Vào ngày 5 tháng 10 năm nay, tiêu chuẩn mới cho Ethernet XNUMX Mbit đã được phê duyệt. Vâng, bạn đã đọc đúng: mười megabit mỗi giây.
Tại sao tốc độ “nhỏ” như vậy lại cần thiết trong thế kỷ 21? Để thay thế vườn thú ẩn dưới cái tên đầy sức mạnh “xe buýt trường” - Profibus, Modbus, CC-Link, CAN, FlexRay, HART, v.v. Có quá nhiều trong số chúng, chúng không tương thích với nhau và tương đối khó cấu hình. Nhưng bạn chỉ cần cắm cáp vào switch là xong. Tương tự như với Ethernet thông thường.
Và nó sẽ sớm có thể! Gặp gỡ: “802.3cg-2019 - Tiêu chuẩn IEEE cho Ethernet - Bản sửa đổi 5: Thông số quản lý và thông số kỹ thuật của lớp vật lý cho hoạt động 10 Mb/giây và phân phối điện liên kết qua một cặp dây dẫn cân bằng duy nhất.”
Điều gì thú vị về Ethernet mới này? Trước hết, nó hoạt động trên một cặp xoắn chứ không phải trên bốn. Do đó, nó có ít đầu nối hơn và dây cáp mỏng hơn. Và bạn có thể sử dụng cáp xoắn đôi đã được đặt sẵn để đi tới các cảm biến và bộ truyền động.
Bạn có thể tranh luận rằng Ethernet hoạt động ở phạm vi lên tới 100 mét, nhưng các cảm biến được đặt xa hơn nhiều. Quả thực, điều này từng là một vấn đề. Nhưng 802.3cg hoạt động ở khoảng cách lên tới 1 km! Mỗi lần một cặp! Không tệ?
Trên thực tế, thậm chí còn tốt hơn: nguồn điện cũng có thể được cung cấp thông qua cùng một cặp. Đó là nơi chúng ta sẽ bắt đầu.
IEEE 802.3bu cấp nguồn qua đường dữ liệu (PoDL)
Tôi nghĩ nhiều bạn đã nghe nói về PoE (Cấp nguồn qua Ethernet) và biết rằng cần có 2 cặp dây để truyền tải điện. Nguồn điện vào/ra được thực hiện tại các điểm giữa của máy biến áp của mỗi cặp. Điều này không thể được thực hiện bằng cách sử dụng một cặp. Vì vậy, chúng tôi phải làm điều đó khác đi. Làm thế nào chính xác được thể hiện trong hình dưới đây. Ví dụ, PoE cổ điển cũng đã được thêm vào.
Đây:
PSE – thiết bị cung cấp điện (nguồn điện)
PD – thiết bị hỗ trợ (thiết bị đầu xa tiêu thụ điện)
Ban đầu, 802.3bu có 10 loại sức mạnh:
Ba mức điện áp nguồn thông thường được tô sáng bằng màu: 12, 24 và 48V.
Ghi chú:
Vpse - điện áp nguồn, V
Vpd min - điện áp tối thiểu trên PD, V
I max - dòng điện tối đa trong dòng, A
Ppd max — mức tiêu thụ điện năng tối đa PD, W
Với sự ra đời của giao thức 802.3cg, 6 lớp nữa đã được thêm vào:
Tất nhiên, với sự đa dạng như vậy, PSE và PD phải thống nhất về cấp công suất trước khi cấp điện áp tối đa. Điều này được thực hiện bằng cách sử dụng SCCP (Giao thức phân loại truyền thông nối tiếp). Đây là giao thức tốc độ thấp (333 bps) dựa trên 1-Wire. Nó chỉ hoạt động khi nguồn điện chính không được cấp vào đường dây (kể cả ở chế độ ngủ).
Sơ đồ khối cho thấy nguồn điện được cung cấp như thế nào:
- dòng điện 10mA được cung cấp và sự hiện diện của diode zener 4V ở đầu đó được kiểm tra
- lớp quyền lực đã được thống nhất
- nguồn điện chính được cung cấp
- nếu mức tiêu thụ giảm xuống dưới 10mA, chế độ ngủ sẽ được kích hoạt (nguồn điện dự phòng 3.3V)
- nếu mức tiêu thụ vượt quá 1mA, chế độ ngủ sẽ thoát
Không cần phải thống nhất về loại thực phẩm nếu đã biết trước. Tùy chọn này được gọi là Chế độ khởi động nhanh. Nó được sử dụng, ví dụ, trong ô tô, bởi vì không cần thay đổi cấu hình của thiết bị được kết nối.
Cả PSE và PD đều có thể khởi động chế độ ngủ.
Bây giờ hãy chuyển sang mô tả về truyền dữ liệu. Điều thú vị ở đây là: tiêu chuẩn xác định hai chế độ hoạt động – tầm xa và khoảng cách ngắn.
10BASE-T1L
Đây là một lựa chọn tầm xa. Các đặc điểm chính như sau:
- phạm vi - lên tới 1 km
- dây dẫn 18AWG (0.8mm2)
- tối đa 10 đầu nối trung gian (và hai đầu nối đầu cuối)
- chế độ hoạt động điểm-điểm
- song công
- tốc độ ký hiệu 7.5 Mbaud
- Điều chế PAM-3, mã hóa 4B3T
- tín hiệu có biên độ 1V (1Vpp) hoặc 2.4V
- Hỗ trợ Ethernet hiệu quả năng lượng (“yên tĩnh/làm mới” EEE)
Rõ ràng, tùy chọn này dành cho các ứng dụng công nghiệp, hệ thống kiểm soát truy cập, tự động hóa tòa nhà, thang máy. Để điều khiển máy làm lạnh, máy điều hòa không khí và quạt đặt trên mái nhà. Hoặc sưởi ấm nồi hơi và máy bơm đặt trong phòng kỹ thuật. Nghĩa là, có rất nhiều ứng dụng khác nhau ngoài công nghiệp. Chưa kể đến Internet of Things (IoT).
Điều đáng nói là 10BASE-T1 chỉ là một trong những tiêu chuẩn Ethernet cặp đơn (SPE). Ngoài ra còn có 100BASE-T1 (802.3bw) và 1000BASE-T1 (802.3bp). Đúng, chúng được phát triển cho các ứng dụng ô tô, vì vậy phạm vi chỉ có 15 (UTP) hoặc 40 mét (STP). Tuy nhiên, các kế hoạch đã bao gồm 100BASE-T1L tầm xa. Vì vậy, trong tương lai họ sẽ thêm tính năng tự động đàm phán tốc độ.
Trong khi đó, sự phối hợp không được sử dụng - "khởi động nhanh" của giao diện được khai báo: dưới 100ms từ khi cấp nguồn đến khi bắt đầu trao đổi dữ liệu.
Một tùy chọn khác (tùy chọn) là tăng biên độ truyền từ 1 lên 2.4V để cải thiện tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm, giảm số lượng lỗi và chống nhiễu công nghiệp.
Và tất nhiên là EE. Đây là cách tiết kiệm điện bằng cách tắt máy phát nếu hiện tại không có dữ liệu để truyền. Sơ đồ cho thấy điều này trông như thế nào:
Không có dữ liệu - chúng tôi gửi tin nhắn “Tôi đã đi ngủ” và ngắt kết nối. Thỉnh thoảng chúng ta thức dậy và gửi tin nhắn “Tôi vẫn ở đây”. Khi dữ liệu xuất hiện, phía đối diện sẽ được cảnh báo “Tôi đang thức dậy” và quá trình truyền bắt đầu. Tức là chỉ có máy thu mới hoạt động liên tục.
Bây giờ hãy xem họ đã nghĩ ra điều gì với phiên bản thứ hai của tiêu chuẩn.
10BASE-T1S
Ngay từ bức thư cuối cùng, rõ ràng đây là một giao thức dành cho khoảng cách ngắn. Nhưng tại sao lại cần thiết nếu T1L hoạt động ở khoảng cách ngắn? Đọc đặc điểm:
- phạm vi lên tới 15m ở chế độ điểm-điểm
- song công hoặc bán song công
- проводники 24-26AWG (0.2-0.13мм2)
- tốc độ ký hiệu 12.5 Mbaud
- DME, mã hóa 4B5B
- tín hiệu có biên độ 1V (1Vpp)
- tối đa 4 đầu nối trung gian (và hai đầu nối đầu cuối)
- không hỗ trợ EEE
Có vẻ như không có gì đặc biệt. Vậy nó dùng để làm gì? Nhưng đối với điều này:
- phạm vi lên tới 25m ở chế độ đa điểm (tối đa 8 hải lý)
Và cái này:
- chế độ vận hành với tính năng tránh va chạm PLCA RS (Lớp con hòa giải tránh va chạm cấp độ PHY)
Và điều này thú vị hơn nhiều phải không? Bởi vì giúp giảm đáng kể số lượng dây dẫn trong tủ điều khiển, máy móc, robot, ô tô. Và đã có đề xuất sử dụng nó để thay thế I2C trong máy chủ, bộ chuyển mạch và các thiết bị điện tử khác.
Nhưng chế độ đa điểm có nhược điểm của nó. Cái chính là phương tiện truyền dữ liệu dùng chung. Tất nhiên, xung đột được giải quyết bằng CSMA/CD. Nhưng không biết độ trễ sẽ là bao nhiêu. Và đối với một số ứng dụng, điều này rất quan trọng. Do đó, trong tiêu chuẩn mới, đa điểm đã được bổ sung chế độ PLCA RS đặc biệt (xem phần tiếp theo).
Hạn chế thứ hai là PoDL không hoạt động ở chế độ đa điểm. Nghĩa là, nguồn điện sẽ phải được cung cấp qua cáp riêng hoặc được lấy ở đâu đó tại chỗ.
Tuy nhiên, ở chế độ điểm-điểm, PoDL cũng hoạt động trên T1S.
PLCA RS
Chế độ này hoạt động như sau:
- các nút phân phối số nhận dạng cho nhau, nút có ID=0 sẽ trở thành người điều phối
- điều phối viên phát tín hiệu BEACON tới mạng, cho biết sự bắt đầu của chu kỳ truyền mới và truyền gói dữ liệu của nó
- sau khi truyền gói dữ liệu, hàng đợi truyền sẽ chuyển sang nút tiếp theo
- nếu nút chưa bắt đầu truyền trong khoảng thời gian cần thiết để truyền 20 bit, hàng đợi sẽ chuyển sang nút tiếp theo
- khi tất cả các nút đã truyền dữ liệu (hoặc bỏ qua lượt của chúng), điều phối viên sẽ bắt đầu một chu kỳ mới
Nói chung nó giống với TDMA. Nhưng điểm đặc biệt là nút này không sử dụng khung thời gian của nó nếu nó không có gì để truyền tải. Và kích thước khung hình không được xác định nghiêm ngặt, bởi vì... phụ thuộc vào kích thước của gói dữ liệu được truyền bởi nút. Và tất cả đều chạy trên các khung Ethernet 802.3 tiêu chuẩn (PLCA RS là tùy chọn, do đó cần có khả năng tương thích).
Kết quả của việc sử dụng PLCA được thể hiện dưới dạng biểu đồ. Đầu tiên là độ trễ tùy thuộc vào tải, thứ hai là thông lượng tùy thuộc vào số lượng nút truyền. Có thể nhận thấy rõ ràng rằng sự chậm trễ đã trở nên dễ dự đoán hơn nhiều. Và trong trường hợp xấu nhất, nó nhỏ hơn 2 bậc so với trường hợp xấu nhất CSMA/CD:
Và dung lượng kênh trong trường hợp PLCA cao hơn, bởi vì không được dùng để giải quyết xung đột:
Kết nối
Ban đầu, chúng tôi chọn từ 6 tùy chọn đầu nối do các công ty khác nhau cung cấp. Kết quả là chúng tôi đã quyết định theo hai lựa chọn sau:
Đối với điều kiện hoạt động bình thường, đầu nối LC IEC 63171-1 của CommScope đã được chọn.
Dành cho môi trường khắc nghiệt – dòng đầu nối IEC 63171-6 (trước đây là 61076-3-125) của HARTING. Các đầu nối này được thiết kế để có mức bảo vệ từ IP20 đến IP67.
Tất nhiên, đầu nối và cáp có thể là UTP hoặc STP.
Khác
Bạn có thể sử dụng cáp Ethernet bốn cặp thông thường, sử dụng mỗi cặp cho một kênh SPE riêng biệt. Để không kéo bốn sợi cáp riêng biệt ra xa. Hoặc sử dụng cáp một cặp và lắp đặt bộ chuyển mạch Ethernet một cặp ở đầu xa.
Hoặc bạn có thể kết nối bộ chuyển mạch này trực tiếp với mạng cục bộ của doanh nghiệp, nếu mạng đã được mở rộng trên khoảng cách xa thông qua cáp quang. Dán cảm biến vào đó và đọc kết quả từ chúng ở đây. Trực tiếp trên mạng. Không có bộ chuyển đổi giao diện và cổng.
Và đây không nhất thiết phải là cảm biến. Có thể có máy quay video, hệ thống liên lạc nội bộ hoặc bóng đèn thông minh. Dẫn động một số van hoặc cửa quay ở lối vào.
Vì vậy, triển vọng đang mở ra thú vị. Tất nhiên, khó có khả năng SPE sẽ thay thế tất cả các xe buýt dã chiến. Nhưng anh ấy sẽ lấy đi một phần khá lớn từ chúng. Chắc chắn là trong ô tô.
Tái bút Tôi không tìm thấy văn bản của tiêu chuẩn trong phạm vi công cộng. Thông tin trên được thu thập từng phần từ nhiều bài thuyết trình và tài liệu khác nhau có sẵn trên Internet. Vì vậy có thể có những điểm không chính xác trong đó.
Nguồn: www.habr.com