Элементы систем автоматики

Рис. 52. Структура связи ПосПИ с управляющим микропроцессором через систему шин и с другим микропроцессором через линию связи

Рис. 53. Внутренняя структура программируемого последовательного интерфейса

81

сдвига приемо-передатчика. Буфер шины данных предназначен для промежуточного хранения цифровых сигналов перед их передачей в шину данных всей системы или при приеме из нее сигнала на внутреннюю шину ПосПИ. По команде «запись» (Зп) этот интерфейс пересылает в буфер данных сигналы из системной шины данных или аналогично по команде «чтение» (Чт) посылает в эту шину сигналы из буфера шины данных. Регистр управления связан с системной шиной управления по следующим входам:

ТИ — тактовая частота системы; Чт — команда «чтение»; Зп — команда «запись»; С/Б — команда «сброс»;

Д/У — команда, указывающая на тип передаваемых данных (данные или команда управления);

В/К — команда включения ЧИПа (микросхемы) в работу. Регистр управления модемом последовательного интерфейса

связан с системной шиной управления по следующим входам: DSR — сигнал готовности передатчика к передаче данных; DTR — сигнал запроса на прием информации;

RTS — сигнал готовности к приему информации;

CTS — сигнал разрешения передачи информации.

Передача информации в линию связи производится сигналом TD, который появляется на выходе регистра сдвига передатчика. В свою очередь передатчик согласует свою работу с приемником противоположного последовательного порта через сигналы:

TxRDY — сигнал готовности передатчика принять символ данных от процессора в шину данных;

TxE — сигнал «буфер шины данных пустой»;

TxC — сигнал синхронизации передатчика с приемником. Прием информации из линии связи в регистр сдвига приемника

производится сигналом RD. В свою очередь, приемник согласует свою работу с передатчиком противоположного последовательного порта через сигналы:

RxRDY — сигнал готовности приемника передать символ данных процессору через шину данных;

RxE — сигнал «буфер шины данных полный»;

RxC — сигнал синхронизации приемника с передатчиком.

82

Вышеизложенная структура последовательного интерфейса относится к интерфейсам синхронного действия, в которых обе микропроцессорные системы согласованы по тактовому сигналу. Структура синхронной взаимосвязи двух микропроцессорных систем показана на рис. 54.

Рис. 54. Структура синхронной взаимосвязи двух микропроцессорных систем

Принцип взаимной передачи информации по этой схеме состоит в следующем. Ведущий микропроцессор по уровню сигналов TxRDY и TxE опрашивает состояние передатчика и буфера шины данных, после чего выставляет на шине данных цифровой сигнал, одновременно с этим подает на шину управления команду «запись». По этой команде сигнал из шины данных запишется в буфер этой шины последовательного порта 1 (ведущего микропроцессора), после чего последовательный порт (интерфейс) этого микропроцессора работает независимо от него по собственной программе (управляющему слову). При заполнении регистра сдвига передатчика этого порта сигналом данных формируется команда DSR, которая передается на вход CTS последовательного порта 2 (ведомого микропроцессора). Если регистр сдвига последовательного порта 2 пуст, то он формирует обратную команду RTS, которая передается на вход DTR последовательного порта 1. В результате этого становится возможной передача данных по каналау TD или RD в линии связи и приемник последовательного порта 2 включается в работу.

Регистр сдвига этого микропроцессора по каналау TD последовательно заполняется битами данных цифрового сигнала (см. рис. 53) с тактовой частотой. TxС ведомого микропроцессора.

83

При полном заполнении этого регистра формируется сигнал RxE, который переводит последовательный порт 2 (ведомого микропроцессора) в режим связи этого порта с его микропроцессором. По этой команде содержимое регистра сдвига приемника последовательного порта 2 пересылается в буфер его шины данных, а затем для дальнейшей его обработки по команде «чтение» оно переносится через шину данных в микропроцессор 2. В это время по команде RxRDY микропроцессор 2 приостанавливает выполнение всех операций, не связанных с приемом этого сигнала из шины данных.

Таким образом, передатчик последовательного порта 1 ведущего микропроцессора всегда согласован в работе с приемником последовательного порта 2 ведомого микропроцессора, так же как буферы системных шин обоих портов согласованы в этой работе. При достижении этой согласованности порты синхронно с одинаковой тактовой частотой сигнала TxС совершают обмен информацией по перекрестным каналам TD и RD.

Структура кадра передачи инфромации по каналам последовательной связи выглядит следующим образом (рис. 55). Информация в линии связи передается побитно. В период паузы в линии связи всегда устанавливается уровень логической единицы, что снижает в этот период вероятность появления помех. Признаком начала передачи данных является переход сигнала в течение периода одного такта с высокого уровня на низкий. Такой информационный импульс называется стартовым битом, после которого следует последовательная совокупность битов данных информационного сигнала (обычно по числу импульсов, кратному восьми). В конце информационных битов следует бит проверки четности, за которым следуют стоповые биты, фиксирующие конец кадра передачи данных. После этого в линии связи вновь наступает период паузы.

Работа последовательного интерфейса (порта) в синхронном режиме связана с определенными недостатками, главным из которых является необходимость тактовой согласованности передающего (ведущего) и принимающего (ведомого) микропроцессоров, что не всегда возможно.

Устранение этого недостатка возможно при использовании асинхронного принципа последовательной передачи данных, суть

84

Рис. 55. Структура кадра передачи инфромации по каналам последовательной связи

которого состоит в том, что в процессе передачи данных оба микропроцессорных устройства (ведущий и ведомый) осуществляют взаимопроверку состояния приемо-передатчиков. В случае опережения в работе одного из этих микропроцессоров подается команда на прерывание (остановку) его работы или переключение его на другие программные операции до тех пор, пока смежный (медленный) микропроцессор не сравняется с ним по тактовым операциям в процессе передачи данных. В этом режиме оба микропроцессора могут работать на разной тактовой частоте, но обязательно с взаимопроверкой согласованности результата. Структура асинхронного, программируемого, последовательного интерфейса (порта) типа UART (Универсальный асинхронный ридер-транслятор) показана на рис. 56.

В отличие от структуры последовательного интерфейса (порта), изображенной на рис. 54, в этой структуре введено устройство логического управления портом, которое предназначено для контроля согласованности в работе двух смежных, последовательных портов (ведущего и ведомого). К этому устройству подключаются каналы контроля асинхронной связи с входными сигналами: DSR и DTR, RTS и CTS, которые перекрестно соединяются в двух микроконтроллерах по схеме, представленной на рис. 57, а.

Устройство управления UART содержит несколько регистров, позволяющих контролировать заполняемость регистров сдвига приемо-передатчика в процессе обмена данных. Если по запросу сигнала DTR будет подучен сигнал DSR нулевого уровня, свидетельствующий о неготовности к работе принимающего (ведомого) порта, то ведущий порт формирует команду OUT1 на прерывание работы своего микропроцессора по передаче данных. Работа этого микропроцессора переключается на выполнение других операций, не связанных передачей данных и возобновляется только тогда,

85

Рис. 56. Структура асинхронного, программируемого, последовательного интерфейса (порта) типа UART

Рис. 57. Структура связи двух микропроцессорных систем по асинхронному варианту

когда принимающий порт будет готов к приему сигнала, т. е. только тогда, когда сигнал DSR достигнет единичного уровня. Данный способ последовательной передачи данных относится к физическому протоколу типа RS-232. Однако существуют и другие типы последовательных портов (интерфейсов) с физическими протоколами, такими как: RS-422, RS-485, «токовая петля».

Особенностью физического протокола (интерфейса) RS-485 является то, что для передачи информации по линии связи в последовательном коде для него нужно всего четыре (а иногда и два) прово-

86

да типа «витая пара». При этом одна из этих пар используется для передачи информации, а другая — для подвода питания к микропроцессорным устройствам, соединенным линией связи. Схема соединения двух микроконтроллеров по интерфейсу RS-485 представлена рис. 57, á. Последовательные порты интерфейса RS-485 работают только в асинхронном режиме и оснащаются соответствующей системой UART.

Микропроцессорные системы различных производителей могут связываться между собой через асинхронные, последовательные порты различным образом. Многообразие схем соединения микропроцессорных систем через последовательные порты значи- тельно усложняет задачу их объединения в единую автоматизированную систему. Для успешного решения этой проблемы были разработаны специальные стандарты такого объединения, которые были названы протоколами связи.

Протоколом связи микропроцессорных систем через последовательные порты называется правила и соглашение между эти-

ми системами по способу передачи информации через их последовательные порты.

Физический уровень этого протокола определяет количество проводов в шине соединения, способы стыковки шины с последовательным портом, номинальный уровень импульсных сигналов в шине, типы разъемов и кабелей.

Сетевой уровень протокола определяет формат способа переда- чи данных, алгоритм управления последовательным интерфейсом. К числу современных протоколов последовательной связи относятся: CAN, Profibus, Modbus, Ethernet. Каждый из протоколов характеризуется определенным физическим интерфейсом, который может быть реализован в формате: RS-232, RS-422, RS-485, а такжеформате «токовая петля».

Последовательный физический интерфейс RS-232 — это промышленный стандарт для последовательной двунаправленной асинхронной передачи данных, действующей на максимальном расстоянии до 20 м. Вследствие побитовой формы передачи данных по линии связи скорость этой передачи ограничена, поэтому устройства, обслуживающие последовательные (СОМ) порты по этому виду протокола, постоянно контролируют процесс передачи

87

данных. Скорость такой передачи измеряется в бодах (количество бит за 1 с). Стандартные скорости равны 110, 150, 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600 и 19200 бод. Для передачи по каналу связи нулевого символа напряжение меняется в диапазоне от +3 до +12 В, а для единичного символа это напряжение меняется от –3 до –12 В. Приемо-передатчи- ки связаны между собой кабелями со стандартными 25 или 9 штырьковыми разъемами по схеме, представленной на рис. 57.

IBM совместимый компьютер может иметь до четырех последовательных (СОМ) портов, выполненных на последовательных интерфейсах по протоколу RS-232. Девятиштырьковые разъемы СОМ портов RS-232 имеют следующую нумерацию и назначение (Табл. 12)

Аналогично устроен асинхронный приемо-передатчик UART по протоколу RS-485.

4.2. Программируемые контроллеры

Микропроцессоры являются не только основой персональных ЭВМ, но и на их основе стали развиваться специальные управляющие устройства, которые получили название контроллеров. Контроллеры пришли на замену релейных систем автоматики и телемеханики. Эти устройства назывались программируемыми логическими контроллерами (ПЛК).

Для первых ПЛК было характерно наличие в их структуре устройств, предназначенных для обработки только дискретных входных

88

сигналов и формирования релейных выходных сигналов. Эти контроллеры обладали достаточно высоким быстродействием, небольшим объемом оперативной памяти и слаборазвитым программным обеспечением. Поэтому первоначально эти контроллеры использовались как цифровые системы телемеханики.

Чуть позже на основе микропроцессорных систем были созданы контроллеры, которые заменили аналоговые регуляторы. Эти контроллеры получили название распределенных систем управления (РСУ). В состав этих систем входил набор технических средств, позволяющих автоматизировать управление целыми технологическими процессами.

Первоначально ПЛК и РСУ развивались независимо друг от друга, не перекрывая областей своего применения. Однако со временем в состав ПЛК были введены устройства, позволяющие вести обработку аналоговых сигналов. Это расширило область их применения. Возможности ПЛК еще более возросли с внедрением программных средств, позволяющих им осуществлять диспетчерское управление, сбор и обработку данных. Такие программы получили название SCADA-систем. Внедрение этих программных средств позволило ПЛК внедрится в область использования распределенных систем, что повысило их конкурентную способность и заставило разработчиков РСУ внедрять в свои системы устройства обработки дискретных сигналов. Все это только способствовало успешному развитию обеих типов контроллеров.

Многообразие контроллеров обоих типов, поставляемых на рынок различными производителями, выявило еще одну проблему, которая заключалась в невозможности построения систем управления из компонентов этих систем, полученных от разных производителей, т. к. они не поддавались взаимной привязке. Выход из этой ситуации был найден при создании открытых систем, в основу которых был положен принцип использования стандартных элементов, узлов, протоколов связи и программного обеспечения. Такая стандартизация позволила многим производителям специализироваться на выпуске отдельных стандартных компонентов открытых систем, что повысило конкуренцию на рынке этих компонентов, а значит, обеспечило снижение их цены и привело к повышению качества.

89

4.2.1.Структура распределенной системы управления

Âтечение многих лет системы управления строились по централизованному типу, в котором имелось одно мощное управляющее вычислительное устройство со связью с объектами и огромное коли- чество кабелей, с помощью которых подключались датчики и исполнительные устройства. Такая структура диктовалась большой ценой на компьютерные устройства. В результате снижения этой цены

èповышения стоимости кабельной продукции возникла необходимость изменить структуру систем цифрового управления. Так, появились первые цифровые промышленные сети.

Информационный обмен в промышленных сетях строится по одному из трех принципов. Первый принцип ведущий-ведомый, в котором ведущее устройство последовательно опрашивает ведомые, а они в свою очередь выполняют переданные им команды. Второй принцип клиент-сервер заключается в том, что узел клиент запрашивает данные, а узел сервер их пересылает. Третий принцип поиск заключается в том, что некоторый узел должен постоянно получать информацию от другого узла без дополнительного запроса. При этом в первом варианте данные посылаются циклически с определенным интервалом времени, а во втором случае они пересылаются только при их изменении.

Современные открытые распределенные системы управления строятся через промышленные сети по уровневому типу. Архитектура такой системы показана на рис. 58. В этой сети выделяются следующие уровни:

управления производством; управления технологическим процессом;

автоматизации технологических машин и устройств; опроса датчиков и управления исполнительными устройствами.

На уровне управления производством с помощью системы Internet развернута глобальная информационная сеть, через которую администрация предприятия получает и передает информацию отраслевого типа, кроме того, она получает и обрабатывает международные финансово-экономические и конъюнктурные данные.

На уровне управления технологическим процессом в системе управления развернута информационная сеть, с помощью которой объединяются локальные серверы и рабочие станции для обмена информации по принципу клиент-сервер. Задача этой части сети со-

90