Pe 5 februarie a acestui an a fost aprobat un nou standard pentru Ethernet de 10 megabiți. Da, ați citit bine: zece megabiți pe secundă.
De ce este nevoie de o viteză atât de „mică” în secolul 21? Pentru a înlocui acel haos care se ascunde sub denumirea cuprinzătoare „bus de câmp” — Profibus, Modbus, CC-Link, CAN, FlexRay, HART etc. Sunt prea multe, nu sunt compatibile între ele și sunt relativ complicate de configurat. Ar fi mai simplu să pornești un cablu în comutator și să funcționeze, ca un Ethernet obișnuit.
Și curând acest lucru va deveni posibil! Vă prezentăm: „802.3cg-2019 — Standardul IEEE pentru Ethernet — Amendamentul 5: Specificații ale stratului fizic și parametrii de gestionare pentru operarea la 10 Mb/s și livrarea de putere asociată printr-o singură pereche echilibrată de conductori”.
Ce este interesant la acest nou Ethernet? În primul rând, funcționează pe o singură pereche răsucită, nu pe patru. Prin urmare, are conectori mai mici și cabluri mai subțiri. Și se poate folosi deja perechea răsucită existentă, care duce la senzori și actuatori.
Puteți obiecta că Ethernet funcționează până la 100 de metri, iar senzorii sunt amplasați mult mai departe. Adevărat, aceasta a fost anterior o problemă. Dar 802.3cg funcționează pe distanțe de până la 1 km! Pe o singură pereche! Nu-i rău?
De fapt, este chiar mai bine: pe această pereche se poate furniza și alimentare electrică. Așadar, să începem cu asta.
IEEE 802.3bu Puterea pe linii de date (PoDL)
Cred că mulți dintre voi ați auzit de PoE (Power over Ethernet) și știți că pentru a transmite alimentare sunt necesare 2 perechi de conductori. Intrarea/ieșirea de alimentare se realizează în punctele mediane ale transformatoarelor fiecărei perechi. Folosind o singură pereche, acest lucru nu este posibil. De aceea a fost nevoie să se facă altfel. Cum exact, este ilustrat în desenul de mai jos. Ca exemplu, este inclus și PoE clasic.
Aici:
PSE – echipament de sursă de putere
PD – dispozitiv alimentat (dispozitivul de la capătul îndepărtat, care consumă electricitate)
Inițial, 802.3bu avea 10 clase de alimentare:
Culoarea evidențiază trei clasificări convenționale ale tensiunii sursei: 12, 24 și 48V.
Notări:
Vpse — tensiunea sursei de alimentare, V
Vpd min — tensiunea minimă pe PD, V
I max — curentul maxim în linie, A
Ppd max — puterea maximă consumată de PD, W
Odată cu apariția protocolului 802.3cg, au fost adăugat încă 6 clase:
Desigur, având în vedere varietatea, PSE și PD trebuie să convenească asupra clasei de alimentare înainte de a aplica tensiunea completă. Acest lucru se face prin intermediul SCCP (Serial Communications Classification Protocol). Este un protocol de viteză redusă (333 bit/s), bazat pe 1-Wire. Funcționează doar atunci când nu există alimentare principală pe linie (inclusiv în modul de repaus).
Diagramă bloc ilustrează modul în care se face alimentarea:
- se aplică un curent de 10mA și se verifică prezența unui stabilizator de 4V la capătul celălalt
- se realizează convenția clasei de alimentare
- se aplică alimentarea principală
- dacă consumul scade sub 10mA – se activează modul de repaus (aplicarea alimentării de rezervă de 3.3V)
- dacă consumul depășește 1mA – se iese din modul de repaus
Convenția clasei de alimentare nu este necesară dacă aceasta este cunoscută din timp. Această opțiune se numește Mod de Pornire Rapidă. Este utilizată, de exemplu, în automobile, deoarece nu este necesară schimbarea configurației echipamentului conectat.
Inițierea trecerii în modul de repaus poate fi realizată atât de PSE, cât și de PD.
Acum să trecem la descrierea transmisiei de date. Acolo este de asemenea interesant: standardul definește două moduri de funcționare - pe distanțe lungi și pe distanțe scurte.
10BASE-T1L
Aceasta este o variantă pentru distanțe mari (long reach). Caracteristicile principale sunt următoarele:
- distanța de acțiune – până la 1 km
- conductor de 18AWG (0.8mm2)
- până la 10 conectori intermediari (și două finale)
- mod de funcționare punct-la-punct
- duplex complet
- viteza simbolică 7.5Mbaud
- modulație PAM-3, codare 4B3T
- semnal cu amplitudine de 1V (1Vpp) sau 2.4V
- suport pentru Ethernet Eficient Energetic („quiet/refresh” EEE)
Este evident că această variantă este destinată utilizărilor industriale, sistemelor de control al accesului, automatizării clădirilor, lifturilor. Pentru a gestiona chillerele, aerul condiționat, ventilatoarele localizate pe acoperișuri. Sau pentru cazanele și pompele din încăperile tehnice. Adică, o mulțime de aplicații pe lângă industrie. Nemaivorbind de internetul lucrurilor (IoT).
Merită menționat că 10BASE-T1 este doar unul dintre standardele Ethernet cu un singur pereche (SPE). Mai sunt și 100BASE-T1 (802.3bw) și 1000BASE-T1 (802.3bp). De fapt, acestea au fost dezvoltate pentru aplicații auto, de aceea distanța este de doar 15 (UTP) sau 40 de metri (STP). Cu toate acestea, în planurile viitoare există și 100BASE-T1L pentru distanțe lungi. Așadar, în viitor se va adăuga auto-convenirea vitezei.
Între timp, acordul nu este folosit – s-a declarat „startup rapid” al interfeței: mai puțin de 100ms de la alimentare la începutul schimbului de date.
O altă opțiune (opțională) – creșterea amplitudinii de transmisie de la 1 la 2.4V pentru a îmbunătăți raportul semnal/zgomot, a reduce numărul de erori, a contracara interferențele industriale.
Și, desigur, EEE. Acesta este un mod de a economisi electricitate prin deconectarea transmisorului atunci când nu există date de transmis. Diagrama arată cum arată aceasta:
Fără date – trimitem mesajul „am mers să dorm” și ne deconectăm. Ne trezim din când în când și trimitem un mesaj „sunt încă aici”. Când apar date, cealaltă parte primește un avertisment „mă trezesc” și.transferul începe. Adică, doar receptorii funcționează constant.
Acum să vedem ce a fost conceput cu a doua variantă a standardului.
10BASE-T1S
Deja din ultima literă se înțelege că acesta este un protocol pentru distanțe scurte (short reach). Dar de ce este necesar, dacă pe distanțe scurte și T1L funcționează? Să citim specificațiile:
- distanța de acțiune până la 15m în mod punct-la-punct
- duplex sau semi-duplex
- conductori 24-26AWG (0.2-0.13mm2)
- viteza simbolurilor 12.5Mbaud
- DME, codificare 4B5B
- semnal cu amplitudine de 1V (1Vpp)
- până la 4 mufe intermediare (și două finale)
- fără suport pentru EEE
Se pare că nu este nimic special. Dar de ce este necesar?
- distanța de acțiune până la 25m în mod multipunct (până la 8 noduri)
Și pentru aceasta:
- mod de funcționare cu prevenirea coliziunilor PLCA RS (PHY-Level Collision Avoidance Reconciliation Sublayer)
Și aceasta este deja mult mai interesant, nu-i așa? Deoarece ajută foarte mult la reducerea numărului de cabluri din dulapurile de control, mașini, roboți, automobile. Și deja există propuneri de a-l folosi ca înlocuitor pentru I2C în servere, switch-uri și alte electronice.
Dar modul multipunct are dezavantaje. Principalul dintre ele – mediu de transmisie de date împărțit. Desigur, coliziunile sunt rezolvate prin CSMA/CD. Dar nu se știe care va fi întârzierea în acest caz. Și pentru unele aplicații, aceasta este critică. Prin urmare, în noul standard, modul multipunct a fost completat cu un mod special PLCA RS (vezi secțiunea următoare).
Al doilea dezavantaj – în multipunct nu funcționează PoDL. Adică alimentarea va trebui să fie furnizată printr-un cablu separat sau obținută de undeva de la fața locului.
Totuși, în modul punct-punct, PoDL funcționează și pe T1S.
PLCA RS
Acest mod funcționează astfel:
- nodurile își distribuie identitățile, nodul cu ID=0 devine coordonator
- coordonatorul emite un semnal BEACON în rețea, semnificând începutul unui nou ciclu de transmisie și transmite pachetul său de date
- după transmiterea pachetului de date, coada pentru transmitere trece la următorul nod
- dacă în timpul necesar pentru a transmite 20 de biți nodul nu a început transmiterea, coada trece la următorul nod
- când toate nodurile au transmis datele (sau și-au sărit rândul), coordonatorul începe un nou ciclu
În general, aceasta seamănă cu TDMA. Dar cu particularitatea că nodul nu își folosește perioada de timp dacă nu are nimic de transmis. Și mărimea cadrelor nu este fix definită, deoarece depinde de dimensiunea pachetului de date transmis de nod. Și totul funcționează deasupra cadrelor standard Ethernet 802.3 (PLCA RS nu este obligatoriu, deci trebuie să existe compatibilitate).
Rezultatul utilizării PLCA – este prezentat mai jos în grafice. Primul – întârzierea în funcție de încărcare, al doilea – lățimea de bandă în funcție de numărul de noduri transmitătoare. Se observă clar că întârzierea a devenit mult mai previzibilă. Și în cel mai rău caz este cu 2 ordine mai mică decât în cel mai rău caz CSMA/CD:
Și lățimea de bandă a canalului în cazul PLCA este mai mare, deoarece nu se consumă pentru a rezolva coliziunile:
Conectori
Inițial, am ales dintre 6 opțiuni de conectori propuse de diferite firme. În cele din urmă, ne-am oprit asupra acestor două variante:
Pentru condiții de operare normale, a fost ales conectorul LC IEC 63171-1 de la CommScope.
Pentru condiții de operare dure – familia de conectori IEC 63171-6 (fostul 61076-3-125) de la HARTING. Acești conectori sunt proiectați pentru grade de protecție de la IP20 la IP67.
Desigur, conectorii și cablurile pot fi atât UTP, cât și STP.
Altele
Se poate utiliza un cablu Ethernet obișnuit cu patru perechi, folosind fiecare pereche pentru un canal SPE separat. Pentru a nu trasa patru cabluri separate în direcții diferite. Sau se poate folosi un cablu mono-pereche, iar la capătul îndepărtat se poate monta un switch de Ethernet mono-pereche.
Se poate conecta acest switch direct la rețeaua locală a întreprinderii, dacă o rețea pe fibră optică este deja întinsă spre cele îndepărtate. Poți conecta senzori la el acolo și vizualiza citirile aici. Direct prin rețea. Fără convertizoare de interfață și gateways.
Și nu trebuie neapărat să fie senzori. Pot fi camere video, interfoane sau becuri „inteligente”. Acționatoare pentru anumite supape sau turnichete la intrări.
Așadar, se deschid perspective interesante. Desigur, nu este probabil că SPE va înlocui toate magistralele de câmp. Dar va lua o parte semnificativă din ele. Cu siguranță în automobile.
PS Nu am găsit textul standardului în acces deschis. Informațiile de mai sus au fost adunate pe bucăți din diferite prezentări și materiale disponibile pe internet. Așadar, pot exista imprecizii în acestea.
Sursa: habr.com
