Живот сред опасности. Нови разработки при Ethernet технологиите дават възможност за сигурното им приложение в тежки условия на работа

Нови разработки при Ethernet технологиите дават възможност за сигурното им приложение в тежки условия на работа

Джейсън Толефсон

Електрическият шум от околната среда може да се окаже фатален за функционирането на жичните комуникационни системи. При неговото излъчване и попадане върху проводници той може да предизвика загуба на данни и да компрометира работата на околните електронни прибори.

Дори стабилни технологии като класическата Ethernet на практика се оказват уязвими към електрическия шум при използването им в тежки условия - например в индустриалните системи за управление и в автомобилите.

Добрата новина е, че вече съществуват пазарно достъпни технологии за потискане на шума и съответно ограничаване на чувствителността към него, благодарение на които Ethernet се превръща в надеждно комуникационно средство за работа в тежка околна среда. Все пак първото, което трябва да бъде изяснено, е влиянието на отделните фактори върху Ethernet комуникациите.

Електромагнитна съвместимост

При предаването на данни на значително разстояние проводниците са както източници, така и приемници на шум.

Електромагнитната съвместимост (Electromagnetic Compatibility) EMC дава възможност за оценка на влиянието на излъчването и приемането на шума върху параметрите на електронни прибори при дадени условия на работа.

Излъчването на шум в околното пространство възниква при предаване на данни по проводници, които действат като антена. Допустимите нива на излъчване, установени от регулаторните органи, осигуряват безпроблемното функциониране на близко разположени едни до други прибори и системи.

Измерването на попадналия шум е другата страна на изследването на ЕМС. Поради неговото влияние върху комуникационни проводници от близко разположени до тях източници може да се получи интерференция, водеща до намаляване на скоростта на обмен на данни на системите или блокиране на работата им.

Целта на изследването на ЕМС е намаляване на тези влияния и осигуряване на безпроблемно тяхно функциониране.

Връзката между Ethernet и ЕМС

За намаляване на интерференцията в Ethernet се ползват методи за окабеляване и предаване на данни, известни като диференциална сигнализация (differential signaling) и усукани двойки проводници (фиг. 1), създадени първоначално от изобретателя Александър Бел.

Чрез предаване на сигнали с различна полярност, т. е. диференциално, се намалява големината на излъчвания шум, тъй като създадените от тях електромагнитни полета взаимно се компенсират.

Същевременно приемниците с диференциален вход се влияят много по-малко от шума, тъй като по-ефективно го различават от полезния сигнал. При усуканата двойка проводници върху сигналите във всеки от тях попада еднакъв шум, т. е. синфазен, което е известно като балансна сигнализация (фиг. 2). В приемника синфазният шум допълнително се намалява чрез трансформаторно свързване.

Тези прости и ефективни начини за подобряване на ЕМС позволиха на Ethernet да стане технология, широко разпространена в дома и офиса. Тъй като днес тя все повече се използва в тежка околна среда и за връзки с дълги кабели (т. е. дълги антени), каквито са производствените линии в индустрията, електроразпределителните мрежи и системите в транспортните средства, то електромагнитната съвместимост се оказва важна както никога досега.

Добрите прости методи от времето на Бел вече започват да се стават неефективни и това налага необходимостта от нови подобрени технологии за удовлетворяване на повишените изисквания.

Quiet-WIRE технологията за подобряване на ЕМС

Тя е създадена за осигуряване на по-добра ЕМС на Ethernet и се основава на две нововъведения в приемниците, първото от които е вграждане на активен филтър за потискане на шума с честота 60 Hz.

Допълнително подобряване на потискането се постига чрез неизвестната по времето на Бел цифрова обработка на сигналите (Digital Signal Processing) DSP, а съвместното им използване има като резултат подобряване на работата в тежка околна среда.

На фиг. 3 са показани резултатите от лабораторни измервания с помощта на метода Bulk Current Injection (BCI), масово използван за оценка на ЕМС. Вижда се липсата на грешки при предаването, когато се инжектира шумов ток 200 mA в честотен обхват 1-400 MHz и се използва технологията Quiet-WIRE.

Това съответства на стандартите изисквания на OEM производителите в автомобилостроенето, които са сред най-строгите. За сравнение в приемник без технологията Quiet-WIRE влошаването на сигнала с около 9 dBm означава 10 пъти по-лоши характеристики.

Тази технология ползва и свойствата на продукта Signal Quality Indicator, който дава стойността на отношението сигнал/шум, оценява дължината на кабела, качеството му и попадналия върху него околен шум. Основното предимство на продукта е скъсяване на времето за монтаж на системите, тъй като чрез неговите показания има възможност в реално време да се оцени влиянието на външните фактори върху тях.

При голям околен шум още преди започването на производството на системата индикаторът дава предупреждение за необходимата корекция в неговия източник или за промяна на окабеляването. Това може да спести значителни средства от повиквания за диагностика, такива при спиране и/или неправилно функциониране на системите, както и поради влошени техни параметри.

Реализацията на Quiet-WIRE

Компанията Microchip е разработила пълна гама Quiet-WIRE продукти за работа в тежка околна среда. На фиг.4 е дадена типичната блокова схема на вградени в автомобили Ethernet базирани мрежи, реализирани с предлаганите понастоящем такива прибори.

Двата комутатора KSZ8061 и KSZ8567 са снабдени с Quite-WIRE, за разрешаването на която по време на производствения процес е достатъчно един извод (Strapping Pin) на интегралната схема да се свърже към постоянното захранващо напрежение, без да е необходима никаква промяна в програмното осигуряване.

Компанията предлага 24 продукта за Ethernet с технологията Quite-WIRE, включително такива в съответствие с AEC-Q100 и разширен до +105°С температурен обхват. Те позволяват (както е показано на примера от фиг. 4) потребителите самостоятелно да разработват комуникационни системи с Ethernet, работещи в зони с наличие на висок шум.

Чрез използването на продукти с технологията Quite-WIRE е възможно създаването на комуникационни системи с висока надеждност и подобрена ЕМС, които да функционират безпроблемно през целия си експлоатационен живот.