5. februára tohto roku bol schválený nový štandard pre 10-Mbit Ethernet. Áno, čítate správne: desať megabitov za sekundu.
Prečo je v 21. storočí potrebná taká „malá“ rýchlosť? Nahradiť zoologickú záhradu, ktorá sa skrýva pod priestranným názvom „field bus“ - Profibus, Modbus, CC-Link, CAN, FlexRay, HART atď. Je ich priveľa, sú navzájom nekompatibilné a pomerne náročné na konfiguráciu. Ale chcete len zapojiť kábel do prepínača a to je všetko. Rovnako ako pri bežnom Ethernete.
A čoskoro to bude možné! Zoznámte sa s: „802.3cg-2019 – IEEE štandard pre Ethernet – Dodatok 5: Špecifikácie fyzickej vrstvy a parametre správy pre prevádzku 10 Mb/s a súvisiace napájanie prostredníctvom jedného vyváženého páru vodičov.“
Čo je na tomto novom Ethernete také vzrušujúce? V prvom rade to funguje nad jedným krúteným párom a nie nad štyrmi. Preto má menej konektorov a tenšie káble. A môžete použiť už položený krútený pár kábel vedúci k senzorom a akčným členom.
Môžete namietať, že Ethernet funguje do 100 metrov, no senzory sú umiestnené oveľa ďalej. Pravdaže, kedysi to bol problém. Ale 802.3cg funguje na vzdialenosť až 1 km! Po jednom páre! Nie zlé?
V skutočnosti ešte lepšie: napájanie môže byť dodávané aj cez rovnaký pár. Tam začneme.
IEEE 802.3bu Power over Data Lines (PoDL)
Myslím, že mnohí z vás už počuli o PoE (Power over Ethernet) a vedia, že na prenos energie sú potrebné 2 páry vodičov. Príkon/výstup sa vykonáva v stredných bodoch transformátorov každého páru. Toto nie je možné vykonať pomocou jedného páru. Preto sme to museli urobiť inak. Ako presne je znázornené na obrázku nižšie. Pribudlo napríklad aj klasické PoE.
tu:
PSE – zariadenie na zdroj energie (napájací zdroj)
PD – napájané zariadenie (vzdialené zariadenie, ktoré spotrebúva elektrickú energiu)
Spočiatku mal 802.3bu 10 výkonových tried:
Farebne sú zvýraznené tri konvenčné stupne napätia zdroja: 12, 24 a 48V.
Legenda:
Vpse — napätie zdroja, V
Vpd min - minimálne napätie na PD, V
I max — maximálny prúd vo vedení, A
Ppd max — maximálna spotreba energie PD, W
S príchodom protokolu 802.3cg bolo pridaných 6 ďalších tried:
Samozrejme, pri takejto rôznorodosti sa PSE a PD musia dohodnúť na výkonovej triede pred použitím plného napätia. To sa vykonáva pomocou SCCP (Serial Communications Classification Protocol). Ide o nízkorýchlostný protokol (333 bps) založený na 1-Wire. Funguje iba vtedy, keď nie je do linky dodávané hlavné napájanie (vrátane režimu spánku).
Bloková schéma ukazuje, ako sa napája:
- dodáva sa prúd 10mA a kontroluje sa prítomnosť 4V zenerovej diódy na tomto konci
- je dohodnutá výkonová trieda
- dodáva sa hlavné napájanie
- ak odber klesne pod 10mA, aktivuje sa režim spánku (napájanie v pohotovostnom režime 3.3V)
- ak odber presiahne 1mA, režim spánku sa ukončí
Triedu jedla nie je potrebné dohodnúť, ak je vopred známa. Táto možnosť sa nazýva režim rýchleho spustenia. Používa sa napríklad v autách, pretože nie je potrebné meniť konfiguráciu pripojeného zariadenia.
PSE aj PD môžu spustiť režim spánku.
Teraz prejdime k popisu prenosu dát. Aj tam je to zaujímavé: norma definuje dva prevádzkové režimy – na veľké vzdialenosti a na krátke vzdialenosti.
10BASE-T1L
Toto je možnosť s dlhým dosahom. Hlavné charakteristiky sú nasledovné:
- dosah - do 1 km
- vodiče 18AWG (0.8mm2)
- až 10 medziľahlých konektorov (a dva koncové konektory)
- prevádzkový režim point-to-point
- plný duplex
- symbolová rýchlosť 7.5 Mbaud
- Modulácia PAM-3, kódovanie 4B3T
- signál s amplitúdou 1V (1Vpp) alebo 2.4V
- Podpora energeticky efektívneho Ethernetu ("tiché/obnovené" EEE).
Je zrejmé, že táto možnosť je určená pre priemyselné aplikácie, systémy kontroly prístupu, automatizáciu budov, výťahy. Na ovládanie chladičov, klimatizácií a ventilátorov umiestnených na strechách. Alebo vykurovacie kotly a čerpadlá umiestnené v technických miestnostiach. To znamená, že okrem priemyslu existuje veľa rôznych aplikácií. Nehovoriac o internete vecí (IoT).
Stojí za zmienku, že 10BASE-T1 je len jedným zo štandardov Single Pair Ethernet (SPE). Existujú aj 100BASE-T1 (802.3bw) a 1000BASE-T1 (802.3bp). Je pravda, že boli vyvinuté pre automobilové aplikácie, takže dosah je len 15 (UTP) alebo 40 metrov (STP). Plány však už zahŕňajú 100BASE-T1L s dlhým dosahom. Takže v budúcnosti pridajú automatické vyjednávanie rýchlosti.
Medzitým sa koordinácia nepoužíva - je deklarovaný „rýchly štart“ rozhrania: menej ako 100 ms od napájania po začiatok výmeny dát.
Ďalšou možnosťou (voliteľné) je zvýšenie amplitúdy prenosu z 1 na 2.4 V, aby sa zlepšil pomer signálu k šumu, znížil sa počet chýb a pôsobilo sa proti priemyselnému rušeniu.
A, samozrejme, EEE. Toto je spôsob, ako ušetriť elektrickú energiu vypnutím vysielača, ak momentálne nie sú k dispozícii žiadne údaje na prenos. Diagram ukazuje, ako to vyzerá:
Žiadne dáta – odošleme správu „Išiel som spať“ a odpojíme sa. Občas sa zobudíme a pošleme správu "Stále som tu." Keď sa objavia údaje, opačná strana dostane upozornenie „Prebúdzam sa“ a spustí sa prenos. To znamená, že neustále fungujú iba prijímače.
Teraz sa pozrime, čo vymysleli s druhou verziou štandardu.
10BASE-T1S
Už z posledného písmena je jasné, že ide o protokol na krátke vzdialenosti. Ale prečo je to potrebné, ak T1L funguje na krátke vzdialenosti? Čítanie charakteristík:
- dosah až 15 m v režime point-to-point
- duplex alebo polovičný duplex
- проводники 24-26AWG (0.2-0.13мм2)
- symbolová rýchlosť 12.5 Mbaud
- DME, kódovanie 4B5B
- signál s amplitúdou 1V (1Vpp)
- až 4 medziľahlé konektory (a dva koncové konektory)
- žiadna podpora EEE
Zdá sa, že nič zvláštne. Tak na čo to je? Ale pre toto:
- dosah až 25 m vo viacbodovom režime (až 8 uzlov)
A to:
- prevádzkový režim s predchádzaním kolíziám PLCA RS (podvrstva zmierenia kolízií na úrovni PHY)
A toto je oveľa zaujímavejšie, však? Pretože pomáha výrazne znížiť počet káblov v ovládacích skriniach, strojoch, robotoch a autách. A už existujú návrhy na jeho použitie ako náhradu za I2C v serveroch, prepínačoch a inej elektronike.
Viacbodový režim má však svoje nevýhody. Hlavným je zdieľané médium na prenos dát. Samozrejme kolízie sa riešia pomocou CSMA/CD. Aké bude meškanie, však nie je známe. A pre niektoré aplikácie je to kritické. Preto bol v novom štandarde multipoint doplnený o špeciálny režim PLCA RS (pozri nasledujúcu časť).
Druhým nedostatkom je, že PoDL nefunguje v multipointe. To znamená, že napájanie bude musieť byť dodávané cez samostatný kábel alebo odvedené niekde na mieste.
V režime point-to-point však PoDL funguje aj na T1S.
PLCA RS
Tento režim funguje nasledovne:
- uzly si medzi sebou rozdelia identifikátory, uzol s ID=0 sa stáva koordinátorom
- koordinátor vydá signál BEACON do siete, ktorý indikuje začiatok nového prenosového cyklu a odošle svoj dátový paket
- po odoslaní dátového paketu sa prenosový rad presunie do ďalšieho uzla
- ak uzol nezačal vysielať v čase potrebnom na prenos 20 bitov, rad sa presunie na ďalší uzol
- keď všetky uzly preniesli dáta (alebo preskočili svoj ťah), koordinátor začne nový cyklus
Vo všeobecnosti sa podobá TDMA. Ale so zvláštnosťou, že uzol nevyužíva svoj časový rámec, ak nemá čo vysielať. A veľkosť rámu nie je presne definovaná, pretože... závisí od veľkosti dátového paketu prenášaného uzlom. A to všetko beží na štandardných 802.3 ethernetových rámcoch (PLCA RS je voliteľné, takže by mala existovať kompatibilita).
Výsledok použitia PLCA je znázornený nižšie v grafoch. Prvým je oneskorenie v závislosti od zaťaženia, druhým priepustnosť v závislosti od počtu vysielacích uzlov. Je zrejmé, že oneskorenie sa stalo oveľa predvídateľnejším. A v najhoršom prípade je to o 2 rády menej ako v najhoršom prípade CSMA/CD:
A kapacita kanála v prípade PLCA je vyššia, pretože sa nevynakladá na riešenie kolízií:
konektory
Spočiatku sme si vybrali zo 6 možností konektorov ponúkaných rôznymi spoločnosťami. V dôsledku toho sme sa rozhodli pre tieto dve možnosti:
Pre normálne prevádzkové podmienky bol zvolený LC konektor IEC 63171-1 od CommScope.
Pre drsné prostredia – rad konektorov IEC 63171-6 (predtým 61076-3-125) od spoločnosti HARTING. Tieto konektory sú navrhnuté pre stupne ochrany od IP20 do IP67.
Samozrejme, konektory a káble môžu byť buď UTP alebo STP.
Ostatné
Môžete použiť bežný štvorpárový ethernetový kábel, pričom každý pár použijete pre samostatný kanál SPE. Aby ste neťahali štyri samostatné káble niekde do diaľky. Alebo použite jednopárový kábel a na vzdialený koniec nainštalujte jednopárový ethernetový prepínač.
Alebo môžete tento prepínač pripojiť priamo k podnikovej lokálnej sieti, ak už bola sieť rozšírená na veľké vzdialenosti cez optické vlákna. Vložte tam senzory a tu si prečítajte hodnoty z nich. Priamo v sieti. Bez prevodníkov rozhraní a brán.
A nemusia to byť nevyhnutne senzory. Môžu to byť videokamery, interkomy alebo inteligentné žiarovky. Pohony niektorých ventilov alebo turniketov pri vchodoch.
Vyhliadky sa teda otvárajú zaujímavé. Samozrejme, je nepravdepodobné, že SPE nahradí všetky poľné autobusy. Ale uberie z nich poriadny kus. V autách určite.
PS Text normy som nenašiel vo verejnej doméne. Vyššie uvedené informácie boli zozbierané po kúskoch z rôznych prezentácií a materiálov dostupných na internete. Takže v ňom môžu byť nepresnosti.
Zdroj: hab.com