Ethernet-Baustein Automatische Kabeldiagnose in Industrial-Ethernet-Netzwerken

Der schwächste Punkt in Ethernet-Netzwerken sind gewöhnlich die Schnittstellen wie Steckverbinder oder Kabel. Die Probleme bei der Installation sowie Fehlersuche tragen erheblich zu den Gesamtwartungskosten bei. Mit LinkMD Cable Diagnostic hat Hersteller Micrel eine dedizierte Analysetechnik auf die eigenen Ethernet-Bausteine integriert, die auftretende Störungen lokalisieren kann.

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Viele bekannte Probleme in Fast-Ethernet-Netzwerken entstehen durch Fehler an den physikalischen Schnittstellen. Diese bestehen standardmäßig aus ungeschirmten CAT5-Twisted-Pair-Kabeln und RJ45-Steckverbindern. Raue Umgebungsbedingungen im Industriebereich wie starke Vibrationen, Schmutz oder Feuchtigkeit haben dazu geführt, dass gelegentlich M12- oder mechanisch verstärkte RJ45-Steckverbinder eingesetzt werden. Dennoch sind mangels Einigung auf eine Industrieform die RJ45-Stecker nach wie vor am meisten verbreitet.

Die CAT5-Kabel bilden traditionell die größte Schwachstelle in einem Netzwerk. Häufige Verkabelungsprobleme sind die Unterbrechung einer Leitung oder Kurzschlüsse. Sie können durch eine Vielzahl an Ursachen entstehen. Eine Leitungsunterbrechung tritt im einfachsten Fall beispielsweise dann auf, wenn ein Kabel unbeabsichtigt entfernt oder nicht angeschlossen wird. In Fabriken verursachen oft auch beschädigte Kabel oder Steckverbinder Leitungsunterbrechungen.

Eine dedizierte Technik für die schnelle Diagnose solcher Probleme trägt den Namen LinkMD Diagnostic und kommt von Hersteller Micrel, der sie in seine Ethernet-Bausteine integriert hat. Sie nutzt Zeitbereichsreflektometrie zur Verkabelungsanalyse hinsichtlich Unterbrechungen, Kurzschlüssen und Impendanzfehlanpassungen.

Wird ein Impuls mit bekannter Amplitude und Dauer in ein Kabelpaar gesendet, kommt ein reflektierter Impuls zurück. Die Reflexion wird durch die Impedanzfehlanpassung an der Last verursacht. Über die Analyse der reflektierten Amplitude lassen sich die Impedanzfehlanpassung kalkulieren und Fehler im Kabel feststellen. Der Reflexionskoeffizient rL, definiert als der Quotient aus der Amplitude der reflektierten Welle und der Amplitude der Eingangswelle (Incident Wave = VI)

errechnet sich laut

Wobei ZL die Impedanz an der Last und Z0 die Impedanz am Kabel darstellt (100 V für CAT5-Kabel).

Anhand dieser Formel lässt sich ein Fehler einfach identifizieren:

a) → Kurzschluss

b) → falscher Abschlusswiderstand

c) → korrekter Abschlusswiderstand

d) → falscher Abschlusswiderstand

e) → Unterbrechung

Für ein Kabel mit korrektem Abschlusswiderstand ergibt dies also , es treten keine Reflexionen auf. In der Praxis ist jedoch immer mit kleinen Ungenauigkeiten und schwachen Reflexionen zu rechnen. Bei Kurzschluss hat die reflektierte Welle aufgrund des negativen Reflexionskoeffizienten entgegengesetzte Polarität bei gleicher Amplitude. Bei Leitungsunterbrechung besitzt die reflektierte Welle die gleiche Polarität und Amplitude wie das Eingangssignal .

Fehlerort exakt berechnen

Die Ausbreitungsgeschwindigkeit (engl. Velocity of Propagation, VOP) beschreibt das Verhältnis der Signalgeschwindigkeit im Kabel im Vergleich zur Lichtgeschwindigkeit im Vakuum (). Die herstellerspezifische Konstante ist zusätzlich abhängig vom Kabeltyp. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit eines CAT5-Kabels liegt bei 0,66. Das bedeutet, ein Signal pflanzt sich in einem Kabel dieses Typs mit einer Geschwindigkeit von fort. Mithilfe dieser Konstante lässt sich die Länge eines Kabels oder die Entfernung zu einem Fehler leicht errechnen, indem die Laufzeitverzögerung der reflektierten Welle gemessen wird. Als grobe Schätzung der Kabellänge lassen sich 5 ns Laufzeitverzögerung je Kabelmeter ansetzen. Bild 1b zeigt die Laufzeitverzögerung der reflektierten Welle für ein 90-m-CAT5-Kabel bei Leitungsunterbrechung. Demnach berechnet sich die Distanz zur Fehlerquelle mittels Entfernung in

Bei einer Laufzeitverzögerung von rund 900 ns beträgt die Distanz zum Fehler etwa 90 m. LinkMD Cable Diag-nostic erlaubt eine Fehlerdiagnose für Entfernungen bis zu 200 m. Die Kalibrierung der VOP für eine spezifische Verkabelung kann zu einer Genauigkeit von 61 m führen. Für kurze Kabel, wie in Bild 1c gezeigt, wird das Eingangssignal von der reflektierten Welle überlagert. Dies liegt daran, dass die Laufzeitverzögerung für den Gesamtdurchlauf des Signals (Round Trip) geringer als die Eingangspulslänge ist:

Ethernet-Bausteine mit LinkMD

Hersteller Micrel bietet LinkMD in seinen Ethernet-Bausteinen, dem Single-Port-PHY KS8001, die Single- und 2-Port-Controller der Produktfamilie KS884x und die 3-Port-Switches KS8893ML. Der PHY KS8001 in Low-Power-Technologie kombiniert die LinkMD-Kabeldiagnose mit HP Auto MDI/MDI-X Crossover (automatische Erkennung von Sender- und Receiverpins) und wird in einem 48-Pin-LQFP-Gehäuse angeboten. Unterstützt werden auch Serial MII (SMII), Reduced MII (RMII) und Standard-MII.

Die Controller-Familie KS884x umfasst 8-Bit-, 16-Bit- und 32-Bit-Generic-Bus-Ethernet-Controller für Embedded- und Industrieapplikationen. LinkMD ergänzt hier Auto MDI/MDI-X Crossover, sowie Loopback und 34 MIB-Counter je Port für konforme Leistungs-Monitoring-Statistiken. Der KS8842ML ist derzeit der einzig verfügbare 2-Port-Ethernet-Controller und bietet Pinkompatibilität mit dem Single-Port KS8841ML für ein duales PCB-Layout und Upgrading.

Der Ethernet-Controller KS8842ML und der Switch KS8893ML besitzen jeweils eine „Three-in-one“-Flexi-Engine, die Store- und Forward-Switch, 2-Port-Isolation und Repeater-Modi bietet.

Im Repeater-Modus beträgt die max. Latenzzeit 310 ns, wodurch sich die Lösung gut für echtzeitkritische Industrieapplikationen wie Powerlink eignet.

*Mike Jones ist Field Application Engineer bei Micrel in USA.

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