Interbus-s

INTERBUS-S (S - от слова Speed, скорость) [Bagi94], разработанная фирмой Phoenix Contact, значительно отличается от других известных Fieldbus-систем. В ее основе лежит топологическая структура типа «кольцо», функционирующая по принципу сдвигающего регистра. INTERBUS строится как система master-slave. Master рассматривает все slave-устройства как одно большое периферийное устройство - регистр. Размер регистра определяется количеством slave-устройств. Master (его также называют контроллером) сдвигает весь кадр сообщения через периферийные устройства по всему кольцу, в результате чего получает этот же кадр обратно в свой буфер. Задержка определяется количеством периферийных устройств (Рис. 1-19). Этот метод называется «передачей суммы». Прежде чем суммарный кадр будет пошагово перемещен, каждое slave-устройство выставляет в буфер отправки свои данные для master, прежде всего ID-идентификационный код (Рис. 1-20). После этого master сдвигает слово кольцевой проверки (Loopback Word, LBW- 16 бит), а также управляющие биты, пока снова не получит LBW (Рис. 1-21). Таким образом он получает идентификационные коды всех узлов, первый цикл завершается. При втором цикле сдвига в начале суммарного кадра снова посылается LBW, за которым следуют выходные данные для slave-устройств. Когда весь кадр с LBW возвращается master, он содержит выходные данные slave.

При этой технологии метод INTERBUS-S обнаруживает явный детерминизм. Структура сдвигового регистра определяет минимальные непроизводительные затраты в передаваемом кадре. Адресация узлов чрезвычайно проста: адрес непосредственно предопределяется позицией в кольце, уровни приоритета отсутствуют и т. д. Детерминизм достигается посредством операции сдвига: несмотря на то, что каждый абонент имеет свой собственный тактовый генератор, они действуют асинхронно относительно друг друга на частоте 16 МГц, но синхронизируются по первому биту поступающего кадра данных.

В качестве передающей среды рекомендуем использовать пятижильный экранированный кабель (что также определяется стандартом RS485): две линии для каждого направления, одну - для массы. Поскольку в основе лежит кольцевая структура, то на узел должно выводиться 10 жил (в PROFIBUS их всего 4).

Master-устройство обеспечивает и функции связи с находящимися иерархически выше сетями и может использоваться, в частности, как шлюз, если в качестве магистрали используется PROFIBUS/FMS.

Принцип передачи суммы ограничивает размер суммарного кадра-256* 16 бит = 4096 бит (в общем случае абонент имеет один 16-битный сдвиговый регистр). Ограничение вводится для того, чтобы объем памяти master-устройства, и прежде всего время цикла, не были слишком большими (при определенной длительности цикла безразлично, имеется ли один абонент с длиной слова 32 бита или два абонента с длиной слова 16 бит). При передаче большого объема сведений (параметров, программных данных и т. д.) их передают частями (Рис. 1-22). Полная передача информации требует N кадров.

Скорость передачи составляет, как правило, 500 Кбит/с. При такой скорости общая длина линии «точка-точка» может достигать 400 м (удаленная шина), а при использовании повторителей и медных кабелей-до 12,8 км (при оптоволоконным кабеле - до 80 км). При соответствующем аппаратном обеспечении система может работать со скоростью до 2 Мбит/с. Поскольку каждый абонент имеет прямую и обратную линии связи, он требует два повторителя (Рис. 1-23).

Большим недостатком INTERBUS-S часто считают то, что, во-первых, топология типа «кольцо» может быстро привести систему к полному выходу из строя. Но как показывает практика эксплуатации этой системы в типичных для нее областях (промышленная автоматизация), полный выход из строя одного узла требует остановки всего процесса. Во-вторых, Phoenix Contact были созданы активные клеммы шины (Рис. 1-24), которые позволяют частично отключать дефектные части сети. Существуют три принципиально различные системы шин: удаленная, о которой шла речь до сих пор, инсталляционная и периферийная. Инсталляционная шина отличается от удаленной тем, что содержит линию энергоснабжения абонента. Периферийная шина имеет TTL-переключатель, причем расстояние между абонентами ограничивается 125 см [Schn94].

CAN

Система CAN (Controller Area Network) разработана фирмой Bosch для автомобилей. Она выделяется среди всех других Fieldbus-систем прежде всего помехоустойчивостью. В CAN встроен многоступенчатый механизм распознавания ошибок, а также механизм самоконтроля и самоуправления, роль которых настолько велика, что в случае необходимости они могут самостоятельно отключить отдельные устройства. Это означает, что основным приоритетом в CAN является безопасность (в противоположность другим Fieldbus-системам, для которых важнее надежность).

Философия CAN предполагает отказ от гибкой реконфигурации и изменения параметров узлов. Следствием этого является упрощение интеграции любых узлов в существующую сеть и снижение цены на электронные компоненты.

Широкое распространение CAN получила тогда, когда фирма Intel начала сотрудничать с Bosch, поставляя соответствующие компоненты, а фирма Daimler Benz приняла решение использовать их в своих автомобилях. Это гарантировало, что CAN станет продуктом массового производства, а стоимость компонентов будет предельно низкой. Цена интегральных схем CAN около 2$ за штуку¹⁷. Эти два фактора - высокая помехозащищенность и низкие цены-делают CAN серьезным конкурентом Fieldbus-систем. Сегодня CAN применяется во многих областях: в медицине, промышленной автоматизации, технологии производственных процессов и т. д.

Каковы же важнейшие показатели мощности CAN?

Адресация CAN ориентирована не на станции, а на сообщения. Каждое сообщение распределяется согласно идентификатору (Рис. 1-25)-11-битному слову. Таким образом, узлы характеризуются специальными кадрами, которые они отправляют или ожидают. Замена одного узла на другой происходит без установки адреса «на месте». Это - один из подходов, принятых в автомобильной промышленности.

Для обеспечения малого времени реакции пакет данных задается жестко, единственно допустимым изменением является количество байт данных; максимально ограничивается длина событий: наименьший элемент состоит из 44 битов, наибольший -из дополнительных 8 байт; в качестве метода доступа к шине избран CSMA/CA; подтверждение (на самом низком логическом уровне) передачи атомарной единицы происходит еще в течение отправки 11-битного слова, получатель устанавливает в слоте подтверждения соответствующий бит на «low»¹⁸.

Более подробного разъяснения требует реализация метода CSMA/CA. CAN-это система типа master-master. Чтобы применение обычного /CD метода не приводило к задержкам доступа к шине, используют побитовый арбитраж, при котором значения low и high реализуются технически настолько по-разному, что возникают рецессивные ('Г) и доминантные ('0') двоичные величины. Таким образом, если к шине одновременно обращается несколько устройств, пытаясь отправить свои данные, от шины отстраняется тот элемент, рецессивный бит данных которого будет перезаписан раньше доминантного бита другого (недеструктивный доступ). Преимущество получает то сообщение, которое имеет наивысший приоритет (идентификатор с низшим значением). Время ответа гарантировано только для сообщения с наивысшим приоритетом; сообщения с низшим приоритетом при интенсивном трафике могут надолго задерживаться. При интеграции на седьмом уровне алгоритма, вновь переупорядочивающего идентификаторы, можно динамически влиять на детерминированное поведение системы.

Особым аспектом CAN является безопасность. Распознавание и устранение ошибок происходит на нескольких уровнях, но реализовывать его в каждом случае не нужно. С физической точки зрения передача данных на нижнем уровне выглядит, как в RS485 (Рис. 1-26а). Для исключения помех монтируют нагрузочные сопротивления, используют кабель типа «витая пара». При более подробном рассмотрении схемы подключения бросаются в глаза компоненты, обеспечивающие дополнительные функции (Рис. 1-266). Если на линии передачи возникает короткое замыкание на массу или питающее напряжение, то встроенный компаратор не распознает ни один бит. По этой причине дефектные линии будут отключены позже, и компаратор будет держать опорное напряжение. Затем передача по линии может осуществляться асимметрично.

При такой реакции схемы распознаются все простые и некоторые сдвоенные ошибки. На уровне защищенной передачи данных учитывается подстановка битов (разрешается подавать на вход максимум 5 бит одинаковой полярности) и CRC-проверка. Меры защиты срабатывают на уровне узлов. Они отключаются от шины, если фиксируют помехи в работе шины (демократический принцип отключения).

9. Технология EIB. Программное обеспечение. Принципы совместимости оборудования.

EIB

ЕIB (European Installation Bus) базируется на стандарте instabus. Данная система была разработана рядом фирм, работающих в этой области, причем фирма Siemens была ответственной за чипы, первую версию технологии передачи, а также средства инсталляции, тогда как другие фирмы занимались разработкой и стандартизацией приложений. Для координации общих интересов была образована организация EIBA (European Installation Bus Association) с резиденцией в Брюсселе.

В ноябре 1992 года в Германии был издан предварительный стандарт DIN V VDE 0829 «Системная техника для дома и зданий», составной частью которого была ЕЮ (Рис. 1-27).

Уровень	Доступные службы
7	Объекты коммуникации, кодонезависимая передача данных, запрос/ответ, защита доступа	М Е
6	-	н
5	-	Е
4	Подтверждения, адресация точка-точка/групповая, распознавание переповторов, подсчет последовательностей	д Ж М
3	Маршрутизация, распознавание циклов на линии	Е н
2	Кадры, кодирование, контрольные суммы, CSMA/CA, приоритеты, адресация, распознавание и устранение ошибок	Т
1	Интерфейс со специфичной средой передачи данных и определения сигналов, ЕМС-спецификация, техника сопряжения

Рис. 1-27. Стек протокола EIB (ISO/OSI модель), а также функции, реализованные на отдельных уровнях

Передача данных осуществляется через витую пару с определенными физическими характеристиками. Экранированная витая пара позволяет устанавливать шину длиной до 1000 м без повторителей. Максимальное расстояние между двумя абонентами не должно, однако, превышать 700 м. К одному сегменту шины может быть подсоединено максимум 64 абонента.

Топология шины допускает как структуры типа «линия», так и структуры «звезда» или «дерево», характеристики которых подходят для использования в зданиях. Скорость передачи данных по витой паре составляет 9600 бит/с и не может быть изменена. В качестве других передающих сред могут быть использованы линии электропередачи, коаксиальный кабель, свет, радио- и инфракрасные волны.

Как и в LON, на уровне связи данных применен CSMA/CA-метод доступа к шине. Передача осуществляется асинхронно с 8 битами данных, 1 битом четности и 1 стоповым битом. Уровень 3, как и уровень 2, использует режим передачи данных без организации соединения (connectionless mode). Обмен между транспортным и прикладным уровнями ориентирован на режим с установлением соединения (connection-oriented mode).

Таблица 1-2 дает перечень служб прикладного уровня, а также список услуг, которые транспортный уровень предоставляет в распоряжение прикладного. Существует несколько служб доступа к объекту коммуникации, а также служба независимой передачи данных кодом.

Таблица 1-2. Службы прикладного уровня EIB

Службы прикладного уровня	Функции
A_VALUE_READ	Чтение значений, флагов и статуса объектов коммуникации
A_VALUE_WRITE	Изменение значений, флагов и статуса объектов коммуникации
A_FLAGS_READ	Чтение флагов, параметров и типов значений объектов коммуникации
A_USER_DATA	Кодонезависимая передача данных на транспортный уровень по уже имеющейся логической связи

Максимальная длина сообщения данных составляет 23 октета. Для передачи значения отводится только 13 октетов (Рис. 1-28).

Контрольная информация		8 бит
Адрес источника		16 бит
Адрес назначения		16 бит+ 1 бит
Счетчик маршрутизации	Длина	3 бита, 4 бита
Данные		Макс. 16*8 бит
Контрольная сумма		8 бит

Рис. 1-28. Структура кадра данных Сам коммуникационный объект содержит следующую информацию:

- коммуникационный номер;

- приоритет передачи;

- разрешение на передачу данных;

- разрешение чтения и записи;

- флаг на требование чтения;

- статус отправителя;

- внешний флаг текущих событий;

- тип значения;

- значение.

До сих пор не определены профили применения ЕIB в GLT-системах. Первым шагом в этом направлении со стороны ЕIBA была публикация спецификации так называемого EIS -EIBA Interworking-стандарта, в котором даны стандарты прикладных служб. Количество их постоянно увеличивается за счет предложений различных рабочих групп ЕIBA. Таблица 1-3 содержит приблизительный и далеко не полный список этих служб.

Таблица 1-3. Выдержки из сетевого стандарта EIBA (EIS)

EIS	Функции
EIS 1	Подключение и отключение
EIS2	Настройка
EIS3	Время
EIS4	Дата
EIS5	Значение (температура, напряжение и т.д.)
EIS6	Масштабирование
EIS7	Управление приводом
EIS8	Приоритеты

В отличие от LON, основной упор в EIB делается на автоматизацию электрических сетей; особое внимание уделяется автоматизации систем зданий и помещений. Таким образом, EIB предназначена для применения не только в промышленности, например для управления приводом. Сравнение LON с EIB имеет смысл только тогда, когда они используются в одной и той же области.