Preživeti v nevarnem okolju

microchip 300x74 - Preživeti v nevarnem okoljuMicrochip Technology Inc
Avtor: Jason Tollefson
2018_269_31

Kako napredek v Ethernet tehnologiji omogoča varno namestitev v težkih okoljih.

269 31 01 300x188 - Preživeti v nevarnem okolju

Električne motnje so v nekem okolju lahko uničujoče, ko gre za ožičeno komunikacijo. Komunikacijska zmogljivost je zaradi izgubljenih paketov močno okrnjena, po eni strani zaradi emisij, po drugi strani pa zaradi povezovanja in medsebojnih vplivov med elektroniko, ki je nameščena v bližnji okolici. Motnje lahko prizadenejo celo delovanje tako robustne tehnologije, kot je tradicionalni Ethernet, saj so razporejene v vse bolj zahtevna okolja, kot sta na primer notranjost sodobnih avtomobilov in različna krmiljenja v industriji.

Zato je še toliko bolj dobrodošla novica, da na trg prihajajo povsem nove tehnologije, ki preprečujejo motnje in omejujejo občutljivost, saj dajejo Ethernetu oznako sposobne komunikacijske tehnologije za robustna okolja.

Najprej pa poskusimo zgraditi razumevanje osnovnih dejavnikov, ki vplivajo na Ethernet komunikacijo.

Elektromagnetna združljivost

Pri prenosu podatkov na velike razdalje so žice kot ustvarjene za oddajanje, prav tako pa tudi za sprejemanje motenj. Elektromagnetna združljivost (EMC) je znanost za merjenje vpliva teh učinkov na delovanje nekega izdelka v določenem okolju.

Emisija motenj se pojavi, ko se prek žic prenašajo podatki. Žice delujejo kot neke vrste antena, ki motnje oddajajo v okolico. V ZDA to področje ureja FCC (Federal Communications Commission) in določa, katere ravni emisij so še dovoljene. Obstajata ločena razreda A in B, ki določata te ravni za dom ali poslovno okolje. To zagotavlja, da izdelki in sistemi ne bodo povzročali težav, ko bodo nameščeni drug poleg drugega.

Spajanje je druga komponenta, ki je merjena v EMC študiji. Motnje, ki se ujamejo v komunikacijske žice iz bližnjih virov, lahko povzročijo tolikšen medsebojni vpliv, da se občutno zmanjša pretočnost sistema ali povzroči njegovo popolno odpoved.Cilj študija izdelka EMC je odpraviti te učinke tako, da lahko sistemi delujejo skupaj brez težav.

Ethernet in EMC v prepletenem razmerju

Ethernet za zmanjšanje motenj uporablja posebno metodo ožičenja in prenašanja signalov, ki se imenuje diferencialni prenos signalov in kable s prepletenimi žičnimi paricami (slika 1), ki jih je izumil Alexander Graham Bell (prvi telefon).
S pošiljanjem signalov, ki imajo nasprotno polariteto (kar imenujemo diferencialno), se zmanjša obseg oddanih emisij, prav tako pa tudi motnje, ki jih oddajata drug proti drugemu. Prav tako so mnogo odpornejši proti motnjam, saj lahko sprejemnik diferencialnega signala bolj učinkovito razlikuje med pravim signalom in motnjami.

S tem, ko sta žici diferencialnega signala med sabo prepleteni, je vsaka motnja, ki se na nek način “pridruži” signaloma v vsaki od žic, enaka v obeh žicah in se zato imenujejo motnje v skupnem načinu delovanja. To sicer imenujemo uravnoteženo prenašanje signalov (slika 2). Na koncu se na sprejemni strani motnje v skupnem načinu še dodatno zmanjšajo z uporabo zveze prek transformatorja.

Te preproste, vendar učinkovite metode za izboljšanje EMC-ja so Ethernetu omogočile, da postane resnično vsesplošno uporabna tehnologija za dom in pisarno. Ker gre razvoj vse bolj v smeri Etherneta v okoljih z vedno težjimi pogoji in vse večjimi dolžinami kablov, (kar pomeni daljše antene), na primer v industrijskih proizvodnih linijah, distribuciji električne energije in krmiljenju v vozilih, je elektromagnetna združljivost (EMC) pomembnejša kot kdajkoli prej. Briljantno preproste tehnike, ki so bile ustvarjene še v Bellovem času, so počasi začele izgubljati svojo čarobno moč in za premostitev nastale vrzeli je zdaj potrebna posodobljena tehnologija.

Quiet-WIRE® – tehnologija za izboljšanje EMC

Da bi še dodatno izboljšali EMC zmogljivost Etherneta, je bila ustvarjena tehnologija Quiet-WIRE. Ta tehnologija uvaja dve ključni izboljšavi za oddajno-sprejemno točko Etherneta. Oddajnik ima integrirano aktivno filtriranje, ki zaduši motnje s frekvenco nad 60 MHz. Poleg tega sprejemnik izboljša dušenje motenj z uporabo digitalne tehnologije za obdelavo signala (DSP), torej res nekaj takega, česar Bell v svojem času še ni imel na razpolago! Ko sta skupaj združeni dve izmed najsodobnejših tehnoloških izboljšav, je upravičeno pričakovati močno izboljšano učinkovitost delovanja v težavnejših okoljih.

Slika 3 prikazuje rezultate laboratorijskega testiranja z uporabo metode Bulk Current Injection (BCI), splošno sprejeto metodo za testiranje učinkovitosti EMC. Podatki kažejo brezhibne prenose in to kljub prisotnosti vsiljenega motilnega toka 200 mA v celotnem frekvenčnem območju od 1 MHz do 400MHz za sprejemnike/oddajnike z vgrajeno tehnologijo Quiet-WIRE. To izpolnjuje zahteve glede avtomobilskih OEM omejitev, ki vsebujejo tudi nekatere najstrožje standarde.

V primerjavi s temi rezultati ima sprejemnik brez vgrajene tehnologije Quiet-WIRE degradacijo signala približno 9dBm, kar predstavlja 10x slabše rezultate.

Tehnologija Quiet-WIRE ima tudi indikacijo kakovosti signala, ki kaže približno razmerje med signalom in šumom in je pravzaprav merilo, ki prikazuje vpliv dolžine kabla, kakovosti kablov in motenj iz okolja na komunikacijo. Ključna prednost kazalnika kakovosti signala je opazna že s krajšim časom, ki je potreben za namestitev sistema. Ob preverjanju vrednosti tega indikatorja lahko tehnik v realnem času dobi informacijo o okoljskih pogojih, ki vplivajo na sistem. Če prihaja do velikih motenj v bližnji okolici, lahko kazalnik kakovosti signala opozori tehnika, da je treba vir motenj zmanjšati oziroma odpraviti ali pa speljati kable na drugačen način, še preden pride izdelek v redno proizvodnjo. To lahko znatno zniža stroške telefonskih storitev pri diagnosticiranju vzrokov za prekinitve v delovanju in/ali nepravilno delovanje storitev ter vzrokov za neoptimalno izkoriščenost zmogljivosti.
Quiet-WIRE® je tu

Podjetje Microchip Technology je ustvarilo celovit nabor izdelkov z vgrajeno Quiet-WIRE tehnologijo, ki sedaj omogoča izdelkom delovanje v okoljih s težkimi pogoji. Slika 4 prikazuje tipično blok shemo omrežja v vozilu, ki uporabljajo Ethernet za uporabo z izdelki, ki nam jih danes ponuja tržišče. Stikali z oznakama KSZ8061 PHY in KSZ8567 vsebujeta opisano tehnologijo Quiet-WIRE, ki jo lahko v času izdelave omogočite prek posebnega priključka, ne da bi pri tem potrebovali kakršno koli programsko opremo.

Microchip ponuja štiriindvajset Ethernet izdelkov s tehnologijo Quiet-WIRE, vključno s proizvodi, ki izpolnjujejo pogoje AEC-Q100 in ki podpirajo razširjeno temperaturno območje delovanja do 105⁰C. Zato se z Ethernetom ne bojte vstopiti v “nevarno območje” okolij s težjimi pogoji za uspešno komunikacijo. Pri uporabi izdelkov s tehnologijo Quiet-WIRE lahko pričakujete visoko zanesljivost komunikacije s povečano učinkovitostjo EMC in z zaupanjem, da bo sistem uspešno deloval skozi celotno življenjsko dobo izdelka.

Več informacij

Dodatne informacije: http://www.microchip.com/design-centers/ethernet/ethernet-devices/technology/quiet-wire

Prepletena žična parica: https://en.wikipedia.org/wiki/Twisted_pair

Vse o EMC:
http://answers.google.com/answers/threadview/id/526221.html
http://www.electronicdesign.com/energy/design-electromagnetic-compliance-ethernet-systems

Merilna metoda BCI (Bulk Current Injection):

http://www.cvel.clemson.edu/workshop/pdf/AutoEMC-Workshop-Steffka.pdf
http://www.rapidtables.com/convert/power/Watt_to_dBm.htm

Opomba: Ime in logotip Microchip sta registrirani blagovni znamki podjetja Microchip Technology Incorporated v ZDA in drugih državah. Vse druge blagovne znamke, ki so morda tu omenjene, so last njihovih podjetij.
www.microchip.com