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Cuarteto Ethernet: velocidad antigua, nuevas características


El 5 de febrero de este año, se aprobó un nuevo estándar para Ethernet de 10 megabits. Sí, lo leíste bien: diez megabits por segundo.

¿Por qué se necesita una velocidad tan "pequeña" en el siglo XXI? Para reemplazar el zoológico, que se esconde bajo el nombre espacioso de "bus de campo": Profibus, Modbus, CC-Link, CAN, FlexRay, HART, etc. Hay demasiados, son incompatibles entre sí y relativamente difíciles de configurar. Y solo quieres enchufar el cable al interruptor, y eso es todo. Como con Ethernet regular.

¡Y pronto será posible! Cumplimiento: "802.3cg-2019 - Estándar IEEE para Ethernet - Enmienda 5: Especificaciones de la capa física y parámetros de administración para la operación de 10 Mb / sy la entrega de energía asociada a través de un solo par de conductores balanceados".

¿Qué hace que este nuevo Ethernet sea interesante? En primer lugar, funciona en un par trenzado, no en cuatro. Por lo tanto, tiene menos conectores y cables más delgados. Y puede usar el par trenzado ya tendido, yendo a los sensores y actuadores.

Podría argumentar que Ethernet funciona hasta 100 metros y que los sensores están mucho más lejos. De hecho, esto solía ser un problema. ¡Pero 802.3cg funciona a una distancia de 1 km! ¡Un par! ¿No está mal?

En realidad, es aún mejor: la fuente de alimentación también se puede suministrar para el mismo par. Comencemos con él.

IEEE 802.3bu Potencia sobre líneas de datos (PoDL)


Creo que muchos de ustedes han oído hablar de PoE (Power over Ethernet) y saben que se necesitan 2 pares de cables para transferir energía. La entrada / salida de potencia se realiza en los puntos medios de cada par de transformadores. Usar un par es imposible de hacer. Por lo tanto, tuve que hacerlo de manera diferente. Cómo exactamente: se muestra en la figura a continuación. Por ejemplo, se ha agregado PoE clásico.



Aquí:
PSE - equipo de suministro de energía (fuente de energía)
PD - dispositivo alimentado (dispositivo remoto que consume electricidad)

Inicialmente, 802.3bu tenía 10 clases de fuente de alimentación:



tres gradaciones condicionales del voltaje de la fuente se resaltan en color: 12, 24 y 48V.

Designaciones:
V pse - tensión de alimentación,
V V pdmin es el voltaje mínimo por PD, V
I max es la corriente máxima en la línea, A
P pd max es el consumo máximo de energía de PD, W

Con el advenimiento del protocolo 802.3cg, se agregaron 6 clases más:



Por supuesto, con tanta variedad, PSE y PD deben acordar la clase de fuente de alimentación antes aplicando voltaje completo. Esto se hace utilizando SCCP (Protocolo de clasificación de comunicaciones en serie). Este es un protocolo de baja velocidad (333 bps) basado en 1-Wire. Funciona solo cuando la alimentación principal no se suministra a la línea (incluso en modo de suspensión).

El diagrama de flujo muestra cómo se suministra la energía:

  • se aplica una corriente de 10 mA y se verifica la presencia de un diodo zener de 4 V en el otro extremo
  • aprobación de clase de comida
  • se sirve comida principal
  • Si el consumo cae por debajo de 10 mA, se activa el modo de reposo (suministro de energía de reserva 3.3V)
  • Si el consumo excede 1 mA - se produce la activación



La coordinación de la clase de alimentos puede omitirse si se conoce de antemano. Esta opción se llama Modo de inicio rápido. Se utiliza, por ejemplo, en automóviles, como no es necesario cambiar la configuración del equipo conectado.

Tanto PSE como PD pueden iniciar la hibernación.

Ahora pasemos a la descripción de la transferencia de datos. También es interesante allí: el estándar define dos modos de funcionamiento: de largo alcance y para distancias pequeñas.

10BASE-T1L


Esta es una opción de largo alcance. Las características clave son las siguientes:

  • rango de acción: hasta 1 km
  • Conductores 18AWG (0.8mm 2 )
  • hasta 10 conectores intermedios (y dos terminales)
  • -
  • 7.5
  • PAM-3, 4B3T
  • 1 (1Vpp) 2.4
  • Energy Efficient Ethernet (“quiet/refresh” EEE)

Obviamente, esta opción está destinada para uso industrial, sistemas de control de acceso, automatización de edificios, ascensores. Para controlar enfriadores de techo, aires acondicionados, ventiladores. O ubicado en salas técnicas de calefacción de calderas y bombas. Es decir, muchas aplicaciones de todo tipo además de la industria. Sin mencionar el Internet de las cosas (IoT).

Vale la pena mencionar que 10BASE-T1 es solo uno de los estándares de Ethernet de par único (SPE). También hay 100BASE-T1 (802.3bw) y 1000BASE-T1 (802.3bp). Es cierto que se desarrollaron para aplicaciones automotrices, por lo que hay un alcance de solo 15 (UTP) o 40 metros (STP). Sin embargo, los planes ya tienen un 100BASE-T1L de largo alcance. Entonces, en el futuro, se agregará la negociación automática de velocidad.

Mientras tanto, no se utiliza la coordinación: se anuncia el "inicio rápido" de la interfaz: menos de 100 ms desde la fuente de alimentación hasta el inicio del intercambio de datos.

Otra opción (opcional) es aumentar la amplitud de transmisión de 1 a 2.4V para mejorar la relación señal / ruido, reducir el número de errores y contrarrestar la interferencia industrial.

Bueno, por supuesto, EEE. Esta es una manera de ahorrar electricidad apagando el transmisor si actualmente no hay datos para transmitir. El diagrama muestra cómo se ve:


Sin datos: envíe el mensaje "Me fui a la cama" y apáguelo. Nos despertamos ocasionalmente y enviamos el mensaje "Todavía estoy aquí". Cuando aparecen los datos, se emite la advertencia "Me despierto" en el lado opuesto y comienza la transmisión. Es decir, solo los receptores trabajan constantemente.

Ahora veamos qué surgió con la segunda versión del estándar.

10BASE-T1S


Ya la última carta deja en claro que este es un protocolo para distancias cortas (alcance corto). Pero, ¿por qué es necesario si a distancias cortas el T1L también funciona? Leemos las características:

  • alcance de hasta 15 m en modo punto a punto
  • dúplex o semidúplex
  • Conductores 24-26AWG (0.2-0.13mm 2 )
  • Velocidad de símbolo 12.5Mbaudios
  • Codificación DME 4B5B
  • señal con una amplitud de 1V (1Vpp)
  • hasta 4 conectores intermedios (y dos terminales)
  • sin soporte EEE

Parece que no es nada especial. Entonces, ¿para qué sirve? Pero por esto:

  • Alcance de hasta 25 m en modo multipunto (hasta 8 nudos)

Y esto:

  • Modo de operación PLCA RS (Subcapa de conciliación para evitar colisiones de nivel PHY)

Y esto ya es mucho más interesante, ¿no? Porque ayuda a reducir en gran medida la cantidad de cables en gabinetes de control, máquinas, robots, automóviles. Y ya hay propuestas para usarlo como reemplazo de I2C en servidores, conmutadores y otros dispositivos electrónicos.



Pero el modo multipunto tiene desventajas. El principal es un medio de transmisión de datos compartido. Por supuesto, las colisiones se resuelven usando CSMA / CD. Pero no se sabe cuál será el retraso. Y para algunas aplicaciones esto es crítico. Por lo tanto, en el nuevo estándar, el multipunto se complementó con un modo especial PLCA RS (consulte la siguiente sección).

El segundo inconveniente es que PoDL no funciona en multipunto. Es decir, debe suministrar energía a través de un cable separado o llevarla a algún lugar en el acto.

Sin embargo, en modo punto a punto, PoDL también funciona en T1S.

PLCA RS


Este modo funciona de la siguiente manera:

  • , ID=0
  • BEACON signal,
  • , 20 ,
  • ( ),

En general, se parece a TDMA. Pero con la peculiaridad de que el nodo no usa su marco de tiempo si no tiene nada que transmitir. Y el tamaño del marco no está establecido porque depende del tamaño del paquete de datos transmitido por el nodo. Y todo esto funciona sobre las tramas estándar de Ethernet 802.3 (PLCA RS es opcional, por lo que debe haber compatibilidad).

El resultado del uso de PLCA está en la parte inferior de los gráficos. El primero es el retraso según la carga, el segundo es el ancho de banda según el número de nodos de transmisión. Se ve claramente que la demora se ha vuelto mucho más predecible. Y es en el peor de los casos 2 órdenes de magnitud menor que en el peor de los casos CSMA / CD:



Y la capacidad del canal en el caso de PLCA es mayor, porque No gastado en resolver colisiones:



Conectores


Inicialmente, elegimos entre 6 opciones para conectores ofrecidos por diferentes compañías. Como resultado, nos decidimos por estas dos opciones:



para condiciones de funcionamiento normales, se seleccionó el CommScope LC IEC IEC17171-1.



Para entornos hostiles, la familia HARTING de conectores IEC 63171-6 (anteriormente 61076-3-125). Estos conectores están clasificados para IP20 a IP67.



Por supuesto, los conectores y cables pueden ser UTP o STP.

Otro


Puede usar un cable Ethernet estándar de cuatro pares, usando cada par para un canal SPE separado. Para no tirar de cuatro cables separados en algún lugar en la distancia. O use un cable de un solo par y, en el otro extremo, coloque un conmutador Ethernet de un solo par.

Y puede conectar este conmutador directamente a la red local de la empresa, si en una distancia lejana la red ya se extiende a lo largo de la fibra. Pegue los sensores allí, y lea las lecturas de ellos aquí. Directamente a través de la red. Sin convertidores de interfaz y puerta de enlace.

Y no tiene que ser sensores. Puede haber cámaras de video, intercomunicadores o bombillas inteligentes. Actuadores de cualquier válvula o torniquete en los puntos de control.

Entonces las perspectivas son interesantes. Es poco probable, por supuesto, que SPE reemplace todos los autobuses de campo. Pero morderá un poco de ellos. Ya en autos seguro.

PD: No encontré el texto del estándar en el dominio público. La información anterior se recopiló en partes de diversas presentaciones y materiales disponibles en Internet. Por lo tanto, puede haber imprecisiones en él.

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