível usar o par trançado já instalado que vai para os sensores e atuadores.
Você pode argumentar que o Ethernet opera a até 100 metros, enquanto os sensores estão muito mais distantes. De fato, isso era um problema. Mas o 802.3cg funciona a até 1 km! Com um único par! Não é bom?
Na verdade, é ainda melhor: por esse mesmo par pode ser fornecida energia. Vamos começar por aí.
IEEE 802.3bu Power over Data Lines (PoDL)
Acho que muitos de vocês já ouviram falar de PoE (Power over Ethernet) e sabem que para transmissão de energia, são necessários 2 pares de fios. A entrada/saída de energia é feita nos pontos médios dos transformadores de cada par. Com um único par, isso não é possível. Portanto, foi necessário fazer de forma diferente. Como exatamente, está mostrado na figura abaixo. Um exemplo clássico de PoE também foi adicionado.
Aqui:
PSE – equipamento de origem de energia
PD – dispositivo alimentado (dispositivo na extremidade remota que consome eletricidade)
Originalmente, o 802.3bu tinha 10 classes de alimentação:
As três graduações condicionais de tensão da fonte são destacadas em cores: 12, 24 e 48V.
Designações:
Vpse — tensão da fonte de energia, V
Vpd min — tensão mínima na PD, V
I max — corrente máxima na linha, A
Ppd max — potência máxima consumida pela PD, W
Com a introdução do protocolo 802.3cg, foram adicionadas mais 6 classes:
Claro, com essa diversidade, o PSE e o PD devem concordar com a classe de alimentação antes de aplicar a tensão total. Isso é feito através do SCCP (Protocolo de Classificação de Comunicações Seriais). É um protocolo de baixa velocidade (333 bits/s), baseado em 1-Wire. Ele funciona apenas quando a linha não está alimentada (incluindo em modo de suspensão).
O diagrama de blocos mostra como a alimentação é fornecida:
- uma corrente de 10mA é fornecida e a presença de um regulador de tensão de 4V é verificada no outro extremo
- a classe de alimentação é negociada
- a alimentação principal é fornecida
- se o consumo cair abaixo de 10mA – entra em modo de suspensão (fornecendo alimentação de espera de 3,3V)
- se o consumo exceder 1mA – ocorre a saída do modo de suspensão
A negociação da classe de alimentação pode ser desnecessária se ela já for conhecida previamente. Essa opção é chamada de Modo de Inicialização Rápida. É aplicada, por exemplo, em automóveis, pois não há necessidade de alterar a configuração do equipamento conectado.
A transição para o modo de suspensão pode ser iniciada tanto pelo PSE quanto pelo PD.
Agora vamos à descrição da transmissão de dados. Também é interessante: o padrão define dois modos de operação – longo alcance e para distâncias curtas.
10BASE-T1L
Esta é uma opção para longas distâncias (long reach). As principais características são as seguintes:
- distância de operação – até 1km
- condutores 18AWG (0.8mm²)
- até 10 conectores intermediários (e dois terminais)
- modo de operação ponto-a-ponto
- full duplex
- taxa de símbolo 7.5MBd
- modulação PAM-3, codificação 4B3T
- sinal com amplitude de 1V (1Vpp) ou 2.4V
- suporte ao Energy Efficient Ethernet (EEE ‘quiet/refresh’)
É evidente que esta opção é destinada a aplicações industriais, sistemas de controle de acesso, automação predial, elevadores. Para gerenciar chillers, condicionadores de ar, ventiladores localizados nos telhados. Ou caldeiras e bombas em salas técnicas. Ou seja, uma infinidade de aplicações além da indústria. Sem mencionar a Internet das Coisas (IoT).
Vale mencionar que o 10BASE-T1 é apenas um dos padrões de Single Pair Ethernet (SPE). Existem também 100BASE-T1 (802.3bw) e 1000BASE-T1 (802.3bp). No entanto, eles foram desenvolvidos para aplicações automotivas, portanto, a distância é de apenas 15 (UTP) ou 40 metros (STP). No entanto, já há planos para um 100BASE-T1L de longo alcance. Portanto, no futuro, a auto-negociação de velocidade será adicionada.
At the moment, no agreement is used – there is a declared 'quick start' interface: less than 100ms from power on to the start of data exchange.
Another option (optional) is increasing the transmission amplitude from 1 to 2.4V to improve the signal-to-noise ratio, reduce the number of errors, and counteract industrial interference.
And, of course, EEE. This is a way to save electricity by turning off the transmitter when there is no data to send at that moment. The diagram shows how it looks:
No data – we send the message 'I am going to sleep' and turn off. Occasionally, we wake up and send the message 'I am still here.' When data appears, a warning is sent to the other party: 'I am waking up' and the transmission begins. Thus, only the receivers are constantly working.
Now let's look at what has been developed with the second option of the standard.
10BASE-T1S
From the last letter, it is already clear that this is a protocol for short distances (short reach). But why is it needed if T1L also works at short distances? Let's read the specifications:
- effective range up to 15m in point-to-point mode
- duplex or half-duplex
- conductors 24-26AWG (0.2-0.13mm²)
- symbol rate 12.5Mbaud
- DME, 4B5B encoding
- signal with an amplitude of 1V (1Vpp)
- up to 4 intermediate connectors (and two terminal ones)
- no EEE support
It seems nothing special. So why is it needed? Here’s why:
- effective range up to 25m in multipoint mode (up to 8 nodes)
And this:
- operation mode with collision avoidance PLCA RS (PHY-Level Collision Avoidance Reconciliation Sublayer)
And this is already much more interesting, isn’t it? Since it significantly helps reduce the number of wires in control cabinets, machines, robots, cars. There are already proposals to use it as a replacement for I2C in servidores, switches, and other electronics.
But the multipoint mode has disadvantages. The main one is the shared data transmission medium. Of course, collisions are resolved using CSMA/CD. But it is unknown what the delay will be in this case. And for some applications, this is critical. Therefore, the new standard supplemented the multipoint with a special mode PLCA RS (see the next section).
The second disadvantage is that PoDL does not work in multipoint mode. This means power will have to be supplied through a separate cable or sourced locally.
No entanto, no modo ponto-a-ponto, o PoDL funciona também em T1S.
PLCA RS
Este modo funciona da seguinte forma:
- os nós distribuem entre si os identificadores, o nó com ID=0 se torna o coordenador
- o coordenador emite um sinal BEACON na rede, que indica o início de um novo ciclo de transmissão e envia seu pacote de dados
- após a transmissão do pacote de dados, a fila de transmissão passa para o próximo nó
- se dentro do tempo necessário para transmitir 20 bits o nó não iniciar a transmissão, a fila passa para o próximo nó
- quando todos os nós enviaram dados (ou pularam sua vez), o coordenador inicia um novo ciclo
Em geral, isso é semelhante ao TDMA. Mas com a peculiaridade de que o nó não utiliza seu intervalo de tempo se não tiver nada a transmitir. E o tamanho do quadro não é rigidamente definido, pois depende do tamanho do pacote de dados transmitido pelo nó. E tudo isso funciona sobre quadros Ethernet 802.3 padrão (PLCA RS não é obrigatório, portanto, deve haver compatibilidade).
O resultado do uso do PLCA está abaixo nos gráficos. O primeiro – latência em função da carga, o segundo – largura de banda em função do número de nós transmissores. É bem visível que a latência se tornou muito mais previsível. E ela, no pior dos casos, é 2 ordens de magnitude menor do que no pior caso de CSMA/CD:
E a largura de banda do canal no caso do PLCA é maior, pois não é consumida na resolução de colisões:
Conectores
Inicialmente, foram escolhidos entre 6 opções de conectores, oferecidas por diferentes empresas. O resultado foi a escolha dessas duas opções:
Para condições de operação normais, foi escolhido o conector LC IEC 63171-1 da CommScope.
Para condições de operação severas – a família de conectores IEC 63171-6 (anteriormente 61076-3-125) da HARTING. Esses conectores são projetados para graus de proteção de IP20 a IP67.
Naturalmente, os conectores e cabos podem ser tanto UTP quanto STP.
Outros
Pode-se usar um cabo Ethernet de quatro pares comum, utilizando cada par para um canal SPE separado. Para não ter que estender quatro cabos separados para algum lugar distante. Ou usar um cabo de par único, e na outra extremidade colocar um switch de Ethernet de par único.
É possível conectar este switch diretamente na rede local da empresa, se a rede já estiver estendida por fibra ótica. Basta conectar os sensores a ele e visualizar as leituras aqui mesmo. Direto pela rede. Sem conversores de interface e gateways.
E não precisam ser necessariamente sensores. Podem ser câmeras de vídeo, interfones ou lâmpadas 'inteligentes'. Atuadores de válvulas ou catracas em entradas também servem.
Portanto, as perspectivas são interessantes. É pouco provável que o SPE substitua todos os barramentos de campo. Mas certamente vai abocanhar uma parte significativa. Especialmente nos automóveis.
PS Não consegui encontrar o texto do padrão de forma pública. As informações acima foram coletadas fragmentariamente de diferentes apresentações e materiais disponíveis na internet. Assim, pode haver imprecisões.
Fonte: habr.com
