onsemi avanza en Ethernet industrial con el controlador 10BASE-T1S

Las velocidades de datos más elevadas han sido el punto más destacado en la progresión de Ethernet, pero no todas las aplicaciones de red requieren alta velocidad. El estándar IEEE 802.3cg se creó para abordar varios factores importantes adicionales. El rendimiento determinista en tiempo real, el alcance del cable, la complejidad de la instalación y los costos de mantenimiento de la red también son críticos para los casos de uso industrial.

10BASE-T1S se define en el estándar IEEE 802.3cg. Su objetivo es impulsar aún más la Industria 4.0 llevando Ethernet hasta los dispositivos de nodo de borde, permitiendo que un conjunto más amplio de aplicaciones industriales utilicen Ethernet, reduciendo la complejidad y el coste de las instalaciones de redes industriales y reemplazando las comunicaciones multipunto tradicionales.

Un breve perfil de 10BASE-T1S
10BASE-T1S es la variante de corto alcance y multiconexión del PHY Ethernet de par único de 10 Mb/s que se define en la norma IEEE 802.3. Los PHY 10BASE-T1S usan cables de un solo par no blindados, que son más económicos y fáciles de implementar en comparación con los cables multipar o blindados. Según la especificación, cualquier implementación 10BASE-T1S admite un alcance de al menos 25 metros con al menos 8 nodos.

Los cables suelen ser el factor de mayor coste en una instalación de red. Los cables de un solo par tienen solo dos hilos en comparación con los cables Ethernet tradicionales que utilizan hasta 8 hilos (4 pares trenzados). 10BASE-T1S puede reducir sustancialmente el costo, el tamaño y el peso de los cables necesarios para las instalaciones de red.

La capacidad multi-drop reduce aún más la cantidad de cables al permitir que un solo par se conecte a múltiples nodos. Adicionalmente, la multiconexión reduce de manera significativa la cantidad de PHY y puertos de conmutador que se necesitan.

El NCN26010 supera las especificaciones IEEE 802.3cg al permitir un alcance de hasta 50 metros con 8 nodos y hasta 40 nodos en un segmento de 25 metros.

La tecnología 10BASE-T1S ofrece aún más oportunidades de reducción de costos al simplificar el mantenimiento de la red y reducir la cantidad de estándares que deben soportarse. De hecho, 10BASE-T1S puede reducir los costos de instalación de la red al eliminar hasta el 70% de los cables y hasta el 80% de los costos de implementación. Además, elimina la necesidad de grandes conmutadores, puertas de enlace, traductores de protocolo y el cableado y la energía adicionales que requieren.

Figura 1: En una nueva instalación 10BASE-T1S, un cable de un solo par sin blindaje puede reemplazar todos los cables amarillos en el gabinete.

Otro avance importante que trajo T1S es el determinismo, gracias a la invención de PLCA (Physical Layer Collision Avoidance). Un sistema determinista es aquel en el que no interviene la aleatoriedad en el desarrollo de los estados futuros del sistema. En otras palabras, para un estado inicial dado, un sistema determinista siempre devolverá el mismo resultado o alcanzará el mismo estado futuro. En el contexto de Ethernet industrial, la comunicación determinista es la capacidad de la red de garantizar que un evento ocurrirá (o se transmitirá un mensaje) dentro de un período de tiempo específico. Esto a veces se denomina "respuesta acotada". Una aplicación se considera determinista si se puede garantizar que su tiempo de respuesta se mantenga dentro de un cierto margen de error. El determinismo proporciona una medida de confiabilidad de que la comunicación o el resultado no solo serán correctos sino que ocurrirán en un tiempo específico. Para que un sistema se considere en tiempo real, debe especificar un tiempo máximo en el que responde a un evento o transmite un mensaje. Un sistema que no sea en tiempo real, por otro lado, es aquel que funciona a una velocidad constante, sin plazo. Es importante señalar que el determinismo es una cualidad definitoria de un sistema en tiempo real.¹

Las redes que utilizan CSMA/CD (Acceso múltiple por detección de portadora/detección de colisiones) no son deterministas. En cambio, confían en las estadísticas para obtener acceso al medio compartido. El principio fundamental de CSMA/CD es que el PHY detecta si otra estación está transmitiendo (detección de portadora), permitiendo que el MAC posponga cualquier transmisión hasta que la línea esté libre. Sin embargo, si no se detecta ningún portador, varios MAC pueden iniciar una transmisión de manera simultánea, lo que crea una colisión física. Esto sucede especialmente al final de una transmisión, donde múltiples MAC diferidos pueden detectar el final de la portadora al mismo tiempo, o más precisamente, dentro de la misma ventana de tiempo, denominada ventana de colisión. La ventana de colisión está determinada por el retardo de propagación de la red, incluida la longitud del cable y las características de implementación PHY. Cuando ocurre una colisión, el PHY lo informa al MAC, que a su vez cancela y reprograma la transmisión actual. Antes de que el MAC haga un nuevo intento de transmitir el cuadro, hace una pausa durante un tiempo aleatorio, llamado retraso, donde el límite superior aumenta de manera exponencial con el número de intentos de transmisión fallidos (consecutivos). Esto reduce progresivamente, pero nunca elimina, la posibilidad de que haya colisiones posteriores. El retraso aleatorio genera una variabilidad enorme en los tiempos de acceso, lo que podría incluso provocar que el paquete no se transmita (se descarte) después de diez intentos de transmisión fallidos. Como resultado, CSMA/CD muestra un rendimiento en tiempo real muy pobre. Se sabe que las redes CSMA/CD funcionan de manera confiable en entornos que no son en tiempo real si la carga promedio no excede el 30% del ancho de banda de red disponible. Otro efecto secundario de CSMA/CD es el llamado efecto de "captura", donde un nodo puede obtener acceso a la red repetidamente durante un tiempo muy largo. Potencialmente, mientras el MAC tenga tramas para transmitir. Por lo tanto, la equidad del acceso también es una gran preocupación para CSMA/CD cuando se considera el rendimiento en tiempo real. Por último, el mecanismo de detección de colisiones en el PHY puede ser bastante complejo y puede producir un rendimiento muy deficiente en presencia de mucho ruido, que suele encontrarse en entornos industriales. En consecuencia, las redes CSMA/CD no son adecuadas para muchas aplicaciones industriales que requieren un rendimiento determinista y confiable en tiempo real.

El método PLCA, por otro lado, le permite calcular la latencia de acceso al medio en el peor de los casos como una función de la cantidad de nodos y la MTU (tamaño máximo de trama) de su red, que es configurable. Los PHY 10BASE-T1S (como el incorporado en el NCN26010) generalmente emplean PLCA, que es un ingrediente clave para aplicaciones en tiempo real que requieren un rendimiento determinista, como la automatización automotriz, industrial y de edificios. PLCA está diseñado para proporcionar un funcionamiento sin colisiones en redes semidúplex y multipunto. Con PLCA en funcionamiento, el ciclo de transmisión comienza con una señal de capa física de 2,4 µs enviada por el nodo coordinador (Nodo 0) que los nodos de red utilizan para sincronizarse. Después de enviar la baliza, el Nodo 0 tiene una oportunidad de transmisión. Si el Nodo 0 no tiene datos para enviar, cede su oportunidad al Nodo 1 después de un tiempo muy corto (por defecto, el tiempo necesario para transmitir 32 bits, es decir 3,2 µs). De lo contrario, si el Nodo 0 tiene datos para transmitir, puede enviar un paquete de hasta el tamaño de trama máximo permitido configurable (MTU) de la red, que por defecto es 1500 bytes. Este proceso continúa hasta que a cada nodo se le haya ofrecido una oportunidad de transmisión. Luego, el nodo maestro inicia un nuevo ciclo y envía otra baliza. Para evitar que un nodo bloquee el bus, una función jabber interrumpe la transmisión de un nodo si excede el tamaño de trama máximo permitido, lo que permite que el siguiente nodo transmita. Esto resuelve el problema del "idiota parlanchín" que afecta a varias tecnologías multi-drop. El resultado es que no hay impacto en el rendimiento de los datos ni colisiones en el bus. La arquitectura PLCA permite utilizar 10BASE T1S en aplicaciones industriales ruidosas que requieren un rendimiento determinista en tiempo real.²

Otro requisito importante para muchas redes industriales con requisitos deterministas y en tiempo real es la capacidad de trabajar de manera confiable en entornos EMC hostiles. Si bien muchos otros estándares de Ethernet no fueron diseñados para soportar entornos EMC industriales, 10BASE-T1S fue diseñado con dichos requisitos en mente. El resultado es que 10BASE T1S con cables de un solo par sin blindaje muestra un rendimiento EMC excepcional en comparación con las tecnologías existentes. Utilizando 10BASE-T1S es posible diseñar sistemas que cumplan con los requisitos EMI IEC61000-4-6 Clase 3 (inyección de ruido en modo común de 10 V_rms ) con cables de un solo par sin blindaje. La PLCA también juega un papel clave en la inmunidad electromagnética: sabiendo que el bus está libre de colisiones, el receptor del PHY puede emplear técnicas avanzadas para recuperar la señal en presencia de altos niveles de ruido.

Otra característica interesante de PLCA es que aunque cambia la manera en que los nodos acceden al medio, no modifica el MAC. Las implementaciones PHY 10BASE-T1S se pueden conectar a una MAC CSMA/CD estándar utilizando un puerto MII heredado. Esto es posible porque el mecanismo de prevención de colisiones está completamente implementado en la capa física (de ahí el nombre PLCA), mientras que el MAC reacciona a la señalización de detección de portadora y de colisión de manera normal. En otras palabras, el PHY proporciona una especie de "realidad aumentada" al MAC estándar a través de las señales CRS y COL MII.

Controlador Ethernet 10BASE-T1S
El controlador Ethernet NCN26010 10BASE-T1S es un componente vital para la instalación y el mantenimiento de redes industriales rentables que permiten a las empresas lograr la visión de la Industria 4.0.

•  Lleva Ethernet hasta el borde
•  Permite el diseño de sistemas deterministas en tiempo real que muchas aplicaciones industriales requieren
•  Funciona con cables de un solo par sin blindaje
•  Reduce la complejidad y el coste de las instalaciones de red.
•  Elimina la necesidad de grandes conmutadores, puertas de enlace, traductores de protocolo y el cableado y la energía adicionales que requieren.
•  Reduce los costos de mantenimiento del software porque no necesita mantener múltiples tecnologías
•  Reduce la complejidad del mantenimiento de la red al reducir la cantidad de estándares de red que se deben mantener. Esto se puede lograr reemplazando los estándares heredados punto a punto y multipunto (incluidos RS-485, CAN, FlexRay, RS-232 y HART) con Ethernet 10BASE-T1S.
•  Permite un mayor rendimiento de datos a través de cables existentes, lo que elimina la necesidad de instalar nuevos cables, que suele ser el factor de costo más alto en una instalación de red.
•  Diseñado teniendo en cuenta los requisitos EMC tanto para la industria como para la automoción.
•  PHY compatible con alimentación diseñada a través de línea de datos (PoDL)

A continuación se muestran algunos ejemplos de cómo se puede utilizar 10BASE-T1S:

•  Ascensores: Reducir el cableado tanto en el interior de la cabina como en las unidades de control por planta (pantallas y botón de llamada)
•  Gabinetes industriales: reducen la complejidad y el costo de instalación
•  Sensores en red: Ethernet que puede llegar hasta los dispositivos de nodo periféricos de sensores con hasta 40 nodos en un solo segmento SPE de 25 metros, 5 veces el requisito de la norma IEEE 802.3cg
•  Alumbrado público: añadir estaciones de carga para vehículos eléctricos al alumbrado público
•  Comunicaciones dentro del sistema: Ethernet 10BASE-T1S puede reemplazar la mayoría de los buses y paneles posteriores integrados I2C, SPI y otros patentados (por ejemplo, placas madre y conmutadores de servidores). Reduce significativamente los esfuerzos de software y mantenimiento. Simplifica el diseño y la distribución de energía sin afectar las velocidades de datos ni las latencias.
•  Automatización de edificios: simplifica los sistemas de control de acceso a edificios
•  Tren / Tranvía / Autobús: Reducir el cableado en los módulos de puertas y en los sistemas de vigilancia y llamada de emergencia. Una arquitectura Ethernet unificada hace que el mantenimiento y la complejidad del sistema sean más manejables
•  Automotriz: Reducir el peso, la complejidad y el coste del cableado. Además, permite arquitecturas orientadas a servicios hasta el borde del IVN.

Un controlador PHY Ethernet 10BASE-T1S típico proporciona las funciones de capa física necesarias para transmitir y recibir datos a través de un cable de un solo par sin blindaje y admite la comunicación con una MAC a través de una interfaz MII estándar. Sin embargo, el controlador Ethernet NCN26010 de onsemi integra PHY y MAC en un solo dispositivo MACPHY, llevando Ethernet a sensores y otros dispositivos industriales que utilizan MCU de gama media/baja sin MAC integrado. Esto, a su vez, reduce significativamente la complejidad del sistema y proporciona flexibilidad para reutilizar los nodos en configuraciones de sistema que cambian constantemente después de las instalaciones iniciales.

Figura 2: Un dispositivo MACPHY puede conectarse a controladores industriales, sensores y otros dispositivos que pueden no incluir una MAC.

Transceptor Ethernet MACPHY
El NCN26010 de onsemi es el primer MACPHY Ethernet 10BASE-T1S del mercado. Es un transceptor MACPHY Ethernet integrado que puede conectar sensores, actuadores y otros dispositivos industriales sin necesidad de un dispositivo MAC externo.

El NCN26010 ofrece dos diferenciadores principales. El primero es un modo de inmunidad al ruido mejorado con un rendimiento de tasa de error de bits (BER) superior que permite un alcance de hasta 50 metros con 8 nodos, el doble del requisito del estándar IEEE 802.3cg. NCN26010 cumple con la prueba de inmunidad conducida IEC6100-4-6 a 10 V_rms, lo que garantiza una detección de señal robusta en entornos de fábrica ruidosos. La segunda es una menor capacitancia en los pines de línea, lo que permite conectar más nodos en un solo segmento. Permite hasta 40 nodos en un solo cable de un solo par de 25 metros, lo que es cinco veces mayor que el requisito establecido en el estándar IEEE 802.3cg.

Figura 3: NCN26010 presenta una capacitancia de línea baja para ofrecer hasta 40 nodos en un solo cable de un solo par sin blindaje de 25 metros.

El NCN26010 también reduce los costos de mantenimiento del software al seguir el enfoque en capas de Ethernet. Como resultado, cambiar los PHY de Ethernet no requiere modificaciones en las capas de software superiores.

Ethernet industrial hasta la periferia
El NCN26010 puede ayudar a las empresas a aprovechar los beneficios de la Industria 4.0 al proporcionar una solución Ethernet que se puede utilizar en lugares donde no era posible o práctico en el pasado. 10BASE-T1S ofrece el potencial de expandir la conectividad Ethernet hasta la periferia de las redes industriales mientras que simplifica las arquitecturas y reduce los costos de instalación y mantenimiento de la red.

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Referencias
¹ Control determinista en tiempo real: ¿Qué significa en realidad en aplicaciones de control de movimiento?
² Ethernet 10BASE-T1S y 10BASE-T1L reinventan la conectividad en vehículos e industrias – Microwave Product Digest