книги / Микропроцессорные средства автоматизации энергетических систем. Сети автоматизации

Связь с CAN-сетью обычно осуществляется через разъемы Sub-D-9 в соответствии с CiA DS-102. По дополнительному запросу доступны альтернативные разъемы (например, RJ-45).

Отдельные CAN-карты могут быть оборудованы альтернативными CAN-интерфейсами в виде плат расширения или как отдельно монтируемые опции для каждого CAN-канала.

Все CAN-платы поддерживают интерфейс шины, соответствующий стандарту ISO 11898-2. Доступны также и другие шинные интерфейсы, напримернизкоскоростной(отказоустойчивый) интерфейсшины согласно ISO 11898-3. Для некоторых CAN-карт доступен опционально или уже интегрирован (с активацией через ПО) низкоскоростной CAN-интерфейс, собранныйнаCAN-трансивереPhilips TJA1054.

Гальваническая развязка. Опционально доступен CAN-ин-

терфейс с гальванической развязкой. Мощная быстродействующая оптопара и DC/DC-конвертор на карте обеспечивают развязку шины. Следовательно, не требуется применение дополнительного источника питания.

Активные и пассивные CAN-интерфейсы. В целом все

PC/CAN интерфейсные платы могут быть разделены на две группы:

♦пассивные CAN-карты;

♦активные (интеллектуальные) CAN-карты.

Пассивные CAN-карты. Требуют прямого доступа прикладной компьютерной программы к CAN-контроллеру, расположенному на плате. Компьютер должен сам конфигурировать и управлять CAN-контроллером.

Активные (интеллектуальные) CAN-карты. Эти платы имеют свой микроконтроллер, который может обрабатывать критичные ко времени задачи, такие как передача, прием и фильтрация CAN-сообщений, прием сообщений со штампами времени или обработка высокоуровневых протоколов типа CANopen или DeviceNet.

Современные PC по крайней мере в 100 раз быстрее, чем микроконтроллеры, используемые на CAN-платах. Тем не менее есть несколько причин, почему рекомендуется использовать CAN-карту со встроенным микроконтроллером.

402

Из-за ограничений на число буферов для сообщений, принимаемых CAN-контроллером, предъявляются высокие требования к базовому микроконтроллеру. В наихудшем варианте CAN-сооб- щение принимается приблизительно каждые 50 мкс. В зависимости от используемого CAN-контроллера только одно или несколько сообщений могут быть помещены в буфер, поэтому должны быть выполнены требования при работе в реальном времени, иначе сообщения будут потеряны.

Сам процесс чтения и передачи CAN-сообщений (копирование – приблизительно 12 байт) требуют очень малого времени, в отличие от времени, необходимого для очень длинной обработки переключения контекста операционной системы с приложения на уровень драйвера, когда зафиксировано CAN-прерывание. Несмотря на высокую производительностьPC, этопредъявляеткнему оченьвысокиетребования.

Это может создавать проблемы, особенно если данные передаются с большой скоростью и/или должен быть обработан большой объем данных. Мощные активные CAN-карты обеспечивают простое решение этой проблемы: они позволяют уменьшить загрузку PC или снизить критичные к времени требования. Для приложений, к которым предъявляются высокие требования к трафику данных или направленной обработке CAN-сообщений, рекомендуется всегда использовать активные платы. Выбор зависит от нескольких факторов, включая производительность PC, число дополнительных плат и драйверов (например, сетевых плат) и число запущенных задач (например, доступ к винчестеру).

Активные CAN-платы имеют следующие дополнительные преимущества:

–входящие сообщения фильтруются в CAN-плате, что означает, что в PC передаются только релевантные сообщения, и сама прикладная программа в PC не должна их фильтровать, уменьшается загрузка PC по прерываниям;

–благодаря VCI поддерживается независимая циклическая передача CAN-сообщений микроконтроллером; CAN-сообщения могут передаваться в CAN-сетях в условиях реального времени независимо от PC.

403

С другой стороны, если вы намереваетесь использовать PC только для конфигурирования CAN-устройств, которые обычно «запускаются» несколькими CAN-сообщениями, пассивная CAN-карта прекрасно будет работать, если на PC одновременно не работают сложные приложения.

IXXAT производит активные CAN-платы с различными микроконтроллерами. Стандартные CAN-платы имеют восьмибитный DS80C320 от MC Dallas. Этот микроконтроллер принадлежит семейству 8051, но обрабатывает команды в 3 раза быстрее и имеет частоту 22 MГц. Для большинства приложений, подобно программам, использующим пакет программ VCI, или для инструментальных средств CAN, таких как CAN Analyser, производительности CAN интерфейсных плат, основанных на 80C320, вполне достаточно.

Для приложений с высокими коммуникационными требованиями IXXAT предлагает активные CAN-карты с 16-битными микроконтроллерами семейства Infineon C16x или XC. Эти платы имеют большой объем памяти и более высокие скорости обработки, позволяя функционировать и контролировать две CAN-сети с высокими скоростями передачи данных и высоким трафиком шины.

Поддержка программного обеспечения. IXXAT обеспечи-

вает поддержку CAN-карт множеством мощных программных пакетов. Они включают САN-драйверы, средства разработки, анализа и конфигурирования, а также библиотеки для высокоуровневых протоколов.

CAN-драйверы для Windows. Чтобы использовать интерфейсные платы от IXXAT под операционной системой Windows 2000/XP, доступен универсальный СAN-драйвер – Virtual CAN Interface (VCI). Этот мощный пакет CAN-драйверов поддерживает все CAN-карты, включая пассивные, независимо от их интерфейса с PC и имеет единый API. Это означает, что приложения, основанные на VCI API, могут работать на всех IXXAT CAN-картах без каких-либо изменений в самой прикладной программе.

CAN-драйвер VCI также работает с простым монитором CAN-шины, который позволяет передавать и получать CAN-объекты.

404

CAN-карты устанавливаются легко, классическим способом для

Windows через Windows Device Manager. Правильная установка CAN-

картыможетбытьпроверенатестовойфункциейVCI CAN-драйвера. CAN-драйверы для VxWorks и Linux. Для операционных систем VxWorks и Linux IXXAT предоставляет BCI-драйвер (базовый

CAN-интерфейс). BCI поддерживает активные и пассивные (только

Linux) ISA- и PCI-платы.

CAN OPC-сервер. CAN OPC-сервер делает возможной связь OPC клиентов (SCADA программы) с CAN-системами. Поскольку CAN OPC-сервер работает на канальном уровне, он может использоваться с различными протоколами, основанными на CAN, в автомобильной промышленности и автоматизации производства.

LabView и LabWindows. Для стандартных визуализирующих интерфейсов LabView и LabWindows IXXAT предлагает бесплатные

сполной функциональностью примеры интеграций на базе CAN (драйвер VCI). Поддерживаются все важные функции для передачи и приема CAN-сообщений. CAN интерфейсные платы от IXXAT могут непосредственно работать под управлением LabView и LabWindows

сминимальными затратами на адаптацию. По дополнительному запросувозможнабыстраяадаптацияпримеровподтребованиязаказчика.

CANopen. CANopen Master API позволяет организовывать доступ PC к системам CANOpen с помощью активных CAN-плат от

IXXAT (PCI, USB, PC104, ISA, PCMCIA). На основе этого пакета могут быть быстро и легко разработаны мощные Windows-програм-

мы для управления.

7.11. ПРЕИМУЩЕСТВА И НЕДОСТАТКИ CAN-СЕТИ

Преимущества CAN-сети следующие:

♦возможность работы в режиме реального времени;

♦простотареализациииминимальныезатратынаиспользование;

♦высокая устойчивость к помехам;

♦арбитраждоступаксетибез потерьпропускнойспособности;

♦надежный контроль ошибок передачи и приема;

405

♦широкий диапазон скоростей работы;

♦cовместимость с действующими в развитых странах стандартами;

♦большое распространение технологии, наличие широкого ассортимента продуктов от различных поставщиков.

Перечислим недостатки CAN-сети:

♦максимальная длина сети обратно пропорциональна скорости передачи;

♦большой размер служебных данных в пакете (по отношению к полезным данным);

♦отсутствие единого, общепринятого стандарта на протокол высокого уровня (однако это же является и достоинством).

Стандарт сети предоставляет большие возможности для практически безошибочной передачи данных между узлами, оставляя разработчику возможность вложить в этот стандарт все, что ему необходимо. В этом отношении CAN подобен простому электрическому проводу. Туда можно вместить любой поток информации, который сможет выдержать пропускная способность шины. Известны примеры передачи звука и изображения по шине CAN (Россия). Известен случай создания системы аварийной связи вдоль автодороги длиной несколько десятков километров (Германия). (В первом случае нужны были большая скорость передачи

инебольшая длина линии, во втором случае – наоборот.) Изготовители, как правило, не афишируют, как именно они используют полезные байты в пакете.

Почему CAN поддерживается все большим количеством фирмпроизводителей средств промышленной автоматизации (например, в Германии, на родине трех популярных промышленных сетей: Profibus, Interbus-S и CAN, – последняя вышла на первое место, прак-

тически всеми автомобилестроителями и начинает активно использоваться в военной технике)?

Основные причины этого следующие:

1. Зрелый стандарт. Протокол CAN уже более 20 лет активно используется во всем мире. Он показал свое качество и надежность.

406

Сейчас на рынке представлены тысячи различных CAN-изделий. CAN поддерживается развитой системой инструментальных средств, позволяющих быстро и легко проектировать CAN-сети.

2.Аппаратная поддержка протокола. Протокол CAN аппарат-

но реализован в кремнии, что позволяет быстро проектировать высокоэффективные, высокоскоростные, высоконадежные и в то же время дешевые системы.

3.Различная среда передачи. Основная среда передачи в CAN-се- тях– витая пара. Однако CAN может также работать только на одном

проводе (второй провод– корпус). Имеются системы, использующие

вкачестве среды передачи коаксиальный кабель, оптоволоконные, ИК- и радиоканалы, силовые линии электропередачи. CAN может рабо- татьивфизическойсредеRS-485.

4.Превосходная обработка ошибок. Помимо высоконадежно-

го алгоритма передачи и обработки ошибок, протокол CAN имеет механизм, позволяющий отключать удаленный узел и тем самым не допускать блокирование сети.

5.Хорошая поддержка систем реального времени. Использо-

вание глобальных часов, широковещательный (broadcast) способ передачи сообщений, мультимастерность (multimaster) позволяют создавать полностью синхронные системы.

6.Хорошая поддержка систем, управляемых событиями.

Поскольку все CAN-узлы слушают все сообщения, проходящие по сети, просто реализуются приложения, управляемые событиями.

7.Ориентирован на распределенные системы управления. Про-

токол CAN очень хорошо подходит для построения территориально распределенных систем управления. Используемый метод арбитража для определения приоритета сообщения и широковещательная передачапозволяютпросто иоптимальнопроектироватьтакиесистемы.

Необходимо обратить внимание на то, что CAN применяется

встратегических областях промышленности, определяющих положение страны в рейтинге промышленно развитых стран. Это автомобильный и железнодорожный транспорт, авиация, энергетика, промышленная автоматизация, машиностроение. В связи с этим без

407

понимания важности этой технологии на государственном уровне, без поддержки и участия государственных органов по стандартизации и сертификации формирование национального рынка CAN-тех- нологий и их широкое внедрение в промышленности в нашей стране будут крайне медленными и неэффективными.

Если в ближайшее время российские разработчики не предложат решения приемлемого уровня и качества, то формирующийся рынок CAN-технологий будет занят иностранными игроками, уже сегодня присматривающимися к огромному и пустому российскому рынку.

Путь первый – вы специалист по системам автоматизации, разрабатываете аппаратные и программные компоненты для сбора данных и управления различными технологическими объектами. Вы заинтересованы в том, чтобы ваши компоненты применялись вместе с компонентами других производителей. Или, наоборот, не хотите «изобретать велосипед», желаете к уже разработанным вами компонентам добавить те, которые произведены другими фирмами. Вы не можете сами разработать все – начиная от интеллектуального датчика и заканчивая программной системой SCADA. Хотите в зависимости от области применения создавать оптимальные наборы компонентов для автоматизации и, наконец, заинтересованы в освоении новых прикладных областей. Применение CAN, освоение CAN-технологий позволяет положительно решить проблемы подобного рода.

Второй путь – вы специалист в прикладной области – системы управления локомотивами, проектирование полиграфических машин или промышленных кофеварок. Вы разрабатываете системы и агрегаты для нового российского самолета, автомобиля, грузовика или автобуса, создаете системы голосования или современные инвалидные коляски. Ваша задача – решить проблему автоматизации вашей специализированной системы или изделия. Не важно, уникальна система или она будет производиться огромными сериями. Освоив CAN-технологии и правильно выбрав специфичные для конечного применения компоненты, вы можете достаточно быстро вывести ваш продукт на качественно новый мировой уровень.

408

7.12. ПРИМЕНЕНИЕ САN-ШИНЫ ДЛЯ АВТОМОБИЛЕЙ

Приведем неполный список автомобилей с шиной CAN:

♦Lada Granta, Largus, Priora (с 2011 года), Kalina (с 2011 года), Samara (с 2011 года);

♦Audi A3 (2004–2009 годы), A3 (с 2010 года), A4 (с 2008 года), A5, A6 (с 2004 года), Q5, Q7, Allroad (с 2006 года), A8 (2003–2009 годы), Audi TT (с 2006 года), А8 (с 2010 года);

♦Mercedes-Benz (кузов 221, 216, 204, 212, 164, 251, 211, 219, 209, 169, 245, 463, 203, 171, 639, 906);

♦BMW-1 (E87, 81, 82, 88), BMW-3 (E90, 91, 92, 93), BMW-5 (E60, 61), BMW-6 (E63, 64), BMW-7 (F01, 02), BMW X1 (E84), BMW X5 (E70), BMW X6 (E71), BMW-7 (E65/66), BMW Гран Туризмо, BMW-5 (F10);

♦Volkswagen Touareg, Passat B6, Passat CC, Golf 5, Golf 6, Jetta (с 2006 года), Golf Plus, Caddy (с 2004 года), Touran, Tiguan, Multivan, Polo (2005–2009 годы), Polo sedan (с 2010 года), Scirocco, Crafter, Amarok (с 2010 года);

♦Skoda Octavia A5 (с 2005 года), Octavia FL (с 2009 года), Superb (с 2009 года), Fabia (с 2008 года), Roomster, Octavia Tour, Yeti;

♦Opel Astra H, Astra J, Zafira B, Corsa D, Vectra C, Insignia, Antara;

♦Ford Focus, C-MAX, KUGA, S-MAX, MONDEO (с 2007 года), GALAXY (с2007 года), FIESTA (с2009 года), FUSION;

♦Infiniti FX35, FX50, EX35, G35X, G37, M35, M45;

♦Mazda 2, 3 (с 2009 года), 6 (с 2008 года) Porsche Cayenne, Panamera Mini Cooper (с 2009 года);

♦Peugeot 207, 308, 407, 4007, Partner (с 2009 года);

♦Citroen C3, С4, С5, С3 Picasso, С4 Picasso, Berlingo (с2009 года);

♦Land Rover Discovery 4, Range Rover (с 2010 года), Range Rover Sport (с 2010 года), Freelander (с 2008 года);

♦Lexus LX 570, RX (с 2009 года), LS 460, GX 460, Seat Altea (с 2004 года), Leon (с 2006 года), Ibiza (с 2009 года);

♦Cadillac Escalade (с 2007 года), SRX, CTS, Hummer H2;

409

♦Volvo S-60 (с 2005 года), V-70 (2005–2008 годы), V-70XC (2005–2007 годы), XC-70 (2005–2007 годы), S-80 (2005–2006 годы), XC-90 (с 2005 года), S-80 (с 2007 года), XC-60, XC-70 (с 2008 года), С-30, С-70, S-40 (с2004 года), V-50;

♦Renault Fluence, Koleos, Megane (с 2009 года), Laguna (с 2008 года).

Общая структура системы управления автомобилем представлена на рис. 7.25. Ввиду различных требований к тактовой частоте

иобъему передаваемой информации систему CAN делят на отдельные системы (сегменты). Например, у фирм Volkswagen и Audi:

♦с шиной CAN силового агрегата (high-speed), передача данных через которую производится со скоростью 500 кбит/с, практически обеспечивающей работу системы в реальном времени;

♦с шиной CAN-системы «Комфорт» (low-speed), передача данных через которую производится со скоростью 100 кбит/с, удовлетворяющей невысокие требования к ней;

♦сшиной CAN информационно-команднойсистемы(low-speed), передача данных через которую производится также со скоростью 100 кбит/с, соответствующейотносительноневысокимтребованиям.

Рис. 7.25. Общая структура системы управления автомобилем

410