Noile protocoale de rețea sunt dezvoltate, de regulă, pentru a oferi un debit mai mare de date, deși există și alte aspecte legate de performanță. De exemplu, senzorii și actuatoarele din fabrici/clădiri necesită puține date, dar au alte cerințe pentru a opera “la limită” (edge).
În prezent, există numeroase protocoale aplicabile acestor dispozitive, care creează complexitate și costuri pentru utilizatori. Pentru a rezolva această problemă, IEEE a înființat un grup de lucru care analizează posibilitățile de utilizare a unei singure perechi de cabluri Ethernet (SPE – Single Pair Ethernet) pentru a furniza date la viteze de până la 10 Mb/s. În cazul în care se va reuși, ar exista beneficii în fabricile de tip Industrie 4.0, din industria auto și alte aplicații.
Proiectul IEEE a avut ca rezultat lansarea standardului IEEE 802.3cg în 2019, care oferă avantajele SPE pentru aplicațiile “edge”. În acest articol, vom analiza modul în care este dezvoltat acest standard 10BASE-T1S și vom lua în considerare unele dintre tehnologiile disponibile pentru a-l susține.
Nevoia de determinism
Figura 1: Industrie 4.0 declanșează o serie de provocări diferite pentru rețele. (Sursă imagine: onsemi)
SPE există de ceva vreme în configurații punct-la-punct, dar, în ciuda vitezelor mari de transfer de date, acestor versiuni le lipsea determinismul cerut de multe aplicații pentru a asigura o funcționare promptă și repetabilă.
Ethernet se bazează pe tehnologia CSMA/CD (Carrier-Sense Multiple Access with Collision Detection) pentru a decide ce nod va avea acces la mediul de rețea partajat (cablu). În cazul în care se detectează o coliziune, nodurile de transmisie se opresc din emisie pentru o perioadă de timp aleatorie înainte de a încerca din nou. Acest proces evită coruperea datelor din cauza coliziunilor; totuși, aceste latențe aleatorii fac imposibilă orice garanție legată de timp.
Gândiți-vă că vă aflați la o întâlnire în jurul unei mese. Dacă două persoane vorbesc în același timp, acestea se opresc din vorbit, numără până la un număr aleatoriu și încearcă din nou. Puteți observa cum unele persoane ar putea fi nevoite să aștepte mai mult timp pentru a vorbi din nou, iar aceasta este provocarea pentru nodurile din sistemele nedeterministe.
Pentru aplicațiile industriale și auto, determinismul a trebuit să fie încorporat – sistemele de frânare sau de direcție care au o întârziere aleatorie ar fi extrem de periculoase. În perioada în care s-a dezvoltat 10BASE-T1S (un protocol de rețea creat pentru a permite comunicații de date multiple la viteze de până la 10Mb/s pe cabluri cu o lungime de până la 25 de metri), acesta a fost un obiectiv cheie.
Cunoscut sub numele de PLCA (Physical Layer Collision Avoidance), noul protocol de acces garantează un nivel maxim de latență într-o rețea multidrop half-duplex. Un ciclu de transmisie PLCA este inițiat de o notă coordonatoare (Nodul 0) care trimite un semnal de baliză (beacon), permițând tuturor celorlalte noduri din rețea să se sincronizeze. Următorul pas constă în furnizarea unei oportunități de transmisie către primul nod (Nodul 1). Dacă nu există date de transmis, atunci oportunitatea de transmisie este înaintată către Nodul 2 și tot așa, până când fiecare nod a primit una sau mai multe oportunități de transmisie. Odată ce se încheie ciclul, acesta începe, pur și simplu, din nou, cu transmiterea unui alt semnal de baliză și așa mai departe.
Pentru ca bus-ul de date să nu poată fi monopolizat de un singur nod, numărul de cadre per oportunități de transmisie poate fi stabilit prin intermediul setării “burst mode”. Valoarea implicită este de un cadru per oportunități de transmisie, dar aceasta poate fi setată până la 128 de cadre, în funcție de nevoile aplicației. Este imposibil să se producă coliziuni de date, această setare neavând niciun impact asupra debitului total.
Figura 2: Abordarea PLCA asigură determinismul 10BASE-T1S. (Sursă imagine: onsemi)
Un cablu Ethernet normal conține patru perechi de fire torsadate, care, în general, sunt considerate prea scumpe pentru instalațiile economice. Grosimea și greutatea cablului pot complica instalarea. Când a fost dezvoltat 10BASE-T1S, acesta s-a bazat pe o singură pereche torsadată, reducând astfel semnificativ costul și facilitând instalarea.
Mediile industriale sunt adesea dure din punct de vedere al temperaturii, precum și zgomotoase din punct de vedere electric din cauza mașinilor grele și a aparatelor cu comutație, toate acestea reprezentând o provocare pentru rețele.
Primele versiuni de Ethernet nu au avut în vedere compatibilitatea electromagnetică (EMC), dar, întrucât 10BASE-T1S a fost dezvoltat special pentru uz industrial, funcționarea fiabilă în medii industriale dure a fost principalul obiectiv de proiectare.
Obiectivul a fost atins, iar 10BASE-T1S oferă performanțe EMC mai bune decât majoritatea protocoalelor. De asemenea, este capabil să îndeplinească cerințele EMI Clasă 3 IEC61000-4-6 și în cazul transmisiei printr-o singură pereche de cabluri neecranate. Acesta este un beneficiu secundar al PLCA, deoarece eliminarea coliziunilor permite utilizarea unor tehnici avansate de identificare a semnalelor pe fondul unui nivel ridicat de zgomot electric.
10BASE-T1S în aplicațiile industriale terminale (edge)
10BASE-T1S oferă numeroase beneficii pentru proiectanții și operatorii de echipamente din spațiul industrial, printre care se numără:
- Senzori de temperatură și presiune
- Actuatoare pentru sisteme robotice și HVAC
- Ventilatoare
- Monitoare de tensiune
- Convertoare de putere
Pe lângă alte module conectate la dulapurile de control, cu viteze de date reduse.
Tehnologiile vechi, cum ar fi RS-485 și UART, precum și FieldBus, pot fi înlocuite cu un sistem multi-drop cu un singur cablu. Unul dintre avantaje este legat de mentenanță, deoarece dispozitivele pot fi eliminate sau înlocuite fără a afecta performanța sau a determina necesitatea unor perioade de întrerupere costisitoare. Deoarece totul funcționează folosind un singur cablu cu un singur protocol, nu mai sunt necesare echipamente precum gateway-uri, switch-uri și traductoare de protocol, ceea ce permite economisirea costurilor, a spațiului și a consumului de energie.
Emițător-receptor MACPHY multifuncțional
În cele mai multe cazuri, controlerele Ethernet PHY 10BASE-T1S asigură, pur și simplu, funcțiile de nivel fizic necesare pentru a transmite și a recepționa date printr-o singură pereche de cabluri neecranate. Este normal ca acestea să includă și o interfață MII (Media Independent Interface) pentru a comunica cu un controler MAC (Media Access Controller).
Noul transceiver Ethernet compatibil IEEE 802.3cg dezvoltat de onsemi (NCN26010) adoptă o abordare diferită, combinând un MAC, un substrat de reconciliere (RS) PLCA și un PHY 10BASE-T1S într-o singură capsulă, eliminând astfel abordarea pe două niveluri a altor soluții.
Figura 3: Transceiverul integrat 10BASE-T1S NCN26010 de la onsemi. (Sursă imagine: onsemi)
Prin urmare, NCN26010 include tot ceea ce este necesar pentru a asigura funcțiile de nivel fizic necesare pentru a transmite și recepționa date pe o singură pereche de fire torsadate și neecranate (UTP) și pentru a comunica cu un microcontroler gazdă prin intermediul protocolului Open Alliance MACPHY SPI. Deoarece PHY și MAC sunt integrate, Ethernet 10BASE-T1S bazat pe NCN26010 este compatibil cu senzorii și alte dispozitive industriale cu microcontrolere de nivel mediu și inferior, unde nu există un MAC integrat. Pentru proiectanții de sisteme, rezultatul este o complexitate redusă și posibilitatea de reconfigurare a nodurilor odată ce sistemul a fost instalat.
Proiectat pentru a fi utilizat în mediile zgomotoase din punct de vedere electric din fabrici, NCN26010 dispune de un mod îmbunătățit de imunitate la zgomot, cu performanțe superioare ale ratei de eroare de bit (BER), care respectă testul de imunitate condusă IEC6100-4-6. Ca urmare, NCN26010 poate suporta până la opt noduri pe lungimi de cablu de până la 50 m (respectarea standardului IEEE 802.3cg impune doar 25 m). În plus, capacitanța redusă de pe pinii de linie ai dispozitivului permite conectarea a până la 40 de noduri pe un cablu de 25 m cu o singură pereche, depășind cerințele IEEE 802.3cg cu un factor de 5.
Datorită abordării stratificate a Ethernet-ului, schimbarea PHY-ului din cadrul NCN26010 nu afectează straturile superioare – ceea ce face ca întreținerea software-ului să fie mai simplă și mai puțin costisitoare.
Recunoscând nevoia de soluții compacte, transmițătorul este livrat fie într-o capsulă QFN32 de 4 mm × 4 mm, fie într-o capsulă TQFP32 de 5 mm × 5 mm. Este ideal pentru utilizarea în aplicații industriale și în fabrici, precum și pentru automatizarea clădirilor, iluminatul stradal, transportul feroviar și multiple aplicații auto.
Ethernet-ul răspunde nevoilor aplicațiilor moderne
Gândit inițial ca un protocol de rețea wireless pentru conectarea calculatoarelor și a perifericelor în birouri, Ethernet-ul a devenit cel mai popular standard de rețea la nivel global și este utilizat în mult mai multe aplicații decât s-a crezut inițial.
Odată cu lansarea 10BASE-T1S, standardul Ethernet permite acum extinderea aplicațiilor, inclusiv în domeniul auto, industrial și al tehnologiei de calcul la marginea rețelei (edge computing), datorită noului său mod de operare multi-drop și determinist.
Autor: Arndt Schuebel, Technical Marketing / Application I4.0 wired connectivity, onsemi
