Сетевые технологии в системах реального времени

    Во-первых, передатчик всегда проверяет сигнал на шине и сравнивает с тем, что  он послал. Если посланный бит и  результирующий уровень на шине не равны, фиксируется разрядная ошибка. При этом обнаружение активного  бита, когда передаётся пассивный  бит, не выдаёт ошибку в течение передачи поля арбитража и первого бита поля АСК

    Передатчик  всегда передаёт первый бит поля АСК как пассивный. Все приёмные узлы, независимо от того являются они пунктом назначения или нет, во время приёма этого бита посылают на шину активный бит. Передатчик прослушивает шину и, если обнаруживает на ней уровень логического ноля, то считается, что сообщение принято, в противном случае фиксируется ошибка подтверждения.

    Некоторые поля в кадре CAN имеют определённое значение и расположение относительно других полей кадра. Если обнаруживается неправильный формат, то имеет место ошибка формы.

    Каждый  кадр содержит поле контрольной суммы. Если контрольной суммой обнаружена ошибка, то имеет место ошибка контрольной  суммы.

    Когда узел обнаруживает одну из перечисленных  ошибок, он передаёт кадр ошибки. Передача кадра ошибки отменит текущую  передачу и заставит все узлы отбросить  текущий кадр. При выявлении ошибки передача кадра повторятся.

    Благодаря этим механизмам подсчитано, что вероятность  невыявленной ошибки составляет менее 4,7 *10^-11.

    Многие  механизмы CAN-протокола работают благодаря тому, что все CAN-контроллеры принимают сигналы с шины почти одновременно, т.е. один и тот же бит принимается всеми контроллерами сети в одно и то же время. Каждый CAN-контроллер принимает бит в течение определённого промежутка времени, отсчитываемого по системным часам. Тактовый генератор CAN-контроллера синхронизируется с системными часами (тактами канала). Благодаря синхронизации узлы не имеют права начать передачу асинхронно: только в момент времени, определённый тактом. Именно это делает возможным побитовый арбитраж, но ограничивает длину шины.

    Стандарт  CAN (ISO 11898) ограничивается спецификацией двух нижних уровней ЭМВОС и не регламентирует, каким образом конкретные приложения будут передавать специфичные для себя данные по сети CAN. Таким образом, возникает необходимость в использовании какого-либо протокола верхнего уровня HLP (High Level Protocol).

    Протокол  HLP определяет механизмы передачи данных любой длины, процедуры начальной инициализации, распределение идентификаторов, сетевое управление и т.п. Существует множество высокоуровневых протоколов на основе CAN-технологий. Наиболее известными из них являются:CAL (CAN Application Level), CANopen, SDS (Smart Distribution Systems), Device Net. 

1.6. Промышленная шина PROFIBUS

    Еще одним известным сетевым решением для распределенных систем, работающих в реальном времени, является промышленная сеть PROFIBUS (PROcess Field BUS), появившаяся на свет благодаря усилиям группы немецких компаний: Bosch, Siemens и Klockner-Moller. В ее задачи входит:

·         организация связи с устройствами, гарантирующими быстрый ответ;

·         создание простой и экономичной системы передачи данных, основанной на стандартах;

·         реализация интерфейса между уровнями 2 и 7 OSI-модели.

    Стандарт  протокола описывает уровни 1, 2 и 7 OSI-модели (физический уровень, уровень передачи данных и прикладной уровень). В PROFIBUS используется гибридный метод доступа в структуре MASTER/SLAVE и децентрализованная процедура передачи маркера. Сеть может состоять из 122 узлов, из которых 32 могут быть MASTER-узлами. Адрес 0 зарезервирован для режима широкого вещания.

    В среде MASTER-узлов по возрастающим номерам  узлов передается маркер, который  предоставляет право ведения  циклов чтения/записи на шине. Все циклы  строго регламентированы по времени, организована продуманная система тайм-аутов. Протокол хорошо разрешает разнообразные  коллизии на шине. Настройка всех основных временных параметров идет по сценарию пользователя.

    Протоколом  определены следующие ациклические команды:

·         SDN (послать данные без подтверждения);

·         SDA (послать данные с подтверждением);

·         SRD (послать и запросить данные);

    Также реализована циклическая команда:

·         CSRD (циклическая посылка и запрос данных).

    При передаче данных обнаружение и исправление  ошибок ведется на основе хеммингова расстояния 4, то есть в любой посылке  данных 3 ошибочных бита будет обнаружено, а один бит может быть восстановлен.

    Задачи  в области промышленной связи  часто требуют разных решений. В  одном случае необходим обмен  комплексными (сложными, длинными) сообщениями  со средней скоростью. В другом –  требуется быстрый обмен короткими  сообщениями с использованием упрощенного  протокола обмена, например, с датчиками  или исполнительными механизмами. В третьем случае необходима работа в опасных участках производства, например, в газопереработке. Все  эти задачи протоколу PROFIBUS под силу. Сегодня под общим названием PROFIBUS понимается совокупность трех различных, но совместимых протоколов: PROFIBUS-FMS, PROFIBUS-DP и PROFIBUS-PA.

    Протокол  общего назначения PROFIBUS-FMS (Fieldbus Message Specification) разработан для связи контроллеров и интеллектуальных устройств. Он описывает уровни 1, 2 и 7 OSI-модели. Позволяет в одной сети организовать несколько ведущих узлов. Основное его назначение – передача больших объемов данных.

    Однако  есть задачи управления в реальном времени, где на первое место встает такой параметр, как продолжительность  цикла шины, а не программного цикла. Это требование нашло свое решение  в реализации протокола PROFIBUS-DP (Distributed Periphery). Он дает увеличение производительности шины так, что для передачи 512 бит данных, распределенных по 32 станциям, требуется всего 6 мс. DP-протокол представляет функциональное подмножество 2-го уровня протокола PROFIBUS-FMS. Уровень 7 в DP не описан.

     Протокол PROFIBUS-PA используется в устройствах, работающих в опасных производствах. В основе протокола PA (Process Automation) лежит протокол ISP (Interoperable Systems Project). Физический уровень (уровень 1 OSI-модели) реализует стандарт IЕС1158-2 (с внутренней защитой данных). Уровень 2 – это функциональное подмножество стандарта DIN 19245.

    Для управления доступом к передающей среде  в протоколе PROFIBUS учтено два важных требования:

1)      В случае взаимодействия между сложными устройствами автоматизации с равными правами доступа к шине (ведущими устройствами) должна быть гарантия того, что каждая из этих станций для выполнения своих задач взаимодействия получит необходимый доступ к шине в течение точно заданного временного интервала.

2)      В случае взаимодействия между сложными устройствами автоматизации и простыми периферийными устройствами (ведомыми) периодический обмен информацией, осуществляемый в реальном масштабе времени, должен организовываться как можно проще и быстрее.

   В связи с этим для взаимодействия между ведущими узлами протокол доступа  к передающей среде включает метод  передачи маркера, а для взаимодействия между ведущими и ведомыми узлами – метод ведущий/ведомый. Таким образом, в PROFIBUS реализуется схема ведущий/ведомый с переменным ведущим (гибридный метод).

   Процедура маркерного доступа гарантирует, что  права доступа к шине получит  каждый ведущий узел. Маркер циркулирует  между всеми ведущими узлами в  рамках предопределенного времени  оборота от узла с меньшим адресом  к узлу с большим. После того, как ведущий узел получает маркер, он становится на определенное время управляющим и может вести опрос ведомых и взаимодействовать с другими ведущими узлами. Управляющий узел для получения данных от ведомых узлов или для передачи им данных использует метод ведущий/ведомый.

   Используемый  в PROFIBUS гибридный метод доступа дает  возможность организовать системы следующей конфигурации:

-        систему, в которой применяется только метод ведущий/ведомый;

-        систему, в которой применяется только метод ведущий/ведущий (с передачей маркера);

-        систему, в которой применяется комбинация этих методов.

   На  рис. 4. показана структура PROFIBUS с тремя ведущими узлами и семью ведомыми. Три ведущих узла образуют логическое маркерное кольцо. После того, как ведущий узел получает маркер, ему на определенное время дается разрешение выполнять на шине функции управляющего устройства. Он может взаимодействовать с ведомыми станциями по методу ведущий/ведомый и со всеми ведущими узлами по методу передачи маркера.  

 

Рис. 4. Структура PROFIBUS 

   Уровень 2 PROFIBUS работает в режиме без процедуры установления соединения. Он использует как передачу «точка – точка», так и многопунктовую связь (широковещательную и групповую).

   Передающая  среда в PROFIBUS-FMS и PROFIBUS-DP строится на основе интерфейса RS-485.

   Для приложений с низкими требованиями ко времени реакции системы возможна совместная работа протоколов PROFIBUS-FMS и PROFIBUS-DP. Кроме того, возможно одновременное выполнение протоколов FMS и DP на одном устройстве. Преимущество смешанного использования протоколов: можно уменьшить количество применяемых устройств, потому что одно и то же устройство может использоваться либо с DP-функциями (для высокоскоростных циклических передач пользовательских данных), либо с большей функциональностью FMS-служб. Например, для установки параметров регулятора в стартовой фазе (некритичной ко времени) можно использовать службы FMS, а для передачи пользовательских данных в рабочей фазе – более быстрые DP-функции.

   Смешанная работа FMS и DP возможна потому, что в обоих вариантах используется одинаковая технология передачи и единый протокол доступа к среде. Различающиеся прикладные функции разделяются с помощью точек доступа к пользовательскому сервису уровня 2.

   Если  требуется объединить в детерминированную  сеть несколько контроллеров, оптимальным  вариантом будет PROFIBUS-FMS. Для создания сети с централизованным  интеллектом и распределенным вводом/выводом лучше всего подойдет PROFIBUS-DP.

   Наиболее  простой способ построения системы показан на рис. 5. Ведущим узлом сети является рабочая станция, которая одновременно выступает в роли операторской станции и аналога программируемого логического контроллера. В ней устанавливается сетевая master-карта  PROFIBUS-DP (карта ведущего узла). Распределенные устройства связи с объектом (УСО) являются ведомыми узлами. В них устанавливается сетевая slave-карта PROFIBUS-DP (карта ведомого узла). Топология сети – шинная. 

    Рис. 5. Централизованное управление, распределенные УСО 

   В системе можно выделить 3 цикла  управления: цикл управления внутри ведомой  станции, цикл сетевого обмена данными, цикл управления внутри рабочей станции.

   В ведомых узлах под управлением  местного контроллера происходит автоматический опрос модулей ввода, установленных  в УСО, и строится таблица последних значений, готовых к передаче в сеть. Одновременно с этим происходит передача выходным модулям УСО новых значений, полученных из сети. Длительность этого цикла зависит от количества установленных модулей и, как правило, измеряется единицами миллисекунд.

   Цикл  сетевого обмена реализуется по инициативе ведущего узла, в данном случае по маркеру  master-карты рабочей станции. В этом цикле ведущий формирует пакеты, содержащие данные для модулей вывода каждого из ведомых УСО, и принимает от них пакеты, в которых передается информация от входных модулей. Пакеты оптимизированы настолько, что на передачу данных отводится ровно столько места, сколько эти данные занимают. Например, передача аналогового сигнала занимает в сетевом пакете два байта, а передача дискретного сигнала – 1 бит. Цикл сетевого обмена осуществляется без участия центрального процессора рабочей станции. Данные, которые передаются ведомым абонентам, ведущий постоянно берет из определенного поля адресов специальной двухпортовой памяти. В эту память после каждого обмена по сети помещаются новые значения, полученные от каналов ввода. Для ускорения сетевого обмена данные в пакетах передаются подряд, без указания их источника или, наоборот, адресата. Для того, чтобы ведущий «знал», какие из участков своей двухпортовой памяти передать каждому из абонентов и, соответственно, какую длину пакета ожидать в ответ и что это будет означать, такая сеть изначально должна быть сконфигурирована с помощью специальной программы. В результате работы программа-конфигуратор настраивает ведущего и ведомых участников друг на друга и сохраняет информацию о параметрах сети в энергонезависимой памяти всех узлов. Такая дисциплина работы PROFIBUS-DP обеспечивает высокую скорость обмена. Так, например, цикл обмена по сети, которая обслуживает 5000 дискретных сигналов и 1000 аналоговых, может составлять менее 2 миллисекунд.