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以太网四重奏：旧的速度，新的功能


今年2月5日，批准了10兆以太网的新标准。是的，您没看错：每秒十兆位。

为什么在21世纪需要如此“小”的速度？替换隐藏在“现场总线”的大名下的动物园-Profibus，Modbus，CC-Link，CAN，FlexRay，HART等。它们太多了，它们彼此不兼容并且相对难以配置。您只需要将电缆插入交换机即可。与常规以太网一样。

很快它将成为可能！满足：“ 802.3cg-2019-IEEE以太网标准-修订5：物理层规格和管理参数，用于在单个平衡导体对上进行10 Mb / s的操作以及相关的功率传输。”

是什么使这个新的以太网变得有趣呢？首先，它适用于一个双绞线，而不是四个。因此，它的连接器更少，电缆更细。您可以使用已经铺设的双绞线连接传感器和执行器。

您可能会争辩说以太网运行的最大距离为100米，并且传感器距离更远。确实，这曾经是一个问题。但是802.3cg的工作距离为1 km！一对！不错？

实际上，这甚至更好：也可以为同一对提供电源。让我们从他开始。

IEEE 802.3bu数据线供电（PoDL）


我认为你们中的许多人都听说过PoE（以太网供电），并且知道需要两对电线来传输电力。电源输入/输出在每对变压器的中点进行。使用一对是不可能的。因此，我不得不做不同的事情。精确度-如下图所示。例如，添加了经典PoE。



此处：
PSE-供电设备（电源）
PD-供电设备（消耗电能的远端设备）

最初，802.3bu具有10类电源：



用颜色突出显示三种条件的电源电压：12V，24V和48V。

名称：
V pse-电源电压，
V V pdmin是每个PD的最小电压，V
I max是线路中的最大电流，A
P pd max是PD的最大功耗，W

随着802.3cg协议的出现，又增加了6种等级：



当然，对于这种型号，PSE和PD必须在功率等级上达成共识施加全电压。这是使用SCCP（串行通信分类协议）完成的。这是基于1-Wire的低速协议（333 bps）。仅当未向线路提供主电源时（包括在睡眠模式下），此功能才起作用。

该流程图显示了电源的供应方式：

  • 施加10mA的电流，并检查另一端是否存在4V齐纳二极管
  • 食品级认可
  • 主餐
  • 如果功耗降到10 mA以下-激活睡眠模式（待机电源3.3V）
  • 如果功耗超过1mA-发生唤醒



如果事先知道，可以省略食品分类的协调。此选项称为快速启动模式。它用于例如汽车，无需更改所连接设备的配置。

PSE和PD均可启动休眠模式。

现在让我们继续进行数据传输的描述。那里也很有趣：该标准定义了两种操作模式-远程和小距离。

10BASE-T1L


这是一个长距离的选择。主要功能如下：

  • 作用范围-长达1公里
  • 18AWG导体（0.8mm 2）
  • 多达10个中间连接器（和2个端子）
  • -
  • 7.5
  • PAM-3, 4B3T
  • 1 (1Vpp) 2.4
  • Energy Efficient Ethernet (“quiet/refresh” EEE)

显然，此选项适用于工业用途，门禁系统，楼宇自动化，电梯。控制屋顶冷却器，空调，风扇。或位于技术室供暖锅炉和水泵。即，除了工业以外，还有许多各种各样的应用。更不用说物联网（IoT）。

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）。的确，它们是为汽车应用开发的，因此范围只有15（UTP）或40米（STP）。但是，该计划已经拥有远程100BASE-T1L。因此，将来会增加速度的自动协商。

同时，不使用协调功能-宣布接口的“快速启动”：从电源到开始数据交换的时间少于100ms。

另一种选择（可选）是将传输幅度从1V增加到2.4V，以改善信噪比，减少错误数量并抵消工业干扰。

好吧，当然是EEE。如果当前没有要发送的数据，则可以通过关闭发送器来节省电量。该图显示了外观：


无数据-发送消息“我上床了”并关闭。我们偶尔会醒来，并发送消息“我还在这里”。当出现数据时，警告“我会醒来”被发送到另一侧，并且开始传输。即，只有接收器不断工作。

现在，让我们来看一下第二版标准的内容。

10BASE-T1S


最后一个字母已经清楚表明这是针对短距离（近距离）的协议。但是，如果在短距离内T1L也可以工作，为什么需要它呢？我们阅读以下特征：

  • 点对点模式下最大距离为15m
  • 双工或半双工
  • 24-26AWG导体（0.2-0.13mm 2）
  • 符号率12.5Mbaud
  • DME 4B5B编码
  • 幅度为1V（1Vpp）的信号
  • 多达4个中间连接器（和2个端子）
  • 没有EEE支持

似乎没什么特别的。那是为了什么呢？但是为此：

  • 在多点模式下，最大射程为25m（最大8节）

和这个：

  • PLCA RS（PHY级别冲突避免协调子层）操作模式

这已经变得更加有趣了，不是吗？因为 帮助大大减少控制柜，机器，机器人，汽车中的电线数量。并且已经有提议使用它代替服务器，交换机和其他电子产品中的I2C。



但是多点模式有缺点。主要的是共享数据传输介质。当然，可以使用CSMA / CD解决冲突。但尚不知道延迟会是什么。对于某些应用程序，这是至关重要的。因此，在新标准中，多点添加了特殊的PLCA RS模式（请参阅下一节）。

第二个缺点是PoDL无法在多点中工作。也就是说，您必须通过单独的电缆供电或将其现场放置。

但是，在点对点模式下，PoDL也可以在T1S上运行。

PLCA RS


该模式的工作方式如下：

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

通常，它类似于TDMA。但是有一个特点，即如果节点没有任何要发送的内容，则该节点不使用其时间范围。帧大小不是固定的，因为 取决于节点传输的数据包的大小。所有这些都可以在标准的以太网802.3帧上运行（PLCA RS是可选的，因此必须具有兼容性）。

使用PLCA的结果在图表的底部。第一个是取决于负载的延迟，第二个是取决于传输节点数的带宽。可以清楚地看到，延误变得更加可预测。并且在最坏情况下比最坏情况下的CSMA / CD小2个数量级：



并且PLCA情况下的信道容量更高，因为 不花在解决冲突上：



连接器


最初，我们从6个选项中选择了不同公司提供的连接器。结果，我们选择了以下两个选项：



对于普通的工作条件，选择了康普LC LC IEC17171-1。



对于恶劣的环境，HARTING系列的IEC 63171-6连接器（以前为61076-3-125）。这些连接器的防护等级为IP20至IP67。



当然，连接器和电缆可以是UTP或STP。

其他


您可以使用标准的四对以太网电缆，每对电缆用于一个单独的SPE通道。为了不将四根单独的电缆拉到远方。或使用单对电缆，并在远端放置单对以太网交换机。

如果该网络已经沿着光纤拉远了，您可以将该交换机直接连接到企业的本地网络。将传感器插入其中，并在此处读取它们的读数。直接通过网络。没有接口和网关转换器。

而且不必是传感器。可能有摄像机，对讲机或智能灯泡。检查点的任何阀门或旋转门的执行器。

因此前景很有趣。当然，SPE不太可能取代所有现场总线。但是他会咬掉其中的一部分。当然已经在汽车上。

附言：我没有在公共领域找到该标准的文字。以上信息是从Internet上的各种演示文稿和材料中分批收集的。因此，其中可能存在错误。

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