ไตรมาสของอีเธอร์เน็ต: ความเร็วแบบเก่า โอกาสใหม่

เมื่อวันที่ 5 กุมภาพันธ์ของปีนี้ มาตรฐานใหม่สำหรับ 10-Mbit Ethernet ได้รับการอนุมัติ ใช่ คุณอ่านถูกต้องแล้ว สิบเมกะบิตต่อวินาที

เหตุใดจึงจำเป็นต้องมีความเร็ว "เล็กน้อย" ในศตวรรษที่ 21 เพื่อแทนที่สวนสัตว์ที่ซ่อนอยู่ภายใต้ชื่อ "ฟิลด์บัส" อันกว้างขวาง - Profibus, Modbus, CC-Link, CAN, FlexRay, HART เป็นต้น มีมากเกินไป เข้ากันไม่ได้ และกำหนดค่าได้ค่อนข้างยาก แต่คุณเพียงแค่ต้องการเสียบสายเคเบิลเข้ากับสวิตช์ก็แค่นั้นแหละ เช่นเดียวกับอีเทอร์เน็ตทั่วไป

และอีกไม่นานก็จะเป็นไปได้! พบกับ: “802.3cg-2019 - มาตรฐาน IEEE สำหรับอีเธอร์เน็ต - การแก้ไข 5: ข้อมูลจำเพาะของเลเยอร์ทางกายภาพและพารามิเตอร์การจัดการสำหรับการทำงาน 10 Mb/s และการจ่ายพลังงานที่เกี่ยวข้องผ่านตัวนำไฟฟ้าคู่ที่สมดุลคู่เดียว”

มีอะไรน่าตื่นเต้นเกี่ยวกับอีเธอร์เน็ตใหม่นี้? ประการแรก มันใช้ได้กับคู่บิดเกลียวหนึ่งคู่ และไม่เกินสี่คู่ ดังนั้นจึงมีขั้วต่อน้อยลงและมีสายที่บางกว่า และคุณสามารถใช้สายคู่บิดเกลียวที่วางไว้แล้วไปยังเซ็นเซอร์และแอคชูเอเตอร์ได้

คุณอาจโต้แย้งว่าอีเธอร์เน็ตทำงานได้สูงถึง 100 เมตร แต่เซ็นเซอร์นั้นอยู่ไกลออกไปมาก อันที่จริงสิ่งนี้เคยเป็นปัญหา แต่ 802.3cg ทำงานได้ไกลถึง 1 กม.! ทีละคู่! ไม่เลว?

ยิ่งไปกว่านั้น ยังดีกว่า: สามารถจ่ายไฟผ่านคู่เดียวกันได้ นั่นคือจุดที่เราจะเริ่มต้น

IEEE 802.3bu จ่ายไฟผ่านสายข้อมูล (PoDL)

ฉันคิดว่าหลายท่านคงเคยได้ยินเกี่ยวกับ PoE (Power over Ethernet) และรู้ว่าจำเป็นต้องใช้สายไฟ 2 คู่ในการส่งพลังงาน กำลังไฟฟ้าเข้า/ออกทำที่จุดกึ่งกลางของหม้อแปลงแต่ละคู่ ไม่สามารถทำได้โดยใช้คู่เดียว ดังนั้นเราจึงต้องทำมันแตกต่างออกไป ดังแสดงในรูปด้านล่างอย่างไร ตัวอย่างเช่น มีการเพิ่ม PoE แบบคลาสสิกด้วย

ที่นี่:
PSE – อุปกรณ์จัดหาพลังงาน (แหล่งจ่ายไฟ)
PD – อุปกรณ์ขับเคลื่อน (อุปกรณ์ปลายทางที่ใช้พลังงานไฟฟ้า)

ในตอนแรก 802.3bu มีคลาสกำลัง 10 คลาส:

การไล่ระดับแรงดันไฟฟ้าแหล่งที่มาแบบธรรมดาสามระดับจะมีการเน้นด้วยสี: 12, 24 และ 48V

คำอธิบาย:
Vpse - แรงดันไฟฟ้าของแหล่งจ่ายไฟ, V
Vpd min - แรงดันไฟฟ้าขั้นต่ำบน PD, V
ฉันสูงสุด - กระแสสูงสุดในบรรทัด A
Ppd max — การใช้พลังงานสูงสุด PD, W

ด้วยการถือกำเนิดของโปรโตคอล 802.3cg จึงมีการเพิ่มคลาสอีก 6 คลาส:

แน่นอนว่าด้วยความหลากหลายดังกล่าว PSE และ PD จะต้องตกลงกันในเรื่องระดับกำลังก่อนที่จะใช้แรงดันไฟฟ้าเต็มรูปแบบ ทำได้โดยใช้ SCCP (Serial Communications Classification Protocol) นี่คือโปรโตคอลความเร็วต่ำ (333 bps) ที่ใช้ 1-Wire ใช้งานได้เฉพาะเมื่อไม่ได้จ่ายไฟหลักให้กับสาย (รวมถึงในโหมดสลีป)

แผนภาพบล็อกแสดงวิธีการจ่ายไฟ:

• โดยจะมีการจ่ายกระแสไฟ 10mA และตรวจสอบการมีซีเนอร์ไดโอด 4V ที่ปลายด้านนั้น
• ชนชั้นอำนาจตกลงกันได้
• มีการจ่ายไฟหลัก
• หากการบริโภคลดลงต่ำกว่า 10mA โหมดสลีปจะถูกเปิดใช้งาน (จ่ายไฟสแตนด์บาย 3.3V)
• หากการบริโภคเกิน 1mA โหมดสลีปจะออก

ไม่จำเป็นต้องตกลงเรื่องประเภทอาหารหากทราบล่วงหน้า ตัวเลือกนี้เรียกว่าโหมดเริ่มต้นอย่างรวดเร็ว มันถูกนำมาใช้เช่นในรถยนต์เพราะว่า ไม่จำเป็นต้องเปลี่ยนการกำหนดค่าของอุปกรณ์ที่เชื่อมต่อ

ทั้ง PSE และ PD สามารถเริ่มต้นโหมดสลีปได้

ตอนนี้เรามาดูคำอธิบายของการถ่ายโอนข้อมูลกัน สิ่งที่น่าสนใจเช่นกัน: มาตรฐานกำหนดโหมดการทำงานสองโหมด – ระยะไกลและในระยะทางสั้น ๆ

10BASE-T1L

นี่คือตัวเลือกการเข้าถึงระยะไกล ลักษณะสำคัญมีดังนี้:

• ช่วง – สูงสุด 1 กม
• ตัวนำ 18AWG (0.8mm2)
• ขั้วต่อกลางสูงสุด 10 ตัว (และขั้วต่อเทอร์มินัลสองตัว)
• โหมดการทำงานแบบจุดต่อจุด
• ฟูลดูเพล็กซ์
• อัตราสัญลักษณ์ 7.5 Mbaud
• การมอดูเลต PAM-3, การเข้ารหัส 4B3T
• สัญญาณที่มีแอมพลิจูด 1V (1Vpp) หรือ 2.4V
• รองรับอีเธอร์เน็ตประหยัดพลังงาน (“เงียบ/รีเฟรช” EEE)

แน่นอนว่าตัวเลือกนี้มีไว้สำหรับการใช้งานทางอุตสาหกรรม ระบบควบคุมการเข้าออก ระบบอัตโนมัติในอาคาร ลิฟต์ สำหรับควบคุมชิลเลอร์ เครื่องปรับอากาศ และพัดลมบนหลังคา หรือหม้อต้มน้ำร้อนและปั๊มที่อยู่ในห้องเทคนิค นั่นคือมีแอปพลิเคชันต่างๆ มากมายนอกเหนือจากอุตสาหกรรม ไม่ต้องพูดถึง Internet of Things (IoT)

เป็นที่น่าสังเกตว่า 10BASE-T1 เป็นเพียงหนึ่งในมาตรฐาน Single Pair Ethernet (SPE) นอกจากนี้ยังมี 100BASE-T1 (802.3bw) และ 1000BASE-T1 (802.3bp) จริงอยู่ว่าได้รับการพัฒนาสำหรับการใช้งานในยานยนต์ ดังนั้นระยะจึงมีเพียง 15 (UTP) หรือ 40 เมตร (STP) อย่างไรก็ตาม แผนได้รวม 100BASE-T1L ระยะไกลไว้แล้ว ดังนั้นในอนาคตพวกเขาจะเพิ่มความเร็วการเจรจาอัตโนมัติ

ในระหว่างนี้ ไม่ได้ใช้การประสานงาน - มีการประกาศ "การเริ่มต้นอย่างรวดเร็ว" ของอินเทอร์เฟซ: น้อยกว่า 100ms จากแหล่งจ่ายไฟจนถึงจุดเริ่มต้นของการแลกเปลี่ยนข้อมูล

อีกทางเลือกหนึ่ง (ทางเลือก) คือการเพิ่มแอมพลิจูดการส่งสัญญาณจาก 1 เป็น 2.4V เพื่อปรับปรุงอัตราส่วนสัญญาณต่อเสียงรบกวน ลดจำนวนข้อผิดพลาด และต่อต้านการรบกวนทางอุตสาหกรรม

และแน่นอนว่า EEE นี่เป็นวิธีการประหยัดพลังงานไฟฟ้าโดยการปิดเครื่องส่งสัญญาณหากไม่มีข้อมูลที่จะส่งสัญญาณในขณะนี้ แผนภาพแสดงลักษณะนี้:


ไม่มีข้อมูล - เราส่งข้อความ "ฉันไปนอนแล้ว" และตัดการเชื่อมต่อ บางครั้งเราตื่นขึ้นมาและส่งข้อความว่า “ฉันยังอยู่ที่นี่” เมื่อข้อมูลปรากฏขึ้น ฝั่งตรงข้ามจะแจ้งเตือนว่า "ฉันตื่นแล้ว" และเริ่มการส่งข้อมูล นั่นคือมีเพียงผู้รับเท่านั้นที่ทำงานอย่างต่อเนื่อง

ตอนนี้เรามาดูกันว่าพวกเขาคิดอย่างไรกับเวอร์ชันที่สองของมาตรฐาน

10BASE-T1S

จากอักษรตัวสุดท้ายเป็นที่ชัดเจนว่านี่เป็นโปรโตคอลสำหรับระยะทางสั้น ๆ แต่เหตุใดจึงจำเป็นหาก T1L ทำงานในระยะทางสั้น ๆ การอ่านลักษณะ:

• ระยะสูงสุด 15 เมตรในโหมดจุดต่อจุด
• ดูเพล็กซ์หรือฮาล์ฟดูเพล็กซ์
• проводники 24-26AWG (0.2-0.13мм2)
• อัตราสัญลักษณ์ 12.5 Mbaud
• DME เข้ารหัส 4B5B
• สัญญาณที่มีแอมพลิจูด 1V (1Vpp)
• ขั้วต่อกลางสูงสุด 4 ตัว (และขั้วต่อเทอร์มินัลสองตัว)
• ไม่รองรับ EEE

ดูเหมือนไม่มีอะไรพิเศษ แล้วมันมีไว้เพื่ออะไร? แต่สำหรับสิ่งนี้:

• ระยะสูงสุด 25 เมตรในโหมดมัลติพอยต์ (สูงสุด 8 นอต)

และนี่:

• โหมดการทำงานที่มีการหลีกเลี่ยงการชน PLCA RS (ชั้นย่อยการกระทบยอดการหลีกเลี่ยงการชนระดับ PHY)

และนี่น่าสนใจกว่ามากใช่ไหม? เพราะ ช่วยลดจำนวนสายไฟในตู้ควบคุม เครื่องจักร หุ่นยนต์ และรถยนต์ได้อย่างมาก และมีข้อเสนอให้ใช้แทน I2C ในเซิร์ฟเวอร์ สวิตช์ และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์อื่นๆ อยู่แล้ว

แต่โหมดมัลติพอยต์ก็มีข้อเสีย หลักคือสื่อกลางในการส่งข้อมูลที่ใช้ร่วมกัน แน่นอนว่าการชนกันได้รับการแก้ไขโดยใช้ CSMA/CD แต่ไม่รู้ว่าจะล่าช้าขนาดไหน และสำหรับบางแอปพลิเคชัน นี่เป็นสิ่งสำคัญ ดังนั้นในมาตรฐานใหม่ มัลติพอยต์จึงได้รับการเสริมด้วยโหมด PLCA RS พิเศษ (ดูหัวข้อถัดไป)

ข้อเสียเปรียบประการที่สองคือ PoDL ไม่ทำงานในแบบหลายจุด นั่นคือจะต้องจ่ายไฟผ่านสายเคเบิลแยกต่างหากหรือนำไปที่ใดที่หนึ่งในสถานที่

อย่างไรก็ตาม ในโหมดจุดต่อจุด PoDL ยังทำงานบน T1S อีกด้วย

บมจ.อาร์เอส

โหมดนี้ทำงานดังนี้:

• โหนดจะกระจายตัวระบุระหว่างกัน โหนดที่มี ID=0 จะกลายเป็นผู้ประสานงาน
• ผู้ประสานงานจะส่งสัญญาณ BEACON ไปยังเครือข่ายเพื่อระบุการเริ่มต้นรอบการส่งข้อมูลใหม่และส่งแพ็กเก็ตข้อมูล
• หลังจากส่งแพ็กเก็ตข้อมูลแล้ว คิวการส่งข้อมูลจะย้ายไปยังโหนดถัดไป
• หากโหนดไม่เริ่มส่งสัญญาณภายในเวลาที่กำหนดในการส่ง 20 บิต คิวจะย้ายไปยังโหนดถัดไป
• เมื่อโหนดทั้งหมดส่งข้อมูลแล้ว (หรือข้ามเทิร์น) ผู้ประสานงานจะเริ่มวงจรใหม่

โดยทั่วไปจะคล้ายกับ TDMA แต่ด้วยความพิเศษที่โหนดไม่ได้ใช้กรอบเวลาของมันหากไม่มีสิ่งใดที่จะส่ง และขนาดเฟรมไม่ได้กำหนดอย่างเคร่งครัดเพราะ... ขึ้นอยู่กับขนาดของแพ็กเก็ตข้อมูลที่ส่งโดยโหนด และทั้งหมดนี้ทำงานบนเฟรมอีเธอร์เน็ต 802.3 มาตรฐาน (PLCA RS เป็นตัวเลือก ดังนั้นจึงควรมีความเข้ากันได้)

ผลลัพธ์ของการใช้ PLCA แสดงไว้ด้านล่างในกราฟ ประการแรกคือความล่าช้าขึ้นอยู่กับโหลด ประการที่สองคือปริมาณงานขึ้นอยู่กับจำนวนโหนดการส่งสัญญาณ เห็นได้ชัดว่าความล่าช้าสามารถคาดเดาได้มากขึ้น และในกรณีที่เลวร้ายที่สุดคือ 2 ลำดับความสำคัญน้อยกว่าในกรณีที่เลวร้ายที่สุด CSMA/CD:

และความจุของช่องสัญญาณในกรณีของ PLCA จะสูงกว่าเพราะว่า ไม่ได้ใช้ในการแก้ไขการชน:

การเชื่อมต่อ

ในตอนแรก เราเลือกจากตัวเลือกตัวเชื่อมต่อ 6 แบบที่นำเสนอโดยบริษัทต่างๆ ด้วยเหตุนี้ เราจึงตัดสินใจเลือกสองตัวเลือกนี้:

สำหรับสภาวะการทำงานปกติ ได้มีการเลือกตัวเชื่อมต่อ IEC 63171-1 LC ของ CommScope

สำหรับสภาพแวดล้อมที่รุนแรง – กลุ่มตัวเชื่อมต่อ IEC 63171-6 (เดิมคือ 61076-3-125) จาก HARTING ขั้วต่อเหล่านี้ได้รับการออกแบบมาเพื่อระดับการป้องกันตั้งแต่ IP20 ถึง IP67

แน่นอนว่าตัวเชื่อมต่อและสายเคเบิลอาจเป็น UTP หรือ STP ก็ได้

อื่น ๆ

คุณสามารถใช้สายเคเบิลอีเทอร์เน็ตสี่คู่ปกติได้ โดยใช้แต่ละคู่สำหรับช่อง SPE แยกกัน เพื่อไม่ให้ดึงสายเคเบิลสี่เส้นแยกจากกันที่ไหนสักแห่งในระยะไกล หรือใช้สายเคเบิลคู่เดียว และติดตั้งสวิตช์อีเทอร์เน็ตคู่เดียวที่ปลายสุด

หรือคุณสามารถเชื่อมต่อสวิตช์นี้เข้ากับเครือข่ายท้องถิ่นขององค์กรได้โดยตรง หากมีการขยายเครือข่ายในระยะทางไกลผ่านใยแก้วนำแสงแล้ว ติดเซ็นเซอร์ไว้ตรงนั้น และอ่านค่าที่อ่านได้ที่นี่ โดยตรงบนเครือข่าย ไม่มีตัวแปลงอินเทอร์เฟซและเกตเวย์

และสิ่งเหล่านี้ไม่จำเป็นต้องเป็นเซ็นเซอร์เสมอไป อาจมีกล้องวิดีโอ อินเตอร์คอม หรือหลอดไฟอัจฉริยะ การขับเคลื่อนวาล์วหรือประตูหมุนบางส่วนที่ทางเข้า

ดังนั้นโอกาสในการเปิดตัวจึงน่าสนใจ แน่นอนว่าไม่น่าเป็นไปได้ที่ SPE จะมาแทนที่รถบัสสนามทั้งหมด แต่เขาจะเอาส่วนที่ยุติธรรมออกจากพวกเขา ในรถยนต์อย่างแน่นอน

ป.ล. ฉันไม่พบข้อความของมาตรฐานในสาธารณสมบัติ ข้อมูลข้างต้นรวบรวมทีละชิ้นจากการนำเสนอและสื่อต่างๆ ที่มีอยู่บนอินเทอร์เน็ต ดังนั้นอาจมีความคลาดเคลื่อนอยู่ในนั้น

ที่มา: will.com