česky english Vítejte, dnes je středa 02. prosinec 2020

Úvod k ethernetu 10BASE-T1S

DPS 4/2020 | Vývoj - články
Autor: Henry Muyshondt, Microchip Technology

Sítě založené na ethernetu a IP (Internet Protocol) máme všude okolo nás. Najdete je v běžných počítačových systémech, stejně jako v oblasti automobilového průmyslu, internetu věcí a také všech druzích aplikací z oboru automatizace. Jsou tu s námi již takřka půl století. Uživatelům nabízí odstupňovanou šířku pásma s rychlostmi od několika megabitů za sekundu až po mnohé gigabity za sekundu, to vše s využitím několika různých fyzických médií. K zajištění spolehlivého přenosu po trase zde nechybí ani osvědčené softwarové stacky. S technologií se také neodmyslitelně pojí otázka zabezpečení. V systémech založených na ethernetu rovněž počítáme s dobře definovanými frameworky.

Architektura ethernetu orientovaná na služby se vypořádala se složitostí tím, jak nakládá s jednotlivými funkcemi a daty. Spousta systémů může proto spolu snadno „hovořit“ a využívat přitom jednotného komunikačního mechanismu, který je použitelný opakovaně a umožňuje snadnou změnu služeb s ohledem na příslušné místo v síti.

Za účelem vzájemného propojení odlišných zařízení se v minulosti využívala řada různých technologií. V průmyslové automatizaci se tak jedná o nejrůznější provozní sběrnice, Ethercat, RS-485, UART apod. V automobilovém světě zde zase máme MOST, CAN, LIN a další sítě, zatímco ke komunikaci mezi jednotlivými oblastmi bude zapotřebí složitých bran. Ve výpočetní technice pak pro potřeby řízení různých subsystémů nacházíme I²C, GPIO, SPI, a dokonce i CAN spojovaný spíše s automobilovým průmyslem.

Úvod k ethernetu 10BASE-T1S

Každý z výše uvedených příkladů využívá vlastní hardwarové rozhraní a také odlišné softwarové stacky. A to ještě nehovoříme o chování z hlediska EMC. Architektura, která však bude vystavěna celá na ethernetu, nabídne spoustu výhod. Nezávisle na fyzické vrstvě totiž pracuje se stejným protokolem. Ethernetový rámec zde vypadá stejně, ať už přenos probíhá s rychlostí 10 Mbit/s, nebo 10 Gbit/s.

Ve spojitosti s měnící se šířkou pásma není u konkrétních aplikací zapotřebí žádných složitých bran. Častokrát lze jediný switch vybavit PHY čipy pracujícími s různými rychlostmi. Rámce je pak možné bez potíží nasměrovat z jedné oblasti do druhé, aniž by přitom bylo nutné data jakkoli upravovat. Výhody, které ethernetová architektura přináší, ilustruje obr. 1.

Všudypřítomné ethernetové systémy zjednodušují návrh, konfiguraci a také řízení mnoha různých aplikací, ať již ze světa průmyslové techniky, výpočetních zařízení, či automobilů. Stejných odborných znalostí lze proto využít v odlišných oblastech. Bez ohledu na požadované množství přenášených dat stále stačí jednotné mechanismy, protože rámec se zde s různými rychlostmi nemění. Navíc zde máme obrovský ekosystém zahrnující dodavatele hardwarových a softwarových řešení, kteří se specializují na všechny stránky takové infrastruktury. Pokud jde o informace přenášené po ethernetových linkách, bylo již také náležitě pamatováno na záležitosti spojené se zajištěním bezpečnosti a soukromí.

Nový standard IEEE, 10BASE-T1S

Organizace IEEE přišla s novou alternativou ethernetového standardu nabízejícího s využitím jednoho páru fyzické vrstvy šířku 10 Mbitů/s (IEEE Std 802.3cg-2019™). Detaily byly vyřešeny a vydání se očekává začátkem roku 2020. Zmíněná specifikace tak nyní prodlužuje záběr fyzických vrstev současného ethernetu na spodní hranici spektra.

Jedna z variant specifikovaných pod standardem IEEE se nazývá 10BASE-T1S. Písmeno S zde přitom odkazuje na krátké dosažitelné vzdálenosti. Definována je rovněž verze 10BASE-T1L s větším dosahem, a to až 1 km. V textu se dále soustředíme na variantu 10BASE-T1S.

Řešení 10BASE-T1S využívá topologii, ve které se každý uzel připojí k jednomu kabelu. Vypadává tak potřeba switche a zjednoduší se i vedení, protože každý z kabelů využívá místo čtyřech párů v běžném ethernetovém zapojení pouze jednoho páru vodičů. Propojení tak lze realizovat i na desce plošného spoje. Standard stanoví, že bude možné propojit přinejmenším osm uzlů, což ale vůbec neznamená jejich maximální počet. Hovoří se rovněž o délce sběrnice 25 m a také 10cm odbočkách ke každému z uzlů. Všechny zde přitom sdílí prostor pro 10 Mbitů/s. Představu sdílení sběrnice zachycuje obr. 2.

Standard dále vymezuje postup při rozhodování zvaný PLCA (Physical Layer Collision Avoidance) umožňující kompletní využití dostupné šířky pásma s omezenou prodlevou a také vysokou kvalitou služeb QoS. Společnost Microchip Technology hrála v procesech spojovaných se standardy IEEE klíčovou roli a je tak připravena vše podpořit nejen s polovodiči, ale také na základě desek či nástrojů potřebných k simulaci, realizaci či analýze síťového systému.

Jak funguje PLCA

V případě PLCA bude odesílání dat umožněno pouze takovému PHY zařízení, které k tomu dostane příležitost. Na základě postupného přidělování dle obr. 3 pak dochází k přenosu informace, přičemž nový cyklus začíná tehdy, vyšle-li master „beacon“. V praxi byla při dostupnosti takřka plné rychlosti 10 Mbitů/s zjištěna obousměrná zpoždění mezi dvěma uzly v délce méně než půl milisekundy. Výsledek se opírá o nástroj iperf3 využívaný při měření nejvyšší dosažitelné šířky pásma v IP sítích.

Úvod k ethernetu 10BASE-T1S 1

Široké pole působnosti

Technologie 10BASE-T1S se prosazuje v průmyslové automatizaci, automatizaci budov, automobilovém průmyslu a také počítačových systémech. V rámci průmyslových aplikací je tento způsob vzájemného propojení v řadě případů nasazován za účelem vlastního řízení a rovněž k připojení mnoha zařízení typu ventilátorů, teplotních snímačů, systémů pro sledování napětí apod. S ethernetovými principy se lze dokonce setkat i v tak jednoduchých případech, jako jsou spínače, tlačítka, indikační kontrolky a další.

V automobilech si řada senzorů vystačí s nižší šířkou pásma, zatímco budou dále těžit ze síťové architektury. Jednotlivé subsystémy tak bude možné snadněji rozšířit s ohledem na odlišné stupně výbavy vozidla. Ve světě výpočetní techniky se rozhraní 10BASE-T1S opět uplatňuje v případě vlastního řízení uvnitř serverů a switchů, společně s aplikacemi pro konfiguraci a dohled nad velkými servery. Podobně jako u průmyslové techniky zmiňujeme i tady ventilátory, teplotní čidla nebo monitorování napětí. Zde všude ethernet představuje možnost snadného přístupu.

Principy PoDL (Power over Data Lines) nejsou sice dosud plně standardizovány, nicméně existují aktivity, které se tomu věnují. Úkol nové pracovní skupiny IEEE spočívá např. v rozšíření specifikace 802.3cg, což zahrnuje i PoDL. Fyzická vrstva 10BASE-T1S počítá se střídavou vazbou a požadavku na přenos energie do vzdálených zařízení bude proto vyhovovat.

Závěr

Systém 10BASE-T1S umožňuje rozšířit ethernetovou technologii do nových oblastí. Klíčové vlastnosti pak budou zahrnovat:

  • vzájemné propojení přímo na fyzické vrstvě,
  • provoz bez kolizí,
  • efektivní využití šířky pásma,
  • deterministický přístup s malým zpožděním,
  • bezpečnostní mechanismy.

Všudypřítomná ethernetová architektura nyní zjednoduší návrh, konfiguraci a také řízení mnoha různých aplikací, ať už ze světa průmyslových systémů, výpočetní techniky, či automobilů. Na trhu jsou již k dispozici řešení pro 10BASE-T1S, přičemž pro účely implementace této nové technologie fungují i nové systémové návrhy. K tomu všemu můžete počítat i s nezbytnými nástroji. Více informací získáte na [1].

odkazy

[1] www.microchip.com

Partneři

eipc
epci
imaps
papouch
ep
mikrozone
mcu
projectik