No dia 5 de fevereiro deste ano, foi aprovado um novo padrão para Ethernet de 10 Mbits. Sim, você leu certo: dez megabits por segundo.
Por que é necessária uma velocidade tão “pequena” no século XXI? Para substituir o zoológico que está oculto sob o nome amplo “barramento de campo” - Profibus, Modbus, CC-Link, CAN, FlexRay, HART, etc. São muitos, são incompatíveis entre si e relativamente difíceis de configurar. Mas você só quer conectar o cabo ao switch e pronto. O mesmo que com Ethernet normal.
E em breve será possível! Conheça: “802.3cg-2019 - Padrão IEEE para Ethernet - Emenda 5: Especificações da camada física e parâmetros de gerenciamento para operação de 10 Mb/s e fornecimento de energia associado em um único par balanceado de condutores.”
O que há de tão interessante nesta nova Ethernet? Em primeiro lugar, funciona em um par trançado e não em quatro. Portanto, possui menos conectores e cabos mais finos. E você pode usar um cabo de par trançado já instalado que vai para os sensores e atuadores.
Você poderia argumentar que a Ethernet funciona até 100 metros, mas os sensores estão localizados muito mais longe. Na verdade, isso costumava ser um problema. Mas o 802.3cg funciona a uma distância de até 1 km! Um par de cada vez! Nada mal?
Na verdade, melhor ainda: a energia também pode ser fornecida através do mesmo par. É por aí que começaremos.
IEEE 802.3bu Power over Data Lines (PoDL)
Acho que muitos de vocês já ouviram falar de PoE (Power over Ethernet) e sabem que são necessários 2 pares de fios para transmitir energia. A entrada/saída de potência é feita nos pontos médios dos transformadores de cada par. Isso não pode ser feito usando um par. Portanto, tivemos que fazer diferente. Como exatamente é mostrado na figura abaixo. Por exemplo, o PoE clássico também foi adicionado.
Aqui:
PSE – equipamento de fonte de energia (fonte de alimentação)
PD – dispositivo alimentado (dispositivo remoto que consome eletricidade)
Inicialmente, o 802.3bu tinha 10 classes de potência:
Três gradações convencionais de tensão da fonte são destacadas em cores: 12, 24 e 48V.
Notação:
Vpse — tensão da fonte de alimentação, V
Vpd min - tensão mínima em PD, V
I max — corrente máxima na linha, A
Ppd máx — consumo máximo de energia PD, W
Com o advento do protocolo 802.3cg, mais 6 classes foram adicionadas:
É claro que, com tal diversidade, o PSE e o PD devem concordar com a classe de potência antes de aplicar tensão plena. Isso é feito usando SCCP (Protocolo de Classificação de Comunicações Seriais). Este é um protocolo de baixa velocidade (333 bps) baseado em 1-Wire. Funciona apenas quando a energia principal não é fornecida à linha (inclusive no modo sleep).
O diagrama de blocos mostra como a energia é fornecida:
- uma corrente de 10mA é fornecida e a presença de um diodo zener de 4V nessa extremidade é verificada
- classe de potência é acordada
- a energia principal é fornecida
- se o consumo cair abaixo de 10mA, o modo sleep é ativado (fornecimento de energia em standby 3.3V)
- se o consumo exceder 1mA, o modo sleep sai
Não há necessidade de chegar a acordo sobre a classe alimentar se esta for conhecida antecipadamente. Esta opção é chamada Modo de inicialização rápida. É utilizado, por exemplo, em automóveis, porque não há necessidade de alterar a configuração do equipamento conectado.
Tanto o PSE quanto o PD podem iniciar o modo de suspensão.
Agora vamos passar à descrição da transferência de dados. Também é interessante aí: o padrão define dois modos de operação – longo alcance e para curtas distâncias.
10BASE-T1L
Esta é uma opção de longo alcance. As principais características são as seguintes:
- alcance – até 1 km
- condutores 18AWG (0.8mm2)
- até 10 conectores intermediários (e dois conectores terminais)
- modo de operação ponto a ponto
- duplex completo
- taxa de símbolo 7.5 Mbaud
- Modulação PAM-3, codificação 4B3T
- sinal com amplitude 1V (1Vpp) ou 2.4V
- Suporte para Ethernet com eficiência energética (“quiet/refresh” EEE)
Obviamente, esta opção destina-se a aplicações industriais, sistemas de controle de acesso, automação predial, elevadores. Para controlar chillers, condicionadores de ar e ventiladores localizados em telhados. Ou aquecimento de caldeiras e bombas localizadas em salas técnicas. Ou seja, existem muitas aplicações diferentes além da indústria. Sem mencionar a Internet das Coisas (IoT).
Vale ressaltar que 10BASE-T1 é apenas um dos padrões Single Pair Ethernet (SPE). Existem também 100BASE-T1 (802.3bw) e 1000BASE-T1 (802.3bp). É verdade que foram desenvolvidos para aplicações automotivas, portanto o alcance é de apenas 15 (UTP) ou 40 metros (STP). No entanto, os planos já incluem um 100BASE-T1L de longo alcance. Portanto, no futuro, eles adicionarão negociação automática de velocidade.
Enquanto isso, a coordenação não é usada - é declarado um “início rápido” da interface: menos de 100 ms desde a fonte de alimentação até o início da troca de dados.
Outra opção (opcional) é aumentar a amplitude de transmissão de 1 para 2.4 V para melhorar a relação sinal-ruído, reduzir o número de erros e neutralizar a interferência industrial.
E, claro, EEE. Esta é uma forma de economizar energia elétrica desligando o transmissor caso não haja dados para transmitir no momento. O diagrama mostra como isso se parece:
Sem dados - enviamos a mensagem “Fui para a cama” e desligamos. Ocasionalmente acordamos e enviamos a mensagem “Ainda estou aqui”. Quando os dados aparecem, o lado oposto é alertado “Estou acordando” e a transmissão começa. Ou seja, apenas os receptores estão funcionando constantemente.
Agora vamos ver o que surgiu com a segunda versão do padrão.
10BASE-T1S
Já pela última carta fica claro que se trata de um protocolo para distâncias curtas. Mas por que é necessário se o T1L funciona em distâncias curtas? Lendo as características:
- alcance de até 15 m no modo ponto a ponto
- duplex ou meio duplex
- проводники 24-26AWG (0.2-0.13мм2)
- taxa de símbolo 12.5 Mbaud
- DME, codificação 4B5B
- sinal com amplitude 1V (1Vpp)
- até 4 conectores intermediários (e dois conectores terminais)
- sem suporte EEE
Parece nada de especial. Então para que serve? Mas para isso:
- alcance de até 25m em modo multiponto (até 8 nós)
E isto:
- modo de operação com prevenção de colisão PLCA RS (Subcamada de reconciliação de prevenção de colisão de nível PHY)
E isso é muito mais interessante, não é? Porque ajuda a reduzir significativamente o número de fios em gabinetes de controle, máquinas, robôs e carros. E já existem propostas para utilizá-lo como substituto do I2C em servidores, switches e outros eletrônicos.
Mas o modo multiponto tem suas desvantagens. O principal deles é um meio de transmissão de dados compartilhado. Obviamente, as colisões são resolvidas usando CSMA/CD. Mas não se sabe qual será o atraso. E para algumas aplicações isso é crítico. Portanto, no novo padrão, o multiponto foi complementado com um modo PLCA RS especial (veja a próxima seção).
A segunda desvantagem é que o PoDL não funciona em multiponto. Ou seja, a energia deverá ser fornecida por meio de um cabo separado ou levada para algum local do local.
Porém, no modo ponto a ponto, o PoDL também funciona no T1S.
PLCA RS
Este modo funciona da seguinte forma:
- nós distribuem identificadores entre si, o nó com ID = 0 torna-se o coordenador
- o coordenador emite um sinal BEACON para a rede, indicando o início de um novo ciclo de transmissão e transmite seu pacote de dados
- depois de transmitir um pacote de dados, a fila de transmissão passa para o próximo nó
- se o nó não tiver iniciado a transmissão dentro do tempo necessário para transmitir 20 bits, a fila passa para o próximo nó
- quando todos os nós transmitiram dados (ou pularam sua vez), o coordenador inicia um novo ciclo
Em geral se assemelha ao TDMA. Mas com a peculiaridade de o nó não utilizar seu time frame se não tiver nada para transmitir. E o tamanho do quadro não é estritamente definido, porque... depende do tamanho do pacote de dados transmitido pelo nó. E tudo funciona em quadros Ethernet 802.3 padrão (PLCA RS é opcional, portanto deve haver compatibilidade).
O resultado da utilização do PLCA é mostrado abaixo nos gráficos. O primeiro é o atraso dependendo da carga, o segundo é o rendimento dependendo do número de nós transmissores. É claramente perceptível que o atraso se tornou muito mais previsível. E no pior caso é 2 ordens de magnitude menor do que no pior caso CSMA/CD:
E a capacidade do canal no caso do PLCA é maior, porque não é gasto na resolução de colisões:
Conectores
Inicialmente, escolhemos entre 6 opções de conectores oferecidos por diferentes empresas. Como resultado, decidimos por estas duas opções:
Para condições normais de operação, o conector LC IEC 63171-1 da CommScope foi selecionado.
Para ambientes agressivos – 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.
Obviamente, os conectores e cabos podem ser UTP ou STP.
outro
Você pode usar um cabo Ethernet normal de quatro pares, usando cada par para um canal SPE separado. Para não puxar quatro cabos separados para algum lugar distante. Ou use um cabo de par único e instale um switch Ethernet de par único na extremidade oposta.
Ou você pode conectar esse switch diretamente à rede local da empresa, se uma rede já tiver sido estendida por longas distâncias por meio de fibra óptica. Coloque sensores nele e leia as leituras deles aqui. Diretamente na rede. Sem conversores de interface e gateways.
E estes não precisam necessariamente ser sensores. Pode haver câmeras de vídeo, interfones ou lâmpadas inteligentes. Acionamento de algumas válvulas ou catracas nas entradas.
Portanto, as perspectivas estão se abrindo interessantes. É improvável, claro, que o SPE substitua todos os barramentos de campo. Mas ele tirará uma boa parte deles. Certamente em carros.
PS Não encontrei o texto da norma em domínio público. As informações acima foram coletadas peça por peça a partir de diversas apresentações e materiais disponíveis na Internet. Portanto, pode haver imprecisões nisso.
Fonte: habr.com