Pe 5 februarie a acestui an, a fost aprobat un nou standard pentru Ethernet de 10 Mbit. Da, ați citit bine: zece megabiți pe secundă.
De ce este nevoie de o viteză atât de „mică” în secolul 21? Pentru a înlocui grădina zoologică care este ascunsă sub numele de „field bus” - Profibus, Modbus, CC-Link, CAN, FlexRay, HART etc. Sunt prea multe, sunt incompatibile între ele și sunt relativ greu de configurat. Dar vrei doar să conectați cablul la comutator și asta este tot. La fel ca cu Ethernetul obișnuit.
Și în curând acest lucru va fi posibil! Întâlniți: „802.3cg-2019 - Standardul IEEE pentru Ethernet - Amendamentul 5: Specificații stratului fizic și parametrii de gestionare pentru funcționarea la 10 Mb/s și furnizarea de energie asociată pe o singură pereche echilibrată de conductori.”
Ce este atât de interesant la acest nou Ethernet? În primul rând, funcționează peste o pereche răsucită, și nu peste patru. Prin urmare, are mai puțini conectori și cabluri mai subțiri. Și puteți utiliza cablul cu pereche răsucită deja așezat care merge la senzori și actuatori.
Ai putea argumenta că Ethernet funcționează până la 100 de metri, dar senzorii sunt amplasați mult mai departe. Într-adevăr, aceasta a fost o problemă. Dar 802.3cg funcționează la o distanță de până la 1 km! O pereche la un moment dat! Nu-i rău?
De fapt, chiar mai bine: puterea poate fi furnizată și prin aceeași pereche. De aici vom începe.
IEEE 802.3bu Power over Data Lines (PoDL)
Cred că mulți dintre voi ați auzit despre PoE (Power over Ethernet) și știți că sunt necesare 2 perechi de fire pentru a transmite putere. Puterea de intrare/ieșire se realizează în punctele mijlocii ale transformatoarelor fiecărei perechi. Acest lucru nu se poate face folosind o pereche. Prin urmare, a trebuit să o facem altfel. Cum se arată exact în figura de mai jos. De exemplu, a fost adăugat și PoE clasic.
aici:
PSE – echipament de alimentare (sursă de energie)
PD – dispozitiv alimentat (dispozitiv de la distanță care consumă energie electrică)
Inițial, 802.3bu avea 10 clase de putere:
Trei gradații convenționale ale tensiunii sursei sunt evidențiate în culoare: 12, 24 și 48V.
legendă:
Vpse — tensiunea de alimentare, V
Vpd min - tensiune minimă pe PD, V
I max — curent maxim în linie, A
Ppd max — consumul maxim de energie PD, W
Odată cu apariția protocolului 802.3cg, au fost adăugate încă 6 clase:
Desigur, cu o astfel de diversitate, PSE și PD trebuie să cadă de acord asupra clasei de putere înainte de a aplica tensiunea maximă. Acest lucru se face folosind SCCP (Serial Communications Classification Protocol). Acesta este un protocol de viteză mică (333 bps) bazat pe 1-Wire. Funcționează numai atunci când alimentarea principală nu este furnizată la linie (inclusiv în modul de repaus).
Schema bloc arată cum este furnizată curentul:
- este furnizat un curent de 10mA și se verifică prezența unei diode zener de 4V la acel capăt
- se convine asupra clasei de putere
- alimentarea principală este furnizată
- dacă consumul scade sub 10mA, modul de repaus este activat (alimentare cu putere de așteptare 3.3V)
- dacă consumul depășește 1mA, se iese modul de repaus
Nu este nevoie să vă puneți de acord asupra clasei de alimente dacă aceasta este cunoscută dinainte. Această opțiune se numește Mod de pornire rapidă. Este folosit, de exemplu, în mașini, deoarece nu este nevoie să schimbați configurația echipamentului conectat.
Atât PSE, cât și PD pot iniția modul de repaus.
Acum să trecem la descrierea transferului de date. Este, de asemenea, interesant acolo: standardul definește două moduri de operare – pe distanțe lungi și pe distanțe scurte.
10BASE-T1L
Aceasta este o opțiune de lungă durată. Principalele caracteristici sunt următoarele:
- raza de actiune – pana la 1 km
- conductori 18AWG (0.8 mm2)
- până la 10 conectori intermediari (și doi conectori terminali)
- mod de operare punct la punct
- full duplex
- rata de simbol 7.5 Mbaud
- Modulație PAM-3, codificare 4B3T
- semnal cu amplitudine 1V (1Vpp) sau 2.4V
- Suport Ethernet pentru eficiență energetică („silențios/reîmprospătare” EEE).
Evident, această opțiune este destinată aplicațiilor industriale, sistemelor de control acces, automatizărilor clădirilor, ascensoarelor. Pentru controlul chillerelor, aparatelor de aer condiționat și ventilatoarelor amplasate pe acoperișuri. Sau cazane de încălzire și pompe situate în încăperile tehnice. Adică, există o mulțime de aplicații diferite în afară de industrie. Ca să nu mai vorbim de Internetul Lucrurilor (IoT).
Merită menționat că 10BASE-T1 este doar unul dintre standardele Single Pair Ethernet (SPE). Există, de asemenea, 100BASE-T1 (802.3bw) și 1000BASE-T1 (802.3bp). Adevărat, au fost dezvoltate pentru aplicații auto, astfel încât raza de acțiune este de doar 15 (UTP) sau 40 de metri (STP). Cu toate acestea, planurile includ deja un 100BASE-T1L cu rază lungă. Deci, în viitor, vor adăuga auto-negociarea vitezei.
Între timp, coordonarea nu este utilizată - este declarată o „pornire rapidă” a interfeței: mai puțin de 100 ms de la sursa de alimentare până la începutul schimbului de date.
O altă opțiune (opțională) este creșterea amplitudinii transmisiei de la 1 la 2.4V pentru a îmbunătăți raportul semnal-zgomot, a reduce numărul de erori și a contracara interferențele industriale.
Și, desigur, EEE. Aceasta este o modalitate de a economisi energie electrică prin oprirea emițătorului dacă nu există date de transmis în acest moment. Diagrama arată cum arată:
Fără date - trimitem mesajul „M-am culcat” și ne deconectăm. Ocazional ne trezim și trimitem mesajul „Sunt încă aici”. Când apar datele, partea opusă este alertată „Mă trezesc” și începe transmisia. Adică doar receptoarele funcționează constant.
Acum să vedem ce au venit cu a doua versiune a standardului.
10BASE-T1S
Deja din ultima scrisoare reiese clar că acesta este un protocol pentru distanțe scurte. Dar de ce este necesar dacă T1L funcționează la distanțe scurte? Citirea caracteristicilor:
- rază de acțiune de până la 15 m în modul punct la punct
- duplex sau semi-duplex
- проводники 24-26AWG (0.2-0.13мм2)
- rata de simbol 12.5 Mbaud
- DME, codificare 4B5B
- semnal cu amplitudine 1V (1Vpp)
- până la 4 conectori intermediari (și doi conectori terminali)
- fără suport EEE
Nu pare nimic deosebit. Deci pentru ce este? Dar pentru asta:
- raza de actiune de pana la 25 m in modul multipunct (pana la 8 noduri)
Și asta:
- modul de operare cu evitarea coliziunilor PLCA RS (PHY-Level Collision Avoidance Reconciliation Sublayer)
Și asta e mult mai interesant, nu-i așa? Deoarece ajută la reducerea semnificativă a numărului de fire din dulapuri de control, mașini, roboți și mașini. Și există deja propuneri de utilizare ca înlocuitor pentru I2C în servere, switch-uri și alte componente electronice.
Dar modul multipunct are dezavantajele sale. Principalul este un mediu de transmisie de date partajat. Desigur, coliziunile sunt rezolvate folosind CSMA/CD. Dar nu se știe care va fi întârzierea. Și pentru unele aplicații acest lucru este critic. Prin urmare, în noul standard, multipoint a fost completat cu un mod special PLCA RS (vezi secțiunea următoare).
Al doilea dezavantaj este că PoDL nu funcționează în multipunct. Adică, puterea va trebui să fie furnizată printr-un cablu separat sau dusă undeva la fața locului.
Cu toate acestea, în modul punct la punct, PoDL funcționează și pe T1S.
PLCA RS
Acest mod funcționează după cum urmează:
- nodurile distribuie identificatori între ele, nodul cu ID=0 devine coordonator
- coordonatorul emite un semnal BEACON către rețea, indicând începutul unui nou ciclu de transmisie și transmite pachetul său de date
- după transmiterea unui pachet de date, coada de transmisie se deplasează la următorul nod
- dacă nodul nu a început să transmită în timpul necesar pentru a transmite 20 de biți, coada se mută la următorul nod
- când toate nodurile au transmis date (sau au omis rândul lor), coordonatorul începe un nou ciclu
În general, seamănă cu TDMA. Dar cu particularitatea că nodul nu își folosește intervalul de timp dacă nu are nimic de transmis. Și dimensiunea cadrului nu este strict definită, pentru că... depinde de dimensiunea pachetului de date transmis de nod. Și totul rulează peste cadrele standard Ethernet 802.3 (PLCA RS este opțional, deci ar trebui să existe compatibilitate).
Rezultatul utilizării PLCA este prezentat mai jos în grafice. Primul este întârzierea în funcție de sarcină, al doilea este debitul în funcție de numărul de noduri de transmisie. Se observă clar că întârzierea a devenit mult mai previzibilă. Și în cel mai rău caz este cu 2 ordine de mărime mai puțin decât în cel mai rău caz CSMA/CD:
Iar capacitatea canalului în cazul PLCA este mai mare, pentru că nu se cheltuiește pentru rezolvarea coliziunilor:
conectori
Inițial, am ales dintre 6 opțiuni de conector oferite de diferite companii. Drept urmare, ne-am hotărât pe aceste două opțiuni:
Pentru condiții normale de funcționare, a fost selectat conectorul LC IEC 63171-1 al CommScope.
Pentru medii dure – familia de conectori IEC 63171-6 (anterior 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 fie UTP, fie STP.
Alții
Puteți utiliza un cablu Ethernet obișnuit cu patru perechi, folosind fiecare pereche pentru un canal SPE separat. Pentru a nu trage patru cabluri separate undeva în depărtare. Sau utilizați un cablu cu o singură pereche și instalați un comutator Ethernet cu o singură pereche la capătul îndepărtat.
Sau puteți conecta acest comutator direct la rețeaua locală a întreprinderii, dacă o rețea a fost deja extinsă pe distanțe lungi prin fibră optică. Introduceți senzori acolo și citiți citirile de la aceștia aici. Direct în rețea. Fără convertoare de interfață și gateway-uri.
Și aceștia nu trebuie să fie neapărat senzori. Pot exista camere video, interfoane sau becuri inteligente. Acționări ale unor supape sau turnichete la intrări.
Deci perspectivele se deschid interesante. Este puțin probabil, desigur, ca SPE să înlocuiască toate magistralele de teren. Dar va lua o bucată bună din ei. Cu siguranță în mașini.
PS Nu am găsit textul standardului în domeniul public. Informațiile de mai sus au fost colectate bucată cu bucată din diverse prezentări și materiale disponibile pe Internet. Deci pot exista inexactități în el.
Sursa: www.habr.com