模塊化連接器在 20 世紀 60 年代由 AT&T 公司推出,以取代笨重的電話連接器,目前已成為全球通信和數據服務的主力軍。雖然最初以電話連接為目標,但隨著時間的推移,標準插孔 (RJ) 連接器也擴展到了數據通信。這成就了今天可能是最常見的模塊化連接器——RJ45 連接器。它們廣泛用于計算機網絡應用,通常稱為以太網連接器。雖然使用廣泛,但本文旨在深度揭示 RJ45 連接器的所有方面,包括其基本特征和功能、應用、標準等等。
RJ45 基礎知識
在最基本的層面上,RJ45 連接器就是一種與電纜配對的模塊化互連裝置,能夠向各種電子系統(tǒng)提供數據通信。它們包含 8 個觸頭和 8 個用于信號或電源的導線位置,這意味著它們允許連接 4 個雙絞線對。盡管這種 8 個觸頭、8 個位置的設置使得它們與其他 8P8C 連接器相似,但實際的 RJ45 連接器還有一個凸片,只允許在一個方向上將器件插入兼容的插座,以防止連接不當。雖然大多數 8P8C 連接器被稱為 RJ45,但這并不完全準確,因為 8P8C 連接器可以插入 RJ45 插座,但 RJ45 連接器不能插入 8P8C 插座。
與任何 模塊化連接器 一樣,RJ45 連接器具有多種優(yōu)勢,如成本低、無焊連接器裝配和接線、快速生產定制電纜、簡單的插入和拆除、用簡單的工具輕松進行現(xiàn)場裝配,以及現(xiàn)場定制電纜的能力。除這些基本優(yōu)勢之外,RJ45 連接器還可以提供一些額外的功能,包括:
- 屏蔽 – 消除了 EMI/RFI 影響
- 鍵控 – 確保了正確插入
- 多種安裝能力 – 允許采用面板、電路板、表面或通孔方法
- 顯示屏和指示器 – 顯示連接狀態(tài)
- 集成磁性元件 – 可以實現(xiàn)更好的屏蔽和電流保護
- 高可靠性 – 為硬件和連接提供保護
RJ45 的用途和應用
RJ45 連接器最常用于連接一個實現(xiàn)互聯(lián)網連接的設備和另一個網絡設備。例如,連接到服務器、路由器、調制解調器、智能電視、游戲機或任何利用以太網協(xié)議的設備的 PC。RJ45 連接器提供的硬接線連接允許更大的數據速度,改善穩(wěn)定性并提高安全性。這使得 RJ45 連接對專業(yè)用途和個人使用都有吸引力。
圖 1:RJ45 連接器在眾多網絡設備中很常見(圖片來源:CUI Devices)。
RJ45 產品系列增加了像更高速度和堅固性這樣的特性和功能后,使得這種互連系統(tǒng)更加適合用于辦公室或家庭網絡以外的用途,而 EtherCAT 協(xié)議的引入則使之在工廠車間和其他地方的使用也越來越多。使用 RJ45 技術的一些較新應用包括:
- 工廠自動化
- 工業(yè)過程控制
- 工業(yè)機器人技術(制造和裝配)
- 測試與計量系統(tǒng)
- 質量控制體系
- 互聯(lián)網協(xié)議語音 (VOIP) 系統(tǒng)和設備
- 物聯(lián)網 (IoT) 網絡設備
RJ45 連接器標準介紹
對于 RJ45 連接器,有多個適用的標準,具體適用那個標準取決于其應用和預期用途。這里簡要地總結了這些適用的標準,但有幾個標準將在后面更詳細地介紹。
ANSI/TIA 1096-A – 包括 RJ45 器件的基本機械特征、物理尺寸和接觸要求
T-568A和T-568B – 基本接線和引腳分配標準
IEEE 802.3at、802.3af 和 802.3bt – RJ45 連接器的各種以太網供電 (PoE) 標準,能夠向終端設備提供電流
IEEE 1394 – 與 RJ45 一起使用的數據接口總線結構
其他各種標準規(guī)定了 RJ45 器件使用的電纜或電線,同樣也主要取決于最終應用。
以太網和 EtherCAT
RJ45 和以太網是兩個相輔相成的術語。由 IEEE 在 20 世紀 80 年代制定的以太網標準 (IEEE 802.3) 定義了配置以太網網絡(連接)的規(guī)則、連接所需的導體數量、預期性能和數據傳輸框架。它仍然是世界上使用最廣泛和最受歡迎的局域網技術,因為它易于使用、成本低、速度快,而且支持廣泛的網絡協(xié)議,RJ45 連接器是網絡安裝中使用的標準器件。
2003 年推出的控制自動化技術以太網 (EtherCAT) 是一個高度靈活的網絡協(xié)議,被業(yè)界用于實時工廠自動化、測試和計量等方面。它由 IEC 標準 61158 定義,工作在高速度下,效率很高。EtherCAT 網絡利用兩個 RJ45 端口,不需要其他特殊硬件。一個 RJ45 連接到網絡中的前一個節(jié)點,另一個連接到下一個節(jié)點,這樣就可以有效地利用帶寬。
以太網布線類別
用于以太網和 EtherCAT 網絡的布線有多種不同的類型,從 Cat5 和 Cat6 到現(xiàn)在的 Cat7,甚至是新的 Cat8。每種電纜標準都提供了大不相同的性能指標,但都仍然利用相同的 RJ45 連接器。這意味著每條電纜,不管是哪種標準,都由 8 根線和 4 對雙絞線組成,這與 RJ45 的 8P8C 配置相匹配。
由于 Cat5e 電纜的速度比 Cat5 快 10 倍,并且具有更好的抗串擾或干擾能力,Cat5 在這一點上大多已經過時。接下來,Cat6 比 Cat5e 又提高了帶寬容量,通過屏蔽進一步減少串擾和干擾,并保持向后兼容 Cat5/5e。它經常用于需要千兆位速度的網絡安裝中。較新的 Cat6a 采用了厚的塑料外殼,進一步減少了串擾,并允許更長的電纜運行,最長可達 328 英尺。Cat7 和 Cat7a 也分別增加了帶寬容量。
表 1:以太網電纜類別規(guī)格(圖片來源:CUI Devices)
以太網供電 (PoE)
除了轉發(fā)數據信號外,RJ45 連接器還能利用以太網電纜中未使用的雙絞線對,向所連接的設備提供電力。這種以太網供電 (PoE) 技術是由 IEEE 標準 802.3af 及其迭代版本所定義的,持續(xù)提高了電力輸送能力。
表 2:以太網供電標準(圖片來源:CUI Devices)
能夠通過這些線對提供直流電消除了對單獨進行電源接線的需要。由于不需要單獨的電線、插座或安裝,PoE 已經迅速普及,正是因為它帶來了成本節(jié)約和靈活性。而且 PoE 的設計更安全、可靠和可擴展。
圖 2:PoE 供電器為以太網連接的設備提供電力(圖片來源:CUI Devices)
T568A 和 T568B 標準
T568A 和 T568B 是兩個 RJ45 引腳分配標準,規(guī)定了連接器內 8 條線的分配。這些彩色編碼導線必須正確插入其指定的引腳分配位置,以保證以太網的正常運行。T568A 為舊的接線提供向后的兼容性,T568B 提供了更好的信號隔離和噪音保護。RJ45 直通式連接器允許導線穿過連接器,并在壓接過程中進行修剪,以便更容易對齊。
圖 3:T568A 和 T568B 引腳分配(圖片來源:CUI Devices)
圖 4:RJ45 連接器中顯示的 T568B 接線(圖片來源:CUI Devices)
決定哪種標準合適,將取決于個人的設計需求以及是否使用直通電纜或交叉電纜。直通電纜(跳線)在兩端都采用相同的接線標準,而交叉電纜則在一端采用 T568A 和另一端采用 T568B ,且用于連接同類型設備。反轉線是扁平的,將設備連接到網絡交換機的控制臺端口。它們只用于建立一個接口,不傳輸數據。
環(huán)回和 T1 是另外兩個可能聽到的常用術語。環(huán)回是一種允許計算機與自身連接的連接方式,可用于診斷、排除故障和與服務器連接。T1 線路雖遠不如 15-20 年前常用,但它是直接從電信服務提供商到最終用戶的專用線路,擁有更高的速度,可以同時傳輸語音和數據。
RJ45 的最終設計考慮
設計時要將 RJ45 連接器與以太網網絡對接需要注意多個技術問題。在板級,重點是減少 EMI,保持電信號隔離,并保持信號完整性。如果無法深入研究電路設計細節(jié),那么密切關注電路板上導線的長度和位置就很重要。另外還應考慮 PCB 上連接器的物理位置。
之于磁性元件,如果在設計中加入了有線以太網,就必須考慮,因為 10/100/1000 Base-T 網絡的以太網規(guī)范中就包括了磁性元件。磁性元件是繞線元件(如變壓器),提供 EMI 屏蔽,防止故障和瞬態(tài),并提供電氣隔離和信號平衡。它們必須被隔離,并盡可能地靠近 RJ45 連接器。
在設計中加入磁性材料有兩種選擇。選項一是選擇一個在外殼中集成磁性元件的 RJ45 連接器。RJ45 磁性插孔具有改進 EMI 屏蔽和連接更可靠的優(yōu)點。第二個選擇是在 PHY(以太網實現(xiàn))芯片和普通 RJ45 插口之間的 PCB 上添加一個磁性模塊。磁性模塊往往比集成連接器便宜,同時能提供更好的靜電放電 (ESD) 保護。這兩種選擇各有優(yōu)缺點,需要根據整體系統(tǒng)設計進行權衡。
結語
與其他模塊化連接器一樣,RJ45 連接器帶來了簡單的設計導入、快速和簡便的安裝、產品的廣泛性和用戶的易用性。它們已為世界各地的家庭和辦公室網絡應用所接受,并正在不斷為工廠車間和惡劣環(huán)境所接受。
CUI Devices 提供各種 RJ45 連接器,具有多種選件,包括集成磁性元件、PoE、LED 指示燈等。
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