5. februára tohto roku bol schválený nový štandard pre 10-megabitský Ethernet. Áno, čítate správne: desať megabitov za sekundu.
Na čo je v 21. storočí potrebná takáto „malá“ rýchlosť? Na nahradenie toho zložitosti, ktorá sa skrýva pod názvom „polová zbernica“ – Profibus, Modbus, CC-Link, CAN, FlexRay, HART atď. Je ich príliš veľa, sú navzájom nekompatibilné a relatívne zložitá na nastavenie. A chceme len jednoducho zapojiť kábel do prepínača a hotovo. Ako s bežným Ethernetom.
A čoskoro to bude možné! Zoznámte sa: „802.3cg-2019 – IEEE Standard for Ethernet – Amendment 5: Fyzikálne vrstvové špecifikácie a parametre správy pre 10 Mb/s prevádzku a s ňou súvisiace dodávanie energie cez jednu vyváženú dvojicu vodičov.“
Čím je tento nový Ethernet zaujímavý? Predovšetkým – funguje po jednej skrutkovej páre, nie po štyroch. Preto má menšie konektory a tenšie káble. A môže sa použiť už položená skrutková pár, vedúca k senzorom a vykonávacím mechanizmom.
Môžete oponovať, že Ethernet funguje do 100 metrov, a senzory sú umiestnené oveľa ďalej. Naozaj, to bolo predtým problémom. Ale 802.3cg funguje na vzdialenosti až 1 km! Po jednej páre! Nie zle?
V skutočnosti, ešte lepšie: cez túto istú pár môže byť dodávané aj elektrické napájanie. Na to aj začneme.
IEEE 802.3bu Power over Data Lines (PoDL)
Myslím, že mnohí z vás počuli o PoE (Power over Ethernet) a vedia, že na prenos napájania sú potrebné 2 páry vodičov. Vstup/výstup napájania je uskutočnený v stredných bodoch transformátorov každej páry. Použitím jednej páry je to nemožné. Preto to museli urobiť inak. Ako presne – je zobrazené na obrázku nižšie. Pre ilustráciu je pridaný aj klasický PoE.
Tu:
PSE – power sourcing equipment (zdroj napájania)
PD – powered device (zariadenie na vzdialenom konci, ktoré spotrebováva elektrinu)
Pôvodne mal 802.3bu 10 tried elektrického napájania:
Farba zvýrazňuje tri zúžené kategórie napätia zdroja: 12, 24 a 48V.
Označenia:
Vpse — napätie zdroja napájania, V
Vpd min — minimálne napätie na PD, V
I max — maximálny prúd v línii, A
Ppd max — maximálny výkon spotrebovaný PD, W
S príchodom protokolu 802.3cg pribudlo ďalších 6 tried:
Samozrejme, pri takom množstve PSE a PD musia dohodnúť triedu napájania pred podaním plného napätia. Robí sa to pomocou SCCP (Serial Communications Classification Protocol). Je to nízkorychlostný protokol (333 bit/s), založený na 1-Wire. Funguje len vtedy, keď nie je do línie podané hlavné napájanie (vrátane spánkového režimu).
Na blokovom schéme je znázornené, ako sa vykonáva podávanie napájania:
- podáva sa prúd 10mA a kontroluje sa prítomnosť na konci stabilitronu na 4V
- vykonáva sa dohoda o triede napájania
- podáva sa hlavné napájanie
- ak spotreba klesne pod 10mA – aktivuje sa spánkový režim (podávanie pohotovostného napájania 3.3V)
- ak spotreba prekročí 1mA – dôjde k výstupu zo spánkového režimu
Dohodu o triede napájania nie je potrebné robiť, ak je vopred známa. Tento variant sa nazýva Fast Startup Mode. Používa sa napríklad v automobiloch, pretože tam nie je potrebné meniť konfiguráciu pripojeného zariadenia.
Prechod do spánkového režimu môže iniciovať ako PSE, tak aj PD.
Teraz prejdime k opisu prenosu dát. Tam je tiež zaujímavé: v štandarde sú definované dva režimy práce – diaľkový a pre malé vzdialenosti.
10BASE-T1L
Toto je variant pre veľkú vzdialenosť (long reach). Hlavné charakteristiky sú nasledovné:
- dosah – až 1km
- vodivosti 18AWG (0.8mm2)
- až 10 medziľahlých konektorov (a dva koncové)
- režim práce bod-bod
- plný duplex
- symbolová rýchlosť 7.5Mb/s
- modulácia PAM-3, kódovanie 4B3T
- signál s amplitúdou 1V (1Vpp) alebo 2.4V
- podpora Energy Efficient Ethernet (“quiet/refresh” EEE)
Je zrejmé, že tento variant je určený na priemyselné použitie, systémy kontroly prístupu, automatizáciu budov, výťahy. Na riadenie chladníkov, klimatizácií, ventilátorov umiestnených na strechách. Alebo nachádzajúcich sa v technických miestnostiach vykurovacích kotlov a čerpadiel. Teda množstvo rôznych aplikácií mimo priemyslu. Nehovoriac o internete vecí (IoT).
Je potrebné spomenúť, že 10BASE-T1 je len jeden z štandardov Single Pair Ethernet (SPE). Existuje ešte 100BASE-T1 (802.3bw) a 1000BASE-T1 (802.3bp). Pravda, tie boli vyvinuté pre automobilové aplikácie, takže tam je dosah len 15 (UTP) alebo 40 metrov (STP). Avšak, v pláne už existuje aj diaľkový 100BASE-T1L. Takže do budúcna pridajú automatické dohodnutie rýchlosti.
A kým nie je použité schvaľovanie – je prihlásený „rýchly štart“ rozhrania: menej ako 100 ms od zapnutia napájania do začiatku výmeny údajov.
Ďalšia možnosť (nepovinná) – zvýšenie amplitúdy prenosu z 1 na 2.4V pre zlepšenie pomeru signál/šum, zníženie počtu chýb a odolávanie priemyselným rušeniam.
No a samozrejme, EEE. Je to spôsob, ako šetriť elektrickú energiu tým, že sa vysielač vypne, ak v daný moment nie sú dáta na prenos. Na diagrame je znázornené, ako to vyzerá:
Žiadne dáta – posielame správu „ideme spať“ a odpojujeme sa. Občas sa prebudíme a pošleme správu „stále som tu“. Keď sa objavia dáta, opozitnej strane sa pošle varovanie „prebúdzam sa“ a začne sa prenos. To znamená, že iba prijímače neustále pracujú.
Teraz sa pozrime, čo vymysleli s druhou variantou štandardu.
10BASE-T1S
Nuž, už podľa posledného písmena je jasné, že ide o protokol pre krátke vzdialenosti (short reach). Ale na čo je potrebný, ak na krátkych vzdialenostiach funguje aj T1L? Čítame špecifikácie:
- dosah až do 15 m v režime bod-bod
- duplex alebo poloduplex
- vedenie 24-26AWG (0.2-0.13 mm2)
- symbolová rýchlosť 12.5 Mbaud
- DME, kódovanie 4B5B
- signál s amplitúdou 1V (1Vpp)
- až 4 priečne konektory (a dva koncové)
- žiadna podpora EEE
Na prvý pohľad by sa mohlo zdať, že nie je nič špeciálne. Tak na čo je potrebný? A tu je dôvod:
- dosah až do 25 m v režime multipoint (až 8 uzlov)
A toto:
- režim práce so zabránením kolíziám PLCA RS (PHY-Level Collision Avoidance Reconciliation Sublayer)
A to už je oveľa zaujímavejšie, nemyslíte? Pretože to výrazne znižuje počet káblov v ovládacích skriniach, strojoch, robotoch, vozidlách. A už sú tu návrhy na jeho použitie ako náhrady za I2C v serveroch, prepínačoch a inej elektronike.
Ale režim multipoint má nevýhody. Hlavná z nich je zdieľané médium prenosu dát. Samozrejme, kolízie sa riešia pomocou CSMA/CD. Ale nie je známe, aká bude latencia. A pre niektoré aplikácie je to kritické. Preto nový štandard doplnil multipoint špeciálnym režimom PLCA RS (pozri nasledujúcu časť).
Druhý nedostatok – v multipointe nefunguje PoDL. To znamená, že napájanie sa bude musieť dodávať cez samostatný kábel alebo ho získať niekde na mieste.
Avšak, v režime point-to-point PoDL funguje aj na T1S.
PLCA RS
Tento režim funguje nasledovne:
- uzly si navzájom rozdeľujú identifikátory, uzol s ID=0 sa stáva koordinátorom
- koordinátor vyžaruje do siete signál BEACON, čo znamená začiatok novej iterácie prenosu a prenáša svoj paket dát
- po prenose paketu dát sa front na prenos presúva na ďalší uzol
- ak uzol nezačne prenos v čase potrebnom na prenos 20 bitov, front prechádza na ďalší uzol
- keď všetky uzly preniesli dáta (alebo preskočili svoj termín), koordinátor začína novú iteráciu
Celkovo to pripomína TDMA. Ale s tým rozdielom, že uzol nepoužíva svoj časový rámec, ak nemá čo prenášať. A veľkosť rámca nie je striktne stanovená, pretože závisí od veľkosti paketu dát prenášaného uzlom. A to všetko funguje nad štandardnými rámcami Ethernet 802.3 (PLCA RS nie je povinný, preto musí byť kompatibilita).
Výsledok použitia PLCA je na grafoch nižšie. Prvý – oneskorenie v závislosti od zaťaženia, druhý – priepustnosť v závislosti od počtu prenášajúcich uzlov. Je zrejmé, že oneskorenie sa stalo oveľa predvídateľnejším. A v najhoršom prípade je o 2 rády menšie než v najhoršom prípade CSMA/CD:
A priepustnosť kanála v prípade PLCA je vyššia, pretože sa nepoužíva na riešenie kolízií:
Konektory
Spočiatku sme si vyberali z 6 variantov konektorov, ktoré navrhli rôzne firmy. Nakoniec sme sa zastavili na týchto dvoch variantoch:
Pre bežné podmienky prevádzky bol vybraný LC konektor IEC 63171-1 od spoločnosti CommScope.
Pre tvrdé prevádzkové podmienky – rodina konektorov IEC 63171-6 (bývalý 61076-3-125) od spoločnosti HARTING. Tieto konektory sú navrhnuté so stupňami ochrany od IP20 do IP67.
Samozrejme, konektory a káble môžu byť ako UTP, tak aj STP.
Iné
Je možné použiť bežný štyroch vodičový Ethernetový kábel, pričom každú dvojicu možno použiť pre samostatný kanál SPE. Aby sme nemuseli ťahať štyri samostatné káble ďalej. Alebo použiť jednopárový kábel a na druhom konci umiestniť prepínač jednopárového Ethernetu.
Je možné pripojiť tento switch priamo do lokálnej siete podniku, ak už je do vzdialených miest natiahnutá sieť optickým vláknom. Pripojte k nemu senzory a prehľadávajte údaje tu. Rovno cez sieť. Bez konvertorov rozhraní a brán.
A pritom to nemusia byť nutne senzory. Môžu to byť kamerové systémy, domofóny alebo „inteligentné“ žiarovky. Pohony nejakých ventilov alebo turnikety na vstupoch.
Takže sa otvárajú zaujímavé perspektívy. Samozrejme, SPE pravdepodobne nenahradí všetky poľné zbernice. Ale určite si z nich ukrojí značný kus. V automobiloch to môže byť jasné.
PS Nenašiel som text štandardu vo voľnom prístupe. Uvedené informácie boli zhromaždené po častiach z rôznych prezentácií a materiálov dostupných na internete. Takže v nich môžu byť nepresnosti.
Zdroj: habr.com
