МПС 6. Понятие об интегрированной и распределенной системе. CAN (Control Area Network) – интерфейс.
Резкое уменьшение габаритов современных электронных устройств и повышение их функциональной насыщенности во многом изменило идеологию проектирования крупных систем. В настоящее время наблюдается переход от интегрированных систем, в которых один мощный процессор управляет большим количеством пассивных периферийных устройств, к распределенным - когда каждый элемент системы является активным устройством.
В первом случае в системе используется мощный процессор с большим количеством пассивных устройств, а передача информации осуществляется по параллельной шине (например VME, PCI, ISA, PC/104 и т. д.).
Распределенные системы обладают следующими преимуществами:
· Легкая расширяемость. Cтандартные протоколы верхнего и нижнего уровней позволяют строить системы с автоконфигурацией, а также обеспечивают совместимость с оборудованием, производимым другими фирмами.
· Высокая надежность. Для подключения к сетевому интерфейсу требуется небольшое количество проводов и используются разъемы с небольшим количеством контактов. Например для подключения к CAN или Profibus необходимо 3 провода - два сигнальных и один общий, если использовать дополнительный канал для резервирования, то требуется 6 проводов и соответствующее количество контактов разъема. При таком количестве сигналов легко обеспечивается гальваническая развязка элементов системы. Ряд сетевых интерфейсов осуществляет коррекцию ошибок на аппаратном уровне, для передачи и приема используются дифференциальные приемопередатчики, которые подавляют синфазные помехи. Поскольку в такой системе все элементы активны, то легко обеспечивается дублирование функций другими элементами системы.
· Малые сроки разработки. Наибольший выигрыш достигается при разработке крупных систем, поскольку большая часть аппаратных средств и программного обеспечения не требует модификации.
· Легкость тестирования и отладки. Поскольку все элементы системы активны, легко обеспечить самодиагностику и поиск неисправности.
· Возможность распределения системы по объекту. Система может находиться в одном конструктиве, а также может быть распределена по объекту, что позволяет уменьшить затраты на монтаж и на использование медного провода.
· Использование компьютеров и контроллеров меньшей мощности. Задача распределяется по активным элементам системы - метод декомпозиции, активно используется программистами для разработки эффективных программ. Поскольку при решении задачи используется несколько процессоров, каждый из них может иметь небольшую производительность.
Локальная шина выбирается исходя из требований необходимой производительности и совместимости с соответствующими периферийными устройствами. Однако необходимо помнить, что многоразрядные производительные шины обладают низкой помехоустойчивостью и высокой стоимостью, а их многоконтактные выходные разъёмы уменьшают надёжность. Подобные шинные интерфейсы должны применяться там, где они необходимы – при передаче информации от быстродействующих цифроаналоговых и аналого-цифровых преобразователей, при обмене между DSP процессорами, видеопроцессорами, дополнительными модулями памяти и т. д.
Системы управления могут разрабатываться на базе компьютеров или контроллеров.
Достоинством применения компьютеров в распределённых системах управления являются: универсальность, мощная поддержка хорошо известного программного обеспечения и, как следствие этого, высокая скорость разработки системы. Главными недостатками – относительно высокая стоимость аппаратных средств, медленное восстановление после рестарта системы ("медленный" старт PC компьютеров), что ограничивает применение подобных изделий в системах реального времени.
Использование микропроцессорных контроллеров дает наибольший выигрыш в стоимости системы при ее серийном выпуске, обеспечивает реальное время работы с внешними устройствами, быстрое время рестарта и увеличивает степень интеграции системы (меньшие габариты), поскольку современный промышленный контроллер позволяет заменить до 5 компьютерных плат (процессор с устройствами ввода-вывода).
Основными трудностями при проектировании систем c использованием интегрированных микроконтроллеров являются трудности, связанные с разработкой программного обеспечения, т. к. необходимо применение специальных средств для тестирования и отладки программ, отсутствие стандартных интерфейсов для мониторов высокого разрешения и накопителей большой емкости.
Комбинированное использование встраиваемых компьютеров и контроллеров при построении крупных систем позволяет максимально использовать преимущества и тех и других, и обеспечивает высокие показатели универсальности, надежности, стоимости и т. д.
CAN (Control Area Network) – интерфейс.
CAN - последовательная магистраль, обеспечивающая увязку в сеть "интеллектуальных" устройств ввода/вывода, датчиков и исполнительных устройств некоторого механизма или даже предприятия. Характеризуется протоколом, обеспечивающим возможность нахождения на магистрали нескольких ведущих устройств, обеспечивающим передачу данных в реальном масштабе времени и коррекцию ошибок, высокой помехоустойчивостью. Система CAN обеспечена большим количеством микросхем, обеспечивающих работу подключенных к магистрали устройств. CAN – протокол первоначально был предназначен для использования в шинах последовательных данных в автомобилях. Такие шины должны были обладать следующими характеристиками:
1. должна быть возможность обработки данных в реальном масштабе времени;
2. должна быть надежная передача при электромагнитных помехах;
3. должна обладать экономической эффективностью;
4. должна обладать необходимой ширенной полосы частот.
CAN - интерфейс обеспечивает возможность построения мультипроцессорных систем с использованием минимального количества соединительных цепей. В отличие от типовых сетевых интерфейсов(Ethernet, ArcNet и др.) CAN - интерфейс обеспечивает возможность задания приоритетов на шине и является наиболее распространенным вариантом микропроцессорного шинного интерфейса с дифференциальным приемником и передатчиком.
СAN – протокол – это протокол связи с высокой надежностью передачи информации по последовательному каналу в широковещательном режиме. Это значит, что все CAN – узлы могут слышать все сообщения, находящиеся на шине. Поэтому нельзя послать сообщение только одному CAN – узлу. CAN – контроллеры обеспечивают локальную фильтрацию сообщений так, чтобы каждый узел мог реагировать только на нужные ему сообщения. При передаче данных CAN – протокол аппаратно обеспечивает формирование сообщения, выполняет передачу данных, осуществляет побитную синхронизацию, выполняет идентификацию сообщения, проводит битстаффинг (вставка бита после некоторой последовательности бит), подтверждает правильность приема данных, а так же обнаруживает и исправляет ошибки.
Каждый CAN - узел содержит CAN - контроллер, который обеспечивает взаимодействие с сетью и реализует протокол, и микропроцессор(CPU).
При одновременной передаче в шину логического ноля и логической единицы от разных источников, на шине будет зарегистрирован логический ноль, а логическая единица будет подавлена.
Протокол CAN поддерживает два стандарта.
1. ISO11898. Транспортные средства. Обмен цифровой информацией. Локальная сеть контроллеров CAN для быстрой связи.
2. ISO/IS. Транспортные средства. Низкоскоростная последовательная связь данных. Часть вторая. Низкоскоростная локальная сеть контроллеров CAN.
Оба стандарта определяют в CAN - контроллере физический и канальный уровни семиуровневой модели (ISO/OSI).
1. Существует в основном два вида связи между узлами, если не учитывать процедуры повтора сообщения принятого с ошибкой:
1.1. Один узел передает информацию, а другой получает;
1.2. Узел A запрашивает узел B о данных и получает ответ;
2. Для пересылки информации служат кадры данных Data Frames
В CAN - сообщении нет явного адреса. Такой тип рассылки сообщений называется «схема адресации, ориентированная на содержимое», т. е. содержание данных в CAN - сообщении как бы неявно определяет адрес источника этого сообщения и адреса приемников. Все CAN - узлы получают сообщение, но используют эту информацию только те узлы, которым она необходима.
Максимальная длина кадра 94 бита. Это максимальная сервисная нагрузка.
На CAN- шине могут передаваться только четыре типа кадров:
DATA Frame – кадр данных; REMOTE Frame – кадр дистанционного управления или запроса; ERROR Frame – кадр ошибки на шине; OVERLOAD Frame – кадр переполнения, передаваемый для задержки пакетов первого или второго типа.Каждый тип кадра используется для определенных целей. Кадры третьего и четвертого типа передаются CAN - узлом автоматически. Наполнение информацией кадров первого и второго типа определяется проектировщиком системы.
CAN v2.0 A/B. Версия А характеризуется тем, что в формате передачи данных используется 11-разрядный, идентификатор.
Версия В использует идентификаторы 11 и 29 бит.
Параметры:
- стандарт ISO 11898;
- скорость до 1 Мбит/сек;
- расстояние до 1000 м;
- полудуплексный режим.
