10BASE-T1S amène Ethernet jusqu'à la périphérie, permettant à Ethernet d'être utilisé dans des applications industrielles où il ne pouvait pas être utilisé auparavant.
Les débits de données plus élevés ont été le principal point fort de la progression d'Ethernet, mais toutes les applications réseau ne nécessitent pas une vitesse élevée. La norme IEEE 802.3cg a été créée pour répondre à plusieurs facteurs importants supplémentaires. Les performances déterministes en temps réel, la portée des câbles, la complexité de l'installation et les coûts de maintenance du réseau sont également essentiels pour les cas d'utilisation industrielle.
10BASE-T1S est défini dans la norme IEEE 802.3cg. Son objectif est de favoriser l'Industrie 4.0 en intégrant l'Ethernet dans les dispositifs de nœuds de périphérie, pour permettre à un ensemble plus large d'applications industrielles d'utiliser Ethernet, pour réduire la complexité et le coût des installations de réseaux industriels et pour remplacer les anciennes communications multipoints.
Un bref profil de 10BASE-T1S
10BASE-T1S est la variante multipoint à courte portée du PHY Ethernet à paire unique 10 Mb/s défini dans la norme IEEE 802.3. Les PHY 10BASE-T1S utilisent des câbles à paire unique non blindés, qui sont moins chers et plus faciles à déployer par rapport aux câbles multipaires et/ou blindés. Selon la spécification, toute implémentation 10BASE-T1S prend en charge une portée d'au moins 25 mètres avec au moins 8 nœuds.
Les câbles constituent souvent le facteur de coût le plus élevé dans une installation réseau. Les câbles à paire unique n'ont que deux fils, contrairement aux câbles Ethernet traditionnels qui utilisent jusqu'à 8 fils (4 paires torsadées). 10BASE-T1S peut réduire considérablement le coût, la taille et le poids des câbles nécessaires aux installations réseau.
La capacité multipoint réduit encore le nombre de câbles en permettant à une seule paire de se connecter à plusieurs nœuds. De plus, le multipoint réduit considérablement le nombre de PHY et de ports de commutation nécessaires.
Le NCN26010 dépasse les spécifications IEEE 802.3cg en permettant une portée allant jusqu'à 50 mètres avec 8 nœuds et jusqu'à 40 nœuds sur un segment de 25 mètres.
La technologie 10BASE-T1S offre encore plus de possibilités de réduction des coûts en simplifiant la maintenance du réseau et en réduisant le nombre de normes à prendre en charge. En fait, 10BASE-T1S peut réduire les coûts d'installation réseau en supprimant jusqu'à 70 % des câbles et jusqu'à 80 % des coûts de déploiement. De plus, il élimine le besoin de gros commutateurs, de passerelles, de traducteurs de protocole et du câblage et de l’alimentation supplémentaires qu’ils nécessitent.
Figure 1 : Dans une nouvelle installation 10BASE-T1S, un câble à paire unique non blindé peut remplacer tous les fils jaunes de l'armoire.
Une autre avancée importante apportée par T1S est le déterminisme, grâce à l'invention du PLCA (Physical Layer Collision Avoidance). Un système déterministe est un système dans lequel aucun élément aléatoire n’intervient dans le développement des états futurs du système. En d’autres termes, pour un état initial donné, un système déterministe renverra toujours la même sortie ou atteindra le même état futur. Dans le contexte d'Ethernet industriel, la communication déterministe est la capacité du réseau à garantir qu'un événement se produira (ou qu'un message sera transmis) dans un laps de temps spécifique. On parle parfois de « réponse délimitée ». Une application est considérée comme déterministe si son temps de réponse peut être garanti selon une certaine marge d'erreur. Le déterminisme fournit une mesure de fiabilité selon laquelle la communication ou la sortie sera non seulement correcte, mais se produira également dans un délai spécifié. Pour qu'un système soit considéré comme temps réel, il doit spécifier un temps maximal pendant lequel il répond à un événement ou transmet un message. Un système non temps réel, en revanche, est un système qui fonctionne à une vitesse constante, sans date limite. Il est important de noter que le déterminisme est une qualité déterminante d'un système en temps réel.1
Les réseaux utilisant CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection) ne sont pas déterministes. Au lieu de cela, ils s’appuient sur les statistiques pour accéder au support partagé. Le principe fondamental du CSMA/CD est que le PHY détecte si une autre station transmet (détection de porteuse), permettant au MAC de différer toute transmission jusqu'à ce que la ligne soit libre. Cependant, si aucune porteuse n'est détectée, plusieurs MAC peuvent initier une transmission simultanément, créant ainsi une collision physique. Cela se produit en particulier à la fin d'une transmission, où plusieurs MAC en attente peuvent détecter la fin de la porteuse en même temps, ou plus précisément au cours de la même période (appelée « fenêtre de collision »). La fenêtre de collision est déterminée par le délai de propagation du réseau, y compris la longueur du câble et les caractéristiques d'implémentation PHY. Lorsqu'une collision se produit, le PHY le signale au MAC, qui à son tour interrompt et reprogramme la transmission en cours. Avant que le MAC ne fasse une nouvelle tentative de transmission de la trame, il s'arrête pendant un temps aléatoire, appelé backoff, où la limite supérieure augmente de façon exponentielle avec le nombre de tentatives de transmission (consécutives) infructueuses. Cela réduit progressivement, mais n’élimine jamais, le risque de collisions ultérieures. Le backoff aléatoire entraîne une énorme variabilité des temps d'accès, ce qui peut même entraîner la perte du paquet après dix tentatives de transmission infructueuses. En conséquence, CSMA/CD présente de très mauvaises performances en temps réel. Les réseaux CSMA/CD sont connus pour fonctionner de manière fiable dans des environnements non temps réel si la charge moyenne ne dépasse pas 30 % de la bande passante réseau disponible. Un autre effet secondaire du CSMA/CD est l’effet dit de « capture », où un nœud peut accéder de manière répétée au réseau pendant une très longue période. Potentiellement, tant que le MAC a des trames à transmettre. Par conséquent, l’équité de l’accès est également une préoccupation majeure pour le CSMA/CD lorsqu’il s’agit de considérer les performances en temps réel. Enfin, le mécanisme de détection de collision dans le PHY peut être assez complexe et peut produire de très mauvaises performances en présence de bruit élevé, ce que l'on retrouve souvent dans les environnements industriels. Par conséquent, les réseaux CSMA/CD ne conviennent pas à de nombreuses applications industrielles qui nécessitent des performances en temps réel déterministes et fiables.
La méthode PLCA, quant à elle, vous permet de calculer la latence d'accès au support dans le pire des cas en fonction du nombre de nœuds et du MTU (taille de trame maximale) de votre réseau, qui est configurable. Les PHY 10BASE-T1S (tels que celui intégré au NCN26010) utilisent généralement le PLCA, qui est un ingrédient clé pour les applications en temps réel qui nécessitent des performances déterministes telles que l'automobile, l'industrie et l'automatisation des bâtiments. PLCA est conçu pour fournir un fonctionnement sans collision sur les réseaux multipoints semi-duplex. Avec PLCA en place, le cycle de transmission commence avec une balise (un signal de couche physique de 2,4 µs) envoyée par le nœud coordinateur (nœud 0) que les nœuds du réseau utilisent pour se synchroniser. Une fois la balise envoyée, le nœud 0 obtient une opportunité de transmission. Si le nœud 0 n'a pas de données à envoyer, il cède sa place au nœud 1 après un temps très court (par défaut, le temps nécessaire pour transmettre 32 bits, soit 3,2 µs). Sinon, si le nœud 0 a des données à transmettre, il peut envoyer un paquet jusqu'à la taille de trame maximale autorisée configurable (MTU) du réseau qui est par défaut de 1 500 octets. Ce processus continue jusqu’à ce que chaque nœud se soit vu offrir une opportunité de transmission. Un nouveau cycle est alors initié par le nœud maître, qui envoie une autre balise. Pour empêcher un nœud de bloquer le bus, une fonction jabber interrompt la transmission d'un nœud s'il dépasse la taille de trame maximale autorisée, permettant au nœud suivant de transmettre. Cela résout le problème du « babillage idiot » qui affecte plusieurs technologies multi-drop. Le résultat est qu’il n’y a aucun impact sur le débit de données et aucune collision sur le bus. L'architecture PLCA permet d'utiliser le 10BASE T1S dans des applications industrielles bruyantes qui nécessitent des performances déterministes en temps réel.2
De nombreux réseaux industriels qui nécessitent une approche déterministe en temps réel ont une autre exigence importante : la capacité à fonctionner de manière fiable dans des environnements EMC difficiles. Alors que de nombreuses autres normes Ethernet n'ont pas été pensées pour prendre en charge les environnements EMC industriels, la norme 10BASE-T1S a été conçue en tenant compte de ces exigences. Résultat : l'utilisation de 10BASE T1S avec des câbles à paire unique non blindés offre des performances EMC exceptionnelles par rapport aux technologies existantes. En utilisant 10BASE-T1S, il est possible de concevoir des systèmes qui répondent aux exigences EMI de classe 3 IEC61000-4-6 (injection de bruit en mode commun 10 Vrms ) avec des câbles à paire unique non blindés. Le PLCA joue également un rôle clé dans l'immunité électromagnétique : sachant que le bus est sans collision, le récepteur du PHY peut utiliser des techniques avancées pour récupérer le signal en présence de niveaux de bruit élevés.
Une autre caractéristique intéressante du PLCA est que, même s'il change la façon dont les nœuds accèdent au support, il ne modifie pas le MAC. Les implémentations PHY 10BASE-T1S peuvent être connectées à un MAC CSMA/CD standard à l'aide d'un port MII hérité. Cela est possible car le mécanisme d'évitement des collisions est entièrement implémenté dans la couche physique (d'où le nom PLCA), tandis que le MAC réagit normalement à la signalisation de détection de porteuse et de collision. En d'autres termes, le PHY fournit une sorte de « réalité augmentée » au MAC standard via les signaux CRS et COL MII.
Contrôleur Ethernet 10BASE-T1S
Le contrôleur Ethernet NCN26010 10BASE-T1S est un élément essentiel de l'installation et de la maintenance de réseaux industriels rentables qui permettent aux entreprises de réaliser la vision de l'Industrie 4.0.
- Amenez Ethernet jusqu'à la périphérie
- Permet la conception de systèmes temps réel déterministes dont de nombreuses applications industrielles ont besoin
- Fonctionne avec des câbles à paire unique non blindés
- Réduit la complexité et le coût des installations réseau
- Élimine le besoin de gros commutateurs, de passerelles, de traducteurs de protocole et du câblage et de l'alimentation supplémentaires qu'ils nécessitent
- Réduit les coûts de maintenance des logiciels car vous n'avez pas besoin de maintenir plusieurs technologies
- Réduit la complexité de la maintenance du réseau en réduisant le nombre de normes réseau à maintenir. Pour ce faire, il faut remplacer les anciennes normes point à point et multipoint (y compris RS-485, CAN, FlexRay, RS-232 et HART) par Ethernet 10BASE-T1S.
- Permet un débit de données plus élevé sur les câbles existants, éliminant ainsi le besoin d'installer de nouveaux câbles, ce qui constitue souvent le facteur de coût le plus élevé dans une installation réseau
- Conçu en tenant compte des exigences de compatibilité électromagnétique (EMC) pour l'industrie et l'automobile
- PHY compatible avec l'alimentation par ligne de données (Engineered PoDL)
Vous trouverez ci-dessous quelques exemples d'utilisation du 10BASE-T1S :
- Ascenseurs : Réduisez le câblage à l'intérieur de la cabine ainsi que sur les unités de contrôle par étage (écrans et bouton d'appel)
- Armoires industrielles : Réduisez la complexité et les coûts d'installation
- Capteurs en réseau : Ethernet pouvant aller jusqu'aux périphériques de nœuds de bord de capteur avec jusqu'à 40 nœuds sur un seul segment SPE de 25 mètres, soit 5 fois l'exigence de la norme IEEE 802.3cg
- Éclairage public : ajouter des bornes de recharge pour véhicules électriques à l'éclairage public
- Communications intra-système : l'Ethernet 10BASE-T1S peut remplacer la plupart des I2C, SPI et autres bus et fonds de panier propriétaires intégrés (par exemple, les cartes mères et les commutateurs de serveur). Réduit considérablement les tâches de maintenance et de développement logiciel. Simplifie la disposition ainsi que la distribution d'énergie sans impacter les débits de données ou les latences
- Automatisation des bâtiments : simplifie les systèmes de contrôle d'accès aux bâtiments
- Train / Tram / Bus : Réduire le câblage au niveau des modules de portes et des systèmes de surveillance et d'appel d'urgence. Une architecture Ethernet unifiée rend la maintenance et la complexité du système plus faciles à gérer
- Automobile : Réduisez le poids, la complexité et le coût du câblage. De plus, il permet des architectures orientées services jusqu'à la périphérie de l'IVN
Un contrôleur PHY Ethernet 10BASE-T1S typique fournit les fonctions de couche physique nécessaires pour transmettre et recevoir des données sur un câble à paire unique non blindé et prend en charge la communication avec un MAC via une interface MII standard. Cependant, le contrôleur Ethernet NCN26010 d'onsemi intègre le PHY et le MAC sur un seul périphérique MACPHY, apportant Ethernet aux capteurs et autres appareils industriels utilisant des MCU milieu/bas de gamme sans MAC intégré. Cela réduit considérablement la complexité du système et offre la flexibilité nécessaire pour réutiliser les nœuds dans des configurations système en constante évolution après les installations initiales.
Figure 2 : Un périphérique MACPHY peut se connecter à des contrôleurs industriels, des capteurs et d’autres périphériques qui peuvent ne pas inclure de MAC.
Émetteur-récepteur Ethernet MACPHY
Le NCN26010 d'onsemi est le premier MACPHY Ethernet 10BASE-T1S du marché. Il s'agit d'un émetteur-récepteur Ethernet MACPHY intégré qui peut connecter des capteurs, des actionneurs et d'autres appareils industriels sans avoir besoin d'un périphérique MAC externe.
Le NCN26010 offre deux différenciateurs majeurs. Le premier est un mode d'immunité au bruit amélioré avec des performances de taux d'erreur binaire (BER) supérieures qui permettent une portée allant jusqu'à 50 mètres avec 8 nœuds, soit 2 fois l'exigence de la norme IEEE 802.3cg. Le NCN26010 est conforme au test d'immunité conduite IEC6100-4-6 à 10 Vrms, garantissant ainsi une détection de signal robuste dans les environnements d'usine bruyants. Le deuxième est une capacité plus faible sur les broches en ligne, qui permet de connecter davantage de nœuds sur un seul segment. Il permet jusqu'à 40 nœuds sur un seul câble à paire unique de 25 mètres, ce qui est cinq fois supérieur à l'exigence définie dans la norme IEEE 802.3cg.
Figure 3 : Le NCN26010 présente une faible capacité de ligne pour offrir jusqu'à 40 nœuds sur un seul câble à paire unique non blindé de 25 mètres.
Le NCN26010 réduit également les coûts de maintenance logicielle en suivant l'approche en couches d'Ethernet. Par conséquent, la modification des PHY Ethernet ne nécessite pas de modification des couches logicielles supérieures.
Ethernet industriel jusqu'à la périphérie
Le NCN26010 peut aider les entreprises à profiter des avantages de l'Industrie 4.0 en fournissant une solution Ethernet qui peut être utilisée dans des endroits où cela n'était pas possible ou pratique dans le passé. 10BASE-T1S offre la possibilité d'étendre la connectivité Ethernet jusqu'aux limites des réseaux industriels tout en simplifiant les architectures et en réduisant les coûts d'installation et de maintenance du réseau.
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Références
1 Contrôle déterministe en temps réel : qu'est-ce que cela signifie réellement dans les applications de contrôle de mouvement ?
2 Ethernet 10BASE-T1S et 10BASE-T1L réinventent la connectivité automobile et industrielle – Microwave Product Digest