今年 5 月 10 日，XNUMX Mbit 以太网新标准获得批准。 是的，您没有看错：每秒十兆比特。
为什么21世纪需要这么“小”的速度？ 取代隐藏在“现场总线”这个宽泛名称下的动物园——Profibus、Modbus、CC-Link、CAN、FlexRay、HART 等。 它们数量太多，互相不兼容，配置起来也比较困难。 但您只需将电缆插入交换机即可。 与常规以太网相同。
很快这将成为可能！ 满足：“802.3cg-2019 - IEEE 以太网标准 - 修正案 5：通过单对平衡导体实现 10 Mb/s 操作和相关电力传输的物理层规范和管理参数。”
这个新的以太网有什么令人兴奋的地方？ 首先，它适用于一根双绞线，而不是四根双绞线。 因此，它的连接器更少，电缆更细。 您可以使用已铺设的双绞线电缆连接传感器和执行器。
您可能会说以太网的工作距离可达 100 米，但传感器的位置要远得多。 确实，这曾经是一个问题。 但 802.3cg 的工作距离可达 1 公里！ 一次一对！ 不错？
事实上，更好的是：还可以通过同一对电源供电。 这就是我们要开始的地方。
IEEE 802.3bu 数据线供电 (PoDL)
我想你们很多人都听说过 PoE（以太网供电）并且知道需要 2 对电线来传输电力。 电源输入/输出在每对变压器的中点进行。 使用一对无法完成此操作。 因此，我们必须采取不同的做法。 具体如何如下图所示。 例如，还添加了经典的 PoE。
在这里：
PSE——电源设备（电源）
PD – 受电设备（消耗电力的远端设备）
最初，802.3bu 有 10 个功率等级：
电源电压的三种传统等级以颜色突出显示：12、24 和 48V。
注：
Vpse — 电源电压，V
Vpd min - PD 上的最小电压，V
I max — 线路中的最大电流，A
Ppd max — 最大功耗 PD，W
随着 802.3cg 协议的出现，又添加了 6 个类：
当然，由于存在这种多样性，PSE 和 PD 在施加全电压之前必须就功率等级达成一致。 这是使用 SCCP（串行通信分类协议）完成的。 这是一种基于 333-Wire 的低速协议 (1 bps)。 它仅在主电源未提供给线路时（包括在睡眠模式下）工作。
该框图显示了如何供电：
- 提供 10mA 的电流，并检查该端是否存在 4V 齐纳二极管
- 功率等级已商定
- 主电源已供电
- 如果消耗低于10mA，则激活睡眠模式（提供备用电源3.3V）
- 如果消耗超过1mA，则退出睡眠模式
如果提前知道，则无需就食品类别达成一致。 此选项称为快速启动模式。 例如，它被用在汽车上，因为无需更改所连接设备的配置。
PSE 和 PD 都可以启动睡眠模式。
现在让我们继续描述数据传输。 这也很有趣：该标准定义了两种操作模式——远程和短距离。
10BASE-T1L
这是一个长距离的选择。 主要特点如下：
- 范围 – 长达 1 公里
- 导体 18AWG (0.8mm2)
- 最多 10 个中间连接器（以及两个端子连接器）
- 点对点操作模式
- 全双工
- 符号率 7.5 Mbaud
- PAM-3调制，4B3T编码
- 幅度为 1V (1Vpp) 或 2.4V 的信号
- 节能以太网（“安静/刷新”EEE）支持
显然，该选项适用于工业应用、门禁系统、楼宇自动化、电梯。 用于控制位于屋顶的冷却器、空调和风扇。 或者位于技术室的加热锅炉和泵。 也就是说，除了工业之外，还有很多不同的应用。 更不用说物联网（IoT）了。
值得一提的是，10BASE-T1只是单对以太网（SPE）标准之一。 还有 100BASE-T1 (802.3bw) 和 1000BASE-T1 (802.3bp)。 诚然，它们是为汽车应用而开发的，因此范围只有 15 米 (UTP) 或 40 米 (STP)。 然而，计划中已经包括远程 100BASE-T1L。 所以将来他们会增加速度的自动协商。
同时，不使用协调——声明接口的“快速启动”：从供电到开始数据交换的时间不到100ms。
另一种选择（可选）是将传输幅度从1提高到2.4V，以提高信噪比、减少错误数量并抵消工业干扰。
当然还有EEE。 这是一种节省电力的方法，如果此时没有数据要传输，则关闭发射器。 该图显示了它的样子：
没有数据 - 我们发送消息“我去睡觉了”并断开连接。 有时我们醒来并发送信息“我还在这里”。 当数据出现时，对方会收到“我醒了”的提示，并开始传输。 也就是说，只有接收器在持续工作。
现在让我们看看他们在第二版标准中提出了什么。
10BASE-T1S
从上一封信中可以清楚地看出，这是一个短距离协议。 但如果 T1L 可以在短距离内工作，为什么还需要它呢？ 阅读特点：
- 点对点模式下范围可达 15m
- 双工或半双工
- проводники 24-26AWG (0.2-0.13мм2)
- 符号率 12.5 Mbaud
- DME，编码 4B5B
- 幅度为 1V (1Vpp) 的信号
- 最多 4 个中间连接器（和两个端子连接器）
- 没有 EEE 支持
好像没什么特别的。 那么它是做什么用的呢？ 但为此：
- 多点模式下航程可达 25m（最高 8 节）
还有这个：
- 带冲突避免的操作模式 PLCA RS（PHY 级冲突避免协调子层）
这更有趣，不是吗？ 因为有助于大大减少控制柜、机器、机器人和汽车中的电线数量。 并且已经有人建议在服务器、交换机和其他电子产品中使用它来替代 I2C。
但多点模式也有其缺点。 主要的是共享数据传输介质。 当然，冲突是使用 CSMA/CD 解决的。 但目前尚不清楚延迟时间会是多少。 对于某些应用程序来说，这是至关重要的。 因此，在新标准中，多点补充了特殊的PLCA RS模式（见下一节）。
第二个缺点是 PoDL 不适用于多点。 也就是说，电力必须通过单独的电缆供电或在现场某处获取。
但是，在点对点模式下，PoDL 也可以在 T1S 上工作。
PLCARS
该模式的工作原理如下：
- 节点之间分配标识符，ID=0的节点成为协调者
- 协调器向网络发出 BEACON 信号，指示新传输周期的开始并传输其数据包
- 发送完一个数据包后，发送队列移动到下一个节点
- 如果该节点在传输 20 位所需的时间内尚未开始传输，则队列移至下一个节点
- 当所有节点都传输数据（或跳过它们的轮次）时，协调器开始新的周期
一般来说，它类似于 TDMA。 但其特点是，如果节点没有任何内容可传输，则不会使用其时间帧。 并且框架尺寸没有严格定义，因为...... 取决于节点传输的数据包的大小。 它全部运行在标准 802.3 以太网帧之上（PLCA RS 是可选的，因此应该具有兼容性）。
使用 PLCA 的结果如下图所示。 第一个是取决于负载的延迟，第二个是取决于传输节点数量的吞吐量。 很明显，延迟变得更加可预测。 在最坏的情况下，它比最坏的情况下 CSMA/CD 低 2 个数量级：
并且PLCA情况下的通道容量更高，因为没有花费在解决冲突上：
连接器
最初，我们从不同公司提供的 6 个连接器选项中进行选择。 结果，我们选择了这两个选项：
对于正常操作条件，选择康普的 IEC 63171-1 LC 连接器。
适用于恶劣环境 - HARTING 的 IEC 63171-6（以前称为 61076-3-125）连接器系列。 这些连接器的防护等级设计为 IP20 至 IP67。
当然，连接器和电缆可以是 UTP 或 STP。
其他
您可以使用常规的四对以太网电缆，每对用于一个单独的 SPE 通道。 以免将四根独立的电缆拉到远处的某个地方。 或者使用单对电缆，并在远端安装单对以太网交换机。
或者，如果网络已经通过光纤长距离延伸，您可以将此交换机直接连接到企业的本地网络。 将传感器插入其中，然后从此处读取读数。 直接在网络上。 无需接口转换器和网关。
这些不一定是传感器。 可能有摄像机、对讲机或智能灯泡。 入口处一些阀门或十字转门的驱动装置。
因此，前景很有趣。 当然，SPE 不太可能取代所有现场总线。 但他会从他们身上拿走相当大的一部分。 当然是在汽车里。
PS 我没有在公共领域找到该标准的文本。 上述信息是从互联网上提供的各种演示和材料中逐条收集的。 所以里面可能有不准确的地方。
来源： habr.com