Оглавление:
Однопарный Ethernet (сокращенно SPE — Single Pair Ethernet) обеспечивает одновременную передачу данных и энергии всего по одной паре проводов. Этот стандарт используется в промышленности, автоматизации и автомобилестроении и является одним из ключевых элементов технологии Интернета вещей (IoT). Давайте рассмотрим основные характеристики этого интерфейса.
SPE — основная информация
На сегодняшний день Ethernet является самым популярным стандартом проводной связи для промышленного Интернета вещей, обеспечивающим высокую производительность и надежное соединение. Этот стандарт также предлагает возможность передачи сигнала питания (PoE, Power over Ethernet), что значительно снижает количество, вес и стоимость соединительных кабелей. Ethernet набирает популярность и в автомобильной промышленности — во многих современных решениях он заменяет стандарт CAN, который долгое время был основным протоколом обмена данными между отдельными компонентами авто. Ethernet позволяет передавать больше данных, необходимых для реализации многих функций, связанных с увеличением автономности транспортных средств.
Для соединения двух элементов в классическом стандарте Ethernet необходимо было использовать четыре или две витые пары проводов (подробнее о распиновке тут). Естественно всё это приводило к значительному увеличению количества и веса соединительных кабелей. Проблема становилась очень серьезной — кабели занимают много места, создают затраты при сборке и последующем обслуживании схем. Дополнительная масса проводов существенно влияет на рабочие параметры устройств, особенно в случае таких транспортных средств, как электромобили, самолеты и поезда.
Так что было принято решение разработать версию стандарта Ethernet, использующую только одну витую пару кабелей. Однопарный Ethernet (SPE) позволяет передавать данные со скоростью до 1 Гбит/с, обеспечивая при этом подачу до 50 Вт мощности (технология PoDL — Power over Data Lines) всего по двум проводам.
SPE и обычный Ethernet
В настоящее время Ethernet имеет несколько различных версий. Наиболее часто используются 10/100 Base-T Ethernet, в котором для передачи данных используются две пары кабелей, а Gigabit Ethernet использует четыре пары проводов. Также широко используется возможность питания устройств по линиям Ethernet, что обеспечивается технологией PoE. Комплект Gigabit Ethernet + PoE особенно подходит для построения промышленных сетей, объединяющих множество различных типов датчиков.
Кабели Ethernet обычно изготавливаются из медного провода диаметром 24 AWG (около 0,5 мм). Все восемь кабелей (в случае версии Gigabit Ethernet) размещены внутри кабеля CAT-5e, дополнительно экранированного. На крупных промышленных объектах можно увидеть километры такого типа кабелей, расположенных практически повсеместно. Обычно они проходят вдоль стен и потолков, чтобы как можно меньше нарушать ход путей сообщения, и в то же время свести к минимуму риск их обрыва или повреждения.
Масса этих тросов может составлять сотни килограммов, поэтому вносимую ими нагрузку необходимо учитывать при расчете прочности строительных конструкций и устройств. Чрезмерная нагрузка кабелями может привести к повреждению как конструктивных элементов зданий, так и связанных с ними устройств.
А ещё обычные кабели Ethernet имеют ограниченную дальность действия — они обеспечивают прямое подключение на расстоянии до 100 м. В случае более длинных линий необходимо использовать дополнительные устройства усиления сигнала. Это ещё более увеличивает сложность и стоимость создания и обслуживания всей системы.
SPE позволяет осуществлять двунаправленную передачу данных и распределение мощности по одной паре проводов с максимальной дальностью связи до 1000 м. Все это способствует значительному снижению веса кабельной системы, облегчает процесс монтажа системы, а также удешевляет ее строительство и последующее обслуживание. Вот почему стандарт SPE все чаще используется в промышленных и автомобильных решениях.
Характеристики однопарного Ethernet
Официальная спецификация SPE для скоростей до 10 Мбит/с указана в документе IEEE 802.3cg. Эта версия позволяет обмениваться данными на расстоянии до 1000 метров.
- В документе IEEE 802.3bw описана версия, позволяющая передавать данные со скоростью до 100 Мбит/с на расстояние до 50 м. Она используется, в частности, в автомобильной промышленности и в случае необходимости связи с датчиками, которые требуют более высокой пропускной способности.
- В документе IEEE 802.3bp описана версия SPE, позволяющая передавать данные со скоростью до 1000 Мбит/с на расстояние до 15 м. Такое короткое расстояние подходит для некоторых промышленных систем, но этот стандарт особенно применим, когда он необходимо для передачи изображения с камер скоростного разрешения, а также в различных типах транспортных средств.
- Стандарт IEEE 802.3ch описывает версию SPE, допускающую скорость передачи до 10 Гбит/с на расстояние до 15 м. Он очень похож на версию IEEE 802.3bp, но также включает описание физического уровня.
- Возможность питания конечных устройств через интерфейс SPE (технология PoDL) была описана в публикации IEEE 802.3bu, опубликованной в 2016 году. Там определено 9 классов конечных устройств, отличающихся максимальным питанием, где в наивысшем можно получить до 50 Вт. В 2020 году вышла новая версия стандарта IEEE 802.3 cg, которая вводит 6 дополнительных классов конечных устройств и немного увеличивает доступную максимальную мощность до 52 Вт.
Схема соединителей SPE
В случае промышленных сетей основанных на стандарте SPE, разъемы RJ45 (обычно используемые в офисных сетях или компьютерных розетках) не используются. Требования к соединителям для интерфейса SPE в промышленных приложениях описаны в стандарте IEC 63171, где есть 6 различных вариантов корпуса. Они отличаются такими параметрами, как максимальная скорость передачи данных, уровень передаваемой мощности, а также совместимостью с различными типами кабелей.
Таким образом однопарный Ethernet имеет много преимуществ по сравнению с классическим Ethernet. К наиболее важным из них относятся:
- уменьшение веса соединительных кабелей как минимум вдвое;
- совместимость с существующими сетями на базе Ethernet;
- до 10 раз большая дальность одиночного соединения;
- возможность одновременной передачи данных и питания благодаря технологии PoDL;
- более быстрая сборка и установка новых сетей за счет меньшего количества подключений.
В общем следует ожидать роста популярности стандарта SPE и постепенного вытеснения классического Ethernet во многих областях промышленности, автоматизации и автомобилестроения. И конечно в домашних интернет-сетях.