Kvarten Ethernet: gammal hastighet, nya möjligheter

Den 5 februari i år godkändes en ny standard för 10-megabit Ethernet. Ja, du läste rätt: tio megabit per sekund.

Vad behövs en så "liten" hastighet för i 21:a seklet? För att ersätta den djungel som döljer sig under det betungande namnet "fälldatabuss" — Profibus, Modbus, CC-Link, CAN, FlexRay, HART, etc. Det finns alldeles för många, de är inkompatibla med varandra och relativt svåra att konfigurera. Man vill helt enkelt bara koppla in en kabel till switchen, och that's it. Precis som med vanlig Ethernet.

Och snart kommer det att bli möjligt! Låt oss presentera: "802.3cg-2019 — IEEE Standard for Ethernet — Amendment 5: Physical Layer Specifications and Management Parameters for 10 Mb/s Operation and Associated Power Delivery over a Single Balanced Pair of Conductors."

Vad är det som gör denna nya Ethernet så intressant? Framförallt fungerar den över ett enda tvinnat par, och inte över fyra. Det innebär att den har färre kontakter och tunnare kablar. Man kan även använda redan installerade tvinnade par som går till sensorer och aktuatorer.

Du kan invända att Ethernet fungerar upp till 100 meter, men sensorerna är placerade mycket längre bort. Det var faktiskt ett problem tidigare. Men 802.3cg fungerar på avstånd upp till 1 km! Över ett par! Inte illa va?

Faktiskt är det ännu bättre: över samma par kan också ström levereras. Det är där vi börjar.

IEEE 802.3bu Power over Data Lines (PoDL)

Jag tror att många av er har hört talas om PoE (Power over Ethernet) och vet att två par ledningar krävs för att överföra ström. Ingång/utgång av ström görs i mittpunkterna av transformatorerna för varje par. Att göra detta med ett enda par är omöjligt. Därför var vi tvungna att göra på ett annat sätt. Hur exakt beskrivs i bilden nedan. För exempel har även klassisk PoE lagts till.

Här:
PSE – power sourcing equipment (strömförsörjningsutrustning)
PD – powered device (enhet i den andra änden som använder elektricitet)

Ursprungligen hade 802.3bu 10 klasser av strömförsörjning:

Tre villkorsfulla spänningsgraderingar av strömkällan markeras med färg: 12, 24 och 48 V.

Beteckningar:
Vpse — strömkällans spänning, V
Vpd min — minimi spänning på PD, V
I max — maximal ström i linjen, A
Ppd max — maximal effekt som PD drar, W

Med protokollet 802.3cg tillkom ytterligare 6 klasser:

Naturligtvis måste PSE och PD samordna effektklassningen innan full spänning tillförs. Detta görs med hjälp av SCCP (Serial Communications Classification Protocol). Det är ett låghastighetsprotokoll (333 bit/s) baserat på 1-Wire. Det fungerar endast när det inte finns någon huvudsaklig strömförsörjning på linjen (inklusive i viloläge).

I blockdiagrammet visas hur strömförsörjningen tillförs:

• en ström på 10 mA tillförs och förekomsten av en 4 V zenerdiod på andra änden kontrolleras
• effektklassningen samordnas
• huvudströmförsörjningen tillförs
• om förbrukningen faller under 10 mA – aktiveras viloläget (tillförsel av standby-ström på 3.3 V)
• om förbrukningen överskrider 1 mA – sker en utträde ur viloläget

Effektklassningen behöver inte göras om den redan är känd. Denna variant kallas Fast Startup Mode. Den används till exempel i bilar, eftersom det inte finns något behov av att ändra konfigurationen av den anslutna utrustningen.

Övergången till viloläge kan initieras av både PSE och PD.

Nu går vi vidare till beskrivningen av dataöverföring. Där är det också intressant: standarden definierar två arbetslägen – långdistans och kortdistans.

10BASE-T1L

Detta är en variant för lång räckvidd (long reach). Huvudegenskaperna är följande:

• räckvidd – upp till 1 km
• ledningar 18AWG (0.8 mm²)
• upp till 10 mellanliggande anslutningar (och två ändanslutningar)
• punkt-till-punkt-läge
• full duplex
• symbolhastighet 7.5 Mbaud
• modulering PAM-3, kodning 4B3T
• signal med amplitud 1 V (1 Vpp) eller 2.4 V
• stöd för Energy Efficient Ethernet (“quiet/refresh” EEE)

Det är uppenbart att denna variant är avsedd för industriell användning, åtkomstkontrollsystem, fastighetsautomation, hissar. För att styra chillers, luftkonditioneringar och fläktar som är placerade på taket. Eller värmepannor och pumpar som finns i tekniska utrymmen. Det vill säga, många olika tillämpningar utöver industrin. För att inte tala om Internet of Things (IoT).

Det är värt att nämna att 10BASE-T1 bara är en av standarderna för Single Pair Ethernet (SPE). Det finns även 100BASE-T1 (802.3bw) och 1000BASE-T1 (802.3bp). Sanningen är att de utvecklades för fordonsapplikationer, så där är räckvidden bara 15 (UTP) eller 40 meter (STP). Men det finns planer för en långdistansversion av 100BASE-T1L. Så i framtiden kommer autotuning av hastighet att läggas till.

Under the current agreement, a 'quick start' interface is declared: less than 100ms from power-on to the beginning of data exchange.

Another optional feature is the increase of transmission amplitude from 1 to 2.4V to improve the signal/noise ratio, reduce errors, and counteract industrial interference.

And, of course, EEE. This is a way to save electricity by turning off the transmitter when there is no data to send. The diagram shows how this looks:


No data – we send the message 'I’ve gone to sleep' and disconnect. Occasionally, we wake up and send the message 'I’m still here.' When data is available, the other side receives a warning 'I’m waking up' and transmission begins. That is, only the receivers are constantly active.

Now let’s see what has been devised for the second option of the standard.

10BASE-T1S

Already from the last letter, it's clear that this is a protocol for short distances (short reach). But why is it needed if T1L also works at short distances? Let’s read the specifications:

• range up to 15m in point-to-point mode
• duplex or half-duplex
• conductors 24-26AWG (0.2-0.13mm²)
• symbol rate 12.5Mbaud
• DME, 4B5B encoding
• signal with an amplitude of 1V (1Vpp)
• up to 4 intermediate connectors (and two terminal ones)
• no support for EEE

Nothing special so far. So what is it needed for? Here’s why:

• range up to 25m in multi-point mode (up to 8 nodes)

And this:

• operating mode with collision avoidance PLCA RS (PHY-Level Collision Avoidance Reconciliation Sublayer)

And this is already much more interesting, isn't it? It significantly helps reduce the number of wires in control cabinets, machines, robots, and cars. There are already suggestions to use it as a replacement for I2C in servrar, switches and other electronics.

But the multi-point mode has drawbacks. The main one is the shared data transmission medium. Naturally, collisions are resolved with CSMA/CD. But it is unknown how much delay there will be. This is critical for some applications. Therefore, the new standard has supplemented multi-point with a special mode PLCA RS (see the next section).

The second downside is that PoDL does not work in multi-point mode. This means that power will have to be supplied through a separate cable or sourced locally.

PoDL fungerar dock i punkt-till-punkt-läge även på T1S.

PLCA RS

Detta läge fungerar enligt följande:

• noderna fördelar identifierare sinsemellan, noden med ID=0 blir koordinator
• koordinatorn sänder ut ett BEACON-signal i nätverket som markerar början på en ny överföringscykel och överför sitt datapaket
• efter att datapaketet har skickats, går överföringskön till nästa nod
• om noden inte har inlett överföringen inom den tid som krävs för att skicka 20 bitar, går kön vidare till nästa nod
• när alla noder har skickat data (eller missat sin tur) inleder koordinatorn en ny cykel

Totalt liknar detta TDMA. Men med den egenskapen att noden inte använder sin tidsram om den inte har något att överföra. Och ramstorleken är inte strikt definierad, eftersom den beror på storleken på datapaketet som noden skickar. Och allt detta fungerar ovanpå standard Ethernet-ramar 802.3 (PLCA RS är inte obligatoriskt, så kompatibilitet måste finnas).

Resultatet av att använda PLCA visas nedan i graferna. Den första – fördröjningen beroende på belastningen, den andra – kapaciteten beroende på antalet sändande noder. Det är tydligt att fördröjningen har blivit mycket mer förutsägbar. I värsta fall är den två ordningar lägre än i värsta fallet med CSMA/CD:

Och kapaciteten i fallet med PLCA är högre, eftersom den inte används för att lösa kollisioner:

Kontakter

Ursprungligen valde vi mellan 6 olika kontaktalternativ föreslagna av olika företag. I slutändan valde vi dessa två alternativ:

För vanliga driftsförhållanden valdes LC-kontakten IEC 63171-1 från CommScope.

För svåra driftförhållanden valdes IEC 63171-6 (tidigare 61076-3-125) kontaktfamiljen från HARTING. Dessa kontakter är designade för skyddsnivåer från IP20 till IP67.

Självklart kan kontakter och kablar vara både UTP och STP.

Övrigt

Vanlig fyrledarkabel Ethernet kan användas, där varje par används för en separat SPE-kanal. För att inte behöva dra fyra separata kablar långt bort. Eller använda en enkelparskabel, och på den fjärrändan sätta en switch för enkelparsad Ethernet.

Kan man ansluta denna switch direkt till företagets lokala nätverk om nätverket redan är draget med fiber långt bort? Anslut där sensorer och se mätvärden här. Direkt över nätverket. Utan gränssnittskonverterare och gateways.

Och det behöver inte nödvändigtvis vara sensorer. Det kan vara övervakningskameror, dörrtelefoner eller "smarta" lampor. Aktuatorer för ventil eller turbin på passerkontroll.

Så det öppnar intressanta perspektiv. Även om SPE knappast kommer att ersätta alla fältbussar. Men en betydande del av dem kommer den att ta. Speciellt inom bilindustrin.

PS Jag har inte funnit texten till standarden i öppen tillgång. Informationen ovan har samlats från olika presentationer och material som finns tillgängliga på internet. Så det kan finnas fel i den.

Källa: habr.com