5. februarja letos je bil potrjen nov standard za 10-Mbit Ethernet. Da, prav ste prebrali: deset megabitov na sekundo.
Zakaj je v 21. stoletju potrebna tako "majhna" hitrost? Za zamenjavo živalskega vrta, ki se skriva pod obsežnim imenom "field bus" - Profibus, Modbus, CC-Link, CAN, FlexRay, HART itd. Preveč jih je, med seboj so nekompatibilni in jih je relativno težko konfigurirati. Toda samo želite priključiti kabel na stikalo in to je to. Enako kot pri navadnem ethernetu.
In kmalu bo to mogoče! Spoznajte: “802.3cg-2019 – Standard IEEE za Ethernet – Dopolnilo 5: Specifikacije fizičnega sloja in parametri upravljanja za delovanje s hitrostjo 10 Mb/s in s tem povezano dostavo energije prek enega samega uravnoteženega para prevodnikov.”
Kaj je tako vznemirljivega na tem novem Ethernetu? Prvič, deluje na enem sukanem paru in ne na štirih. Zato ima manj priključkov in tanjše kable. In lahko uporabite že položen dvožilni kabel, ki gre do senzorjev in aktuatorjev.
Lahko trdite, da Ethernet deluje do 100 metrov, vendar so senzorji nameščeni veliko dlje. Res je, včasih je bil to problem. Toda 802.3cg deluje na razdalji do 1 km! En par naenkrat! Ni slabo?
Pravzaprav še bolje: prek istega para se lahko napaja tudi. Tam bomo začeli.
IEEE 802.3bu Power over Data Lines (PoDL)
Mislim, da ste mnogi že slišali za PoE (Power over Ethernet) in veste, da sta za prenos energije potrebna 2 para žic. Vhod/izhod moči se izvaja na srednjih točkah transformatorjev vsakega para. Tega ni mogoče storiti z enim parom. Zato smo morali narediti drugače. Kako točno, je prikazano na spodnji sliki. Dodan je bil na primer tudi klasični PoE.
Tukaj:
PSE – oprema za napajanje (napajalnik)
PD – powered device (oddaljena naprava, ki porablja elektriko)
Na začetku je imel 802.3bu 10 razredov moči:
Barvno so označene tri običajne stopnje napetosti vira: 12, 24 in 48 V.
Notacija:
Vpse - napajalna napetost, V
Vpd min - najmanjša napetost na PD, V
I max - največji tok v liniji, A
Ppd max — največja poraba energije PD, W
S prihodom protokola 802.3cg je bilo dodanih še 6 razredov:
Seveda se morata pri takšni raznolikosti PSE in PD dogovoriti o razredu moči pred uporabo polne napetosti. To se izvede z uporabo SCCP (Serial Communications Classification Protocol). To je nizkohitrostni protokol (333 bps), ki temelji na 1-Wire. Deluje le, če glavno napajanje ni dobavljeno v linijo (vključno v načinu mirovanja).
Blokovni diagram prikazuje, kako se napaja:
- dovaja se tok 10 mA in preveri se prisotnost 4V zener diode na tem koncu
- razred moči je dogovorjen
- je napajano glavno napajanje
- če poraba pade pod 10mA, se aktivira način mirovanja (napajanje v stanju pripravljenosti 3.3V)
- če poraba preseže 1mA, se način mirovanja izklopi
O razredu živila se ni treba dogovarjati, če je ta vnaprej znan. Ta možnost se imenuje način hitrega zagona. Uporablja se denimo v avtomobilih, saj konfiguracije priključene opreme ni treba spreminjati.
Tako PSE kot PD lahko sprožita način mirovanja.
Zdaj pa preidimo na opis prenosa podatkov. Zanimivo je tudi tam: standard določa dva načina delovanja - na velike razdalje in na kratke razdalje.
10BASE-T1L
To je možnost dolgega dosega. Glavne značilnosti so naslednje:
- doseg - do 1 km
- vodniki 18AWG (0.8 mm2)
- do 10 vmesnih konektorjev (in dva terminalna konektorja)
- način delovanja od točke do točke
- polni dupleks
- simbolna hitrost 7.5 Mbaud
- PAM-3 modulacija, 4B3T kodiranje
- signal z amplitudo 1V (1Vpp) ali 2.4V
- Podpora za energijsko učinkovit Ethernet (»tihi/osvežilni« EEE).
Očitno je ta možnost namenjena industrijskim aplikacijam, sistemom za nadzor dostopa, avtomatizaciji zgradb, dvigalom. Za krmiljenje hladilnikov, klimatskih naprav in ventilatorjev na strehah. Ali ogrevalni kotli in črpalke, ki se nahajajo v tehničnih prostorih. To pomeni, da obstaja veliko različnih aplikacij poleg industrije. Da ne omenjam interneta stvari (IoT).
Omeniti velja, da je 10BASE-T1 le eden od standardov Single Pair Ethernet (SPE). Obstajata tudi 100BASE-T1 (802.3bw) in 1000BASE-T1 (802.3bp). Res je, da so bili razviti za uporabo v avtomobilski industriji, zato je tam doseg le 15 (UTP) ali 40 metrov (STP). Vendar pa načrti že vključujejo 100BASE-T1L velikega dosega. Tako bodo v prihodnosti dodali samodejno pogajanje o hitrosti.
Medtem se koordinacija ne uporablja - deklariran je "hitri zagon" vmesnika: manj kot 100 ms od napajanja do začetka izmenjave podatkov.
Druga možnost (neobvezna) je povečanje amplitude prenosa z 1 na 2.4 V, da se izboljša razmerje med signalom in šumom, zmanjša število napak in prepreči industrijske motnje.
In seveda EEE. To je način varčevanja z elektriko tako, da izklopite oddajnik, če trenutno ni podatkov za prenos. Diagram prikazuje, kako to izgleda:
Ni podatkov - pošljemo sporočilo "Šel sem spat" in prekinemo povezavo. Občasno se zbudimo in pošljemo sporočilo "Še vedno sem tukaj." Ko se prikažejo podatki, je nasprotna stran opozorjena »Zbujam se« in prenos se začne. To pomeni, da nenehno delujejo samo sprejemniki.
Zdaj pa poglejmo, kaj so prišli do druge različice standarda.
10BASE-T1S
Že iz zadnje črke je razvidno, da gre za protokol za kratke razdalje. Toda zakaj je to potrebno, če T1L deluje na kratkih razdaljah? Branje značilnosti:
- doseg do 15 m v načinu od točke do točke
- dupleks ali pol dupleks
- проводники 24-26AWG (0.2-0.13мм2)
- simbolna hitrost 12.5 Mbaud
- DME, oznaka 4B5B
- signal z amplitudo 1V (1Vpp)
- do 4 vmesne konektorje (in dva terminalna konektorja)
- ni podpore za EEE
Zdi se, da ni nič posebnega. Torej čemu služi? Ampak za tole:
- doseg do 25m v večtočkovnem načinu (do 8 vozlov)
In to:
- način delovanja z izogibanjem trkom PLCA RS (PHY-Level Collision Avoidance Reconciliation Sublayer)
In to je veliko bolj zanimivo, kajne? Ker pomaga močno zmanjšati število žic v krmilnih omaricah, strojih, robotih in avtomobilih. In že obstajajo predlogi, da bi ga uporabili kot zamenjavo za I2C v strežnikih, stikalih in drugi elektroniki.
Toda večtočkovni način ima svoje pomanjkljivosti. Glavni je skupni medij za prenos podatkov. Seveda se kolizije rešujejo s CSMA/CD. Ni pa znano, kakšna bo zamuda. In za nekatere aplikacije je to kritično. Zato je bil v novem standardu multipoint dopolnjen s posebnim načinom PLCA RS (glej naslednji razdelek).
Druga pomanjkljivost je, da PoDL ne deluje v več točkah. To pomeni, da bo treba napajanje napajati prek ločenega kabla ali vzeti nekje na mestu.
Vendar v načinu od točke do točke PoDL deluje tudi na T1S.
PLCA RS
Ta način deluje na naslednji način:
- vozlišča med seboj razdelijo identifikatorje, vozlišče z ID=0 postane koordinator
- koordinator izda signal BEACON omrežju, ki označuje začetek novega prenosnega cikla in odda svoj podatkovni paket
- po prenosu podatkovnega paketa se prenosna čakalna vrsta premakne na naslednje vozlišče
- če vozlišče ni začelo pošiljati v času, potrebnem za prenos 20 bitov, se čakalna vrsta premakne na naslednje vozlišče
- ko vsa vozlišča oddajo podatke (ali preskočijo svojo vrsto), začne koordinator nov cikel
Na splošno je podoben TDMA. Toda s to posebnostjo, da vozlišče ne uporablja svojega časovnega okvira, če nima ničesar za oddajanje. In velikost okvirja ni strogo določena, ker ... odvisno od velikosti podatkovnega paketa, ki ga prenaša vozlišče. In vse deluje na standardnih okvirih 802.3 Ethernet (PLCA RS ni obvezen, zato bi morala obstajati združljivost).
Rezultat uporabe PLCA je prikazan spodaj v grafih. Prva je zakasnitev glede na obremenitev, druga je prepustnost glede na število oddajnih vozlišč. Jasno je opazno, da je zamuda postala veliko bolj predvidljiva. In v najslabšem primeru je 2 reda velikosti manj kot v najslabšem primeru CSMA/CD:
In zmogljivost kanala v primeru PLCA je večja, ker se ne porabi za reševanje kolizij:
Konektorji
Na začetku smo izbirali med 6 možnostmi konektorjev, ki so jih ponujala različna podjetja. Posledično smo se odločili za ti dve možnosti:
Za normalne delovne pogoje je bil izbran CommScope IEC 63171-1 LC priključek.
Za težka okolja – družina konektorjev IEC 63171-6 (prej 61076-3-125) podjetja HARTING. Ti priključki so zasnovani za stopnje zaščite od IP20 do IP67.
Seveda so konektorji in kabli lahko UTP ali STP.
Drugo
Uporabite lahko običajni ethernetni kabel s štirimi pari, pri čemer vsak par uporabite za ločen kanal SPE. Da ne bi nekje v daljavo vlekli štiri ločene kable. Ali pa uporabite kabel z enim parom in namestite stikalo Ethernet z enim parom na skrajnem koncu.
Ali pa lahko to stikalo povežete neposredno z lokalnim omrežjem podjetja, če je omrežje že razširjeno na velike razdalje prek optičnih vlaken. Vanj vstavite senzorje in tukaj preberite njihove odčitke. Neposredno v omrežju. Brez pretvornikov vmesnikov in prehodov.
In ni nujno, da so to senzorji. Morda so video kamere, domofoni ali pametne žarnice. Pogoni nekaterih ventilov ali zasunov na vhodih.
Obeti se torej odpirajo zanimivi. Seveda je malo verjetno, da bo SPE nadomestil vse terenske avtobuse. Bo pa od njih odvzel pošten kos. Vsekakor v avtomobilih.
PS Besedila standarda nisem našel v javni domeni. Zgornje informacije so bile zbrane po delih iz različnih predstavitev in materialov, dostopnih na internetu. Torej so lahko v njem netočnosti.
Vir: www.habr.com