ОБРАБОТКА АНАЛОГОВЫХ СИГНАЛОВ МИКРОКОНТРОЛЛЕРАМИ. ВЫБОР И ЗАДАЧИ МИКРОКОНТРОЛЛЕРОВ
реклама
ОБРАБОТКА АНАЛОГОВЫХ СИГНАЛОВ
МИКРОКОНТРОЛЛЕРАМИ.
ВЫБОР И ЗАДАЧИ МИКРОКОНТРОЛЛЕРОВ
Современный рынок средств автоматизации
предлагает широкий спектр аппаратных и программных
устройств для построения надежных и удобных в
эксплуатации систем. Специалистам предприятий
подчас трудно правильно сориентироваться в море
контроллеров, промышленных компьютеров, пакетов
ПО, чтобы выбрать оптимальное по производительности
оборудование и сохранить при этом одного поставщика
технических средств и единую среду разработки ПО.
При выборе контроллера первоочередной задачей
является выбор системы критериев, а они для каждого
конкретного применения должны или могут быть
различными. Например, для одних применений –
главное надежность, для других применений –
быстродействие и т.п.
Основные особенности промышленных контроллеров
Три категории:
1. Программируемые логические контроллеры (ПЛК)
2. Распределенные управляющие системы (distributed
control systems DCS)
3. Контроллеры на базе РС- технологий (PC-based).
1. ПЛК представляют собой устройство,
предназначенное для сбора, преобразования, обработки,
хранения информации и выработки команд управления.
Они реализованы на базе микропроцессорной техники и
работают в локальных и распределенных системах
управления в реальном времени в соответствии с
заданной программой. По техническим возможностям,
которые определяют уровень решаемых задач, ПЛК
делятся на классы: нано-, микро-, малые, средние и
большие. Первоначально они предназначались для
замены релейно-контактных схем, собранных на
дискретных компонентах – реле, счетчиках, таймерах,
элементах жесткой логики.
Отличие ПЛК от релейных схем заключается в том, что
все его функции реализованы программно. На одном
контроллере можно реализовать схему, эквивалентную
тысячам элементов жесткой логики, надежность работы
схемы не зависит от ее сложности.
Программировать ПЛК можно на пяти языках стандарта
IEC-1131.3.
ПЛК может обрабатывать дискретные и аналоговые
сигналы, управлять клапанами, шаговыми двигателями,
сервоприводами, преобразователями частоты,
осуществлять регулирование (ПИД- регулятор).
Высокие эксплуатационные характеристики делают
целесообразным применение ПЛК везде, где требуется
логическая обработка сигналов от датчиков.
Высокая надежность, простое тиражирование и
обслуживание, быстрый монтаж и наладка
оборудования, быстрое обновление алгоритмов
управления (в том числе и на работающем
оборудовании).
Промышленные контроллеры имеют вычислительное
ядро и модули ввода/вывода, воспринимающие
информацию с датчиков, преобразователей, а также от
других контроллеров, осуществляющие управление
процессом или объектом путем выдачи управляющих
сигналов.
Программные средства, разрабатываемые для них,
позволяют в удобной для оператора форме
программировать и управлять ими через компьютер,
находящийся на верхнем уровне системы.
В настоящее время сформировались два основных
класса промышленных контроллеров в соответствии с
выбором программно-аппаратной платформы низового
уровня автоматизации.
2. Пользователи, считающие, что задачи АСУТП
должны базироваться на классических системах
реального, основой которых служат ОСРВ, такие как
OS-9, VxWorks, LynxOS (UNIX РВ), QNX и др., и
микроконтроллерах (микропроцессорах) таких
производителей как Motorola (семейство МС 68***,
PowerPC), Siemens и др.
Этот подход реализуется в рамках открытых
международных стандартов на:
промышленные контроллеры и компьютеры
VMEbus (IEC 821, IEEE 1014-87), Compact PCI
(PICMGv. 2.1);
устройства модульного (мезонинного) ввода/вывода
Industry Pack (ANSI/VITA 4-95), PMC(IEEEP1386.1)
и др.;
промышленные сети Profibus (DIN 19245), Mod-bus,
CANbus, LON, Ethernet (IEEE 802), Interbus-S, DeviceNet и др.;
средства разработки IEC 61131-3, ANSI C/C++.
Для разработчика представлена широкая
номенклатура промышленных контроллеров,
выполненных в рамках открытых международных
стандартов VMEbus (IEC 821, IEEE 1014) в
механическом формате Евромеханика 3U/6U
производства мировых лидеров в области
промышленной автоматизации: PEP Modular Computers
(Германия), Motorola Computers Group (США), VMIC и
др., а также модульных контроллеров SMART и IUC
производства PEP Modular Computers.
Контроллеры базируются на микропроцессорах серий
Motorola 68*** и ОСРВ фирмы Microware OS-9. Вся
техника имеет среднее время наработки на отказ более
100 000 ч, двухлетний срок гарантии, десятилетний
срок поддержки всей номенклатуры продукции, что
решает проблемы с поставкой ЗИП, а это особенно
важно с учетом срока эксплуатации подобных систем
(10 и более лет).
Характеристики шины
Разрядность шины — 32/64
Адрес/Данные —
раздельные (VME32),
мультиплексируемые (VME64)
Тип шины — Асинхроная
Конструктив — Евромеханика 3U, 6U, 9U
Максимальное количество модулей в крейте — 21
штука
Пропускная способность в 32 разрядном варианте — 40
Мбайт/с (VME32), 80 Мбайт/с (VME64)
В режиме блочных передач (когда на 1 передачу адреса
идёт несколько передач данных) скорость может
достигать 320 Мбайт/с (VME64
Базовым параметром является размер 19 дюймов,
который равен 482,6 мм — это ширина передней панели
блока
Высота блоков определяется в единицах U, каждая из
которых равна 1 3/4 дюйма,
или 44,45 мм.
Высота печатной платы может изменяться с шагом 1U,
и для типораз-м
3. Пользователи, ориентированные на технологии
PC/AT (PC-based), отдающие при решении любых
задач, в том числе АСУТП, предпочтение связке Intel Microsoft. Оба подхода имеют право на существование,
тем более, что в ряде случаев выбор регламентируется
корпоратив-ной политикой предприятий в области
автоматизации. Предлагаемые рынком аппаратнопрограммные средства автоматизации позволяют
сегодня удовлетворить эти подходы, отдавая право
выбора заказчику или разработчику.
Этот подход базируется на широкой номенклатуре
PC/AT-совместимых промышленных контроллеров (PCbased контроллеры), персональных компьютеров и
серверов, выполненных в том числе в рамках
открытого международного стандарта CompactPCI.
Стандарт CompactPCI объединяет достоинства и
доступность PC-совместимой техники, для которой
подготовлено множество специалистов, способных
грамотно ее эксплуатировать, с надежностью
промышленной техники, обеспечиваемой жестким
механическим форматом Евромеханика 3U/6U,
новейшей конструкцией разъемов и многослойной
объединительной магистрали, дополнительными
мерами по защите от электромагнитных помех.
Показатель надежности РС/АТ-совместимых
контроллеров и компьютеров в стандарте CompactPCI,
оцениваемый параметром MTBF (среднее время
наработки на отказ), превышает 100 000 ч.
Широкое распространение также получили
промышленные контроллеры в формате PC-104.
Формат CompactPCI появился в результате попытки
адаптировать конструкцию компьютера с системной
ши
ной PCI к тяжёлым условиям эксплуатации в
промышлен-ности, на транспорте, в военной технике. В
серии специ-фикаций, разработанных в этой связи
консорциумом PICMG (PCI Industrial Computer
Manufacturers Group), в
качестве основной цели изменения конструкции было
названо улучшение её механических характеристик.
Стандарт PC/104 предлагает полную совместимость по
PC-архитектуре, аппаратной и программной частям, но
в исключительно компактном (90х96 мм) варианте
стыкуемых модулей.
Главная особенность стандарта - это то, что он дает
возможность различной компоновки PC компьютера.
Например, стековая архитектура обеспечивает
минимальные габариты компьютера, а использование
базовой платы обеспечивает его минимальную высоту.
Применение новых разъемов для PC-шины
обеспечивает надежную работу компьютеров в жестких
условиях эксплуатации (повышенная вибрация, солевой
туман, широкий диапазон температур и т.д.).
Новейшие технологии производства компонентов,
применение поверхностного монтажа высокой
плотности позволили резко сократить габариты и
потребление энергии модулей PC/104, что позволяет
использовать их в закрытых объемах без
дополнительного охлаждения, типовой PC/104
компьютер потребляет 2,5 Вт.
Два вида использования модулей PC/104
Различная компоновка модулей PC/104 практически не
ограничивает разработчика в использовании их во
встроенных системах.
Например, стековая архитектура обеспечивает
минимальные габариты компьютера, а использование
базовой платы обеспечивает его минимальную высоту.
При такой компоновке отпадает необходимость в
соедининительной кросс-плате и корзине, обеспечивая
надежную конструкцию PC-машины и минимальные
габариты. Состыкованные модули расположены на
расстоянии 15 мм друг от друга. (Три модуля,
состыкованные вместе, занимают объем 90х96х51 мм.)
Применение базовой платы
При такой компоновке модули помещаются на
пользовательскую несущую плату, обеспечивающую
крепление модулей PC/104 и соединение между ними.
Наращивание PC-компьютера в такой конфигурации
обеспечивается через выбор размеров несущей платы,
если необходима плоская конструкция, или
дополнительную установку модулей (стековый
вариант). Применение комбинированной компоновки
дает большие возможности при проектировании и
модернизации крупных систем.
Основные критерии выбора контроллеров:
- функция разрабатываемого контроллера,
- место контроллера в общей структуре системы
управления, оценка возможности применения одного
семейства контроллеров для всей системы,
- наличие встроенных периферийных и связных
контроллеров, памяти, таймеров, включая сторожевой,
clock-мониторов и т.д.,
- условия работы, температурный диапазон,
вибрация, агрессивные среды,
- ПО для разработки частей контроллера и
пользовательского программирования, т.е. средства
разработки, отладки, средства прикладного
программирования, наличие встроенных средств
отладки – встроенные аппаратные отладчики,
-
- надежность, простота инсталляции и установки,
легкая расширяемость и перестраиваемость,
согласованность со стандартами и долговечность,
срок жизни контроллера, это обычно 10-20 лет.
Два крайних типа микроконтроллеров: простейший на
ПЛК и относительно сложный Analog Device.
Простые программируемые логические
контроллеры
После её запуска в работу открывается клапан Y1, и
ёмкость начинает заполняться компонентом № 1.
При достижении уровня 2 срабатывает датчик SL2,
закрывается клапан Y1 и открывается клапан Y2. В
ёмкость начинает поступать компонент №2. После
заполнения емкости до уровня 1 по сигналу от
датчика SL1 закрывается клапан Y2 и включается
привод мешалки М. Через 15 мин он выключается,
смесь готова. Для её выгрузки открывается клапан
Y3. Окончание процесса фиксируется датчиком SL3
(уровень 3). После закрытия клапана Y3 установка
готова к новому циклу приготовления смеси.
Вся система реализуется с помощью четырёх
промежуточных реле и одного реле времени.
Усложним немного задачу, и добавим условие
возможности приготовления на этой же установке
смеси по другой рецептуре. Это означает, что в
ёмкость должно загружаться иное число
компонентов с индивидуальными для каждого из
них дозой и порядком загрузки, а также изменено
время работы мешалки. Такое условие уже не может
быть реализовано с помощью релейной схемы на
дискретных элементах без полной её переделки.
Логический модуль LOGO! изначально задумывался
как промежуточное звено между традиционными
релейными элементами автоматики (контакторы,
реле времени и т.п.) и программируемыми
контроллерами.
В нём вместо соединения проводов должно было
использоваться логическое соединение функций,
обычно реализуемых аппаратно с помощью
отдельных устройств. Но в отличие от
программируемых контроллеров сложность
устройств должна была позволять работать с ними
персоналу без специальных знаний в области
программирования.
С этой же целью ввод программы в LOGO!
предполагалось осуществлять непосредственного со
встроенных индикатора и клавиатуры.
Для подключения к источникам сигналов и
исполнительным устройствам модули LOGO! первых
поколений имели 6 или 12 дискретных входов и 4
или 8 дискретных выходов. Затем к дискретным
входам добавилось два аналоговых.
Модульный LOGO! - увеличение числа входов и
выходов обеспечивается с помощью модулей
расширения.
В модульном варианте микроконтроллер LOGO!
можно реализовать максимум с 24 дискретными и 8
аналоговыми входами, а также 16 дискретны ми
выходами.
Выходы могут быть транзисторными или
релейными. Кроме того, к такому
микроконтроллеру можно подключить
коммуникационные модули.
Главной особенностью микроконтроллеров LOGO!
все же является то, что схема релейной автоматики
собирается из программно реализованных
функциональных блоков.
В распоряжении пользователя имеется восемь
логических функций типа И, ИЛИ и т.п., большое
число типов реле, а также такие функции, как
выключатель с часовым механизмом тактовый
генератор, часы реального времени и др.
Потребитель E1 включается и выключается с помощью выключателей S1, S2 и S3. Реле K1 срабатывает,
когда замкнут хотя бы один из выключателей S1 или
S2 и обязательно S3. В LOGO! указанная схема
реализу-ется двумя логическими блоками OR и AND.
Реальный выключатель S1 подключается ко входу I1
модуля, выключатель S2 — ко входу I2, S3 — к I3, а
потребитель E1 подключается к релейному выходу
Q1.
Программирование модулей LOGO!, а точнее — ввод
схемы, может выполняться с помощью встроенных
клавиатуры и дисплея. Оно сводится к выбору
необходимых функциональных блоков, соединению их
между собой и заданию параметров настройки блоков
(задержек включения/выключения, значений счётчиков
и т.д.). Для хранения управляющей программы в
модуле имеется встроенное энергонезависимое
запоминающее устройство. Создание резервной копии
программы, а также перенос ее в другие LOGO! может
быть осуществлён с помощью специальных модулей
памяти, устанавливаемых в интерфейсное гнездо.
Однако ввод программы с панели управления может
быть оправдан только для небольших по объёму
программ или в случае острой необходимости
внесения корректив в уже работающую программу
непосредственно на объекте.
А учитывая то, что программу всё равно
предварительно приходится прорисовывать на бумаге,
становится очевидным необходимость использования
программного продукта.
LOGO!Soft Comfort.
Этот пакет позволяет разрабатывать в графической
форме и документировать программы для LOGO! на
компьютере и, кроме того, отлаживать их в режиме
эмуляции логического модуля.
Принцип работы аналогичен используемому при
ручном вводе, но эффективность во много раз выше.
Выбранные функциональные блоки мышью
переносятся на рабочее поле, затем соединяются и
параметрируются.
Система управления смесительной установкой с
использованием микроконтроллера LOGO!
Схема подключения
Блок схема программы
Разработка языков стандарта
Стандарт IEC 1131-3 определяет языки для
программируемых контроллеров таким образом, что
части прикладной программы могут быть
запрограммированы на любом языке и скомпонованы в
единую исполняемую программу. При разработке
стандарта было найдено так много вариаций языков для
программируемых контроллеров, что было невозможно
выбрать одну из существующих вариаций в качестве
общего языка. Поэтому соответствующее
подразделение принялось за разработку нового общего
языка с применением современных принципов
разработка программного обеспечения.
Стандарт IEC 1131-3 описывает два графических
языка: "Диаграмма цепей" (LD) и "Диаграмма
функциональных блоков" (FBD). В этих языках
графические
символы
обеспечивают
прямое
соответствие между графическим представлением
решения задачи и программой, решающей эту задачу.
LD использует стандартизированный набор символов
для ступенчатого программирования. По существу, эти
диаграммы являются представлением релейной логики.
Люди, понимающие релейную логику, могут
программировать на языке "Диаграмма цепей".
FBD - это графический язык, который повсеместно
используется. Элементы этого языка выглядят как
блоки, соединенные проводами в электрическую цепь,
делая язык удобным для множества прикладных
программ, содержащих передачу информации или
данных
между
различными
компонентами.
Функциональные блоки - это программные объекты,
которые представляют специализированные функции
управления, используемые в управляющих системах. В
терминах
объектно-ориентированного
программирования функциональные блоки - это
объекты,
но
не
все
объекты
являются
функциональными блоками.
PIC-контроллеры
Первое, что привлекает внимание в PIC-контроллерах —
это простота и эффективность. В основу концепции PIC,
единую для всех выпускаемых семейств, была положена
RISC-архитектура с системой простых однословных
команд, применение встроенной памяти программ и
данных и малое энергопотребление.
Система команд базового семейства PIC165x содержит
только 33 команды. Все команды (кроме команд перехода)
выполняются за один машинный цикл (или четыре
машинных такта) с перекрытием по времени выборок
команд и их исполнения, что позволяет достичь
производительности до 5 MIPS при тактовой частоте 20
МГц.
В настоящее время MICROCHIP выпускает четыре
основных
семейства
8-разрядных
RISCмикроконтроллеров, совместимых снизу вверх по
программному коду:
базовое семейство PIC15Cx с 12-разрядными
командами, простые недорогие микроконтроллеры с
минимальной периферией;
PIC12Cxxx с 12-разрядными командами со встроенным
тактовым генератором, выпускаемые в миниатюрном 8-
выводном исполнении. Не так давно был анонсирован
очередной такой “малыш” c внутренним 8-разрядным 4канальным АЦП;
Mid-range PIC16x/7x/8x/9x с 14-разрядными командами.
Наиболее многочисленное семейство, объединяющее
микроконтроллеры с разнообразными периферийными
устройствами, в число которых входят аналоговые
компараторы, аналогово-цифровые преобразователи,
контроллеры последовательных интерфейсов SPI,
USART и I2C, таймеры-счётчики, модули
захвата/сравнения, широтно-импульсные модуляторы,
сторожевые таймеры, супервизорные схемы и так далее;
High-end PIC17C4x/5xx высокопроизводительные
микроконтроллеры с расширенной системой команд 16разрядного формата, работающие на частоте до 33 МГц,
с объёмом памяти программ до 16 Кслов. Кроме
обширной периферии почти все микроконтроллеры
этого семейства имеют встроенный аппаратный
умножитель 8ґ8, выполняющий операцию умножения
за один машинный цикл.
Большинство
PIC-контроллеров
выпускаются
с
однократно программируемой памятью программ OTP с
возможностью внутрисхемного программирования или
масочным ROM. Для целей отладки предлагаются версии с
ультрафиолетовым
стиранием.
Полное
количество
выпускаемых модификаций PIC-контроллеров составляет
порядка пятисот наименований. Как не без основания
утверждает
MICROCHIP,
продукция
компании
перекрывает весь диапазон применений 8-разрядных
микроконтроллеров
Контроллеры Analog Device
ADuC812
8-канальная, 12-разрядная системы сбора данных.
Отличительной особенностью новейшего семейства
микросхем серии ADuC8xx является сам их принцип
построения.
Эти микросхемы не являются «микроконтроллером со
встроенными АЦП-ЦАП».
АЦП и ЦАП со встроенным в них микроконтроллером
и флэш-памятью. Поэтому их основным достоинством
является высокая точность аналого-цифрового и цифроаналогового преобразования, удачно сочетаемая с
возможностью непосредственной обработки
получаемой информации.
Основные характеристики первых представителей
семейства микросхем ADuC8xx.
Первой микросхемой семейства ADuC8xx,
выпущенной в серийное производство в 1999 году,
является ADuC812. Микросхема состоит из двух
основных частей — аналоговой и цифровой.
Аналоговые входы микросхемы соединены с 8входовым мультиплексором. На выходе
мультиплексора стоит усилитель выборки/хранения,
фиксирующий значение аналогового сигнала на
выбранном входе на время осуще-ствления
преобразования АЦП.
Помимо него, к аналоговой части микросхемы
относятся также два 12-разрядных ЦАП с буферными
усилителями на выходе каждого из них.
Источник опорного напряжения может использоваться
либо внутренний, напряжением 2,5 В и температурной
стабильностью 40 ppm/°C, либо внешний, напряжение
которого не превышает уровень источника питания.
К входному мультиплексору подключен внутренний
датчик температуры (компенсация температуры
холодного спая термопар, дрейф нуля ОУ).
На аналоговые входы допустима подача сигналов в
диапазоне от 0 до Vопорное.
Интерфейсом между аналоговой и цифровой частями
микросхемы служат регистры управления и калибровки.
Цифровая часть состоит из собственно ядра
микроконтроллера, полностью совместимого по
системе команд с наиболее широко распространенными
в мире микроконтроллерами серии 8051, блока памяти и
набора дополнительных периферийных устройств.
Микросхема ADuC812 может питаться от источника
напряжением 3 или 5 В и имеет несколько экономичных
режимов работы.
Структура АЦП, ЦАП и цифровой части микросхемы.
АЦП последовательных приближений, который может
работать как в режиме единичных, так и непрерывных
преобразований с максимальной скоростью 200 тысяч
преобразований в секунду.
Для запоминания результатов преобразования
используется либо режим прерываний (как правило, его
удобно использовать при невысокой частоте работы
АЦП), либо режим прямого доступа, не влияющий на
работу собственно контроллера и позволяющий
сохранять результаты преобразования во внешнем ОЗУ
с адресуемым пространством 16 Мбайт.
АЦП имеет очень хорошую точность (соотношение
сигнал/шум 70 дБ, что соответствует реальному
разрешению на уровне 11,5 разрядов) и высокую
линейность.
Микросхема выпускается с заводской калибровкой под
оптимальную производительность. При каждом
включении источника питания микросхемы эти
коэффициенты записываются в соответствующие
регистры.
В большинстве приложений этих коэффициентов
достаточно для хорошей работы системы, однако
пользователь в процессе работы может перезаписать.
Все режимы работы АЦП определяются тремя
регистрами управления, находящимися во внутренней
памяти микроконтроллера. Результаты преобразования
могут быть считаны из двух регистров, один из которых
показывает номер канала мультиплексора и старшие 4
бита результата, а второй — младшие 8 бит результата.
ЦАП управляются одним регистром управления и
четырьмя регистрами данных. Обновление информации
на выходе ЦАП может происходить отдельно для
каждого из них, либо одновременно. Кроме того,
каждый из них может быть сконфигурирован для
работы либо в 12-разрядном, либо 8-разрядном
режимах.
Микроконтроллер представляет собой «стандартное»
ядро 8051 с максимальной рабочей частотой 16 МГц (12
МГц — типовая), тремя байтовыми портами
ввода/вывода, один из которых, порт 3, обладает
повышенной нагрузочной способностью, тремя 16разрядными таймерами/счетчиками и расширенной
периферией, которая будет описана ниже.
Блок памяти состоит из флэш-памяти программ
объемом 8 кбайт, флэш-памяти данных объемом 640
байт и ОЗУ объемом 256 байт. Информация во
внутреннюю флэш-память программ может быть
записана как с любого внешнего программатора в
«параллельном» режиме через порты
микроконтроллера, так и непосредственно в системе в
«последовательном» режиме через стандартный
асинхронный последовательный порт.
Микросхема дополнена двумя мониторами, один из
которых следит за отсутствием «зависания»
микроконтроллера, и в случае обнаружения оного
вырабатывает сигнал сброса в начальное состояние, а
второй следит за тем, чтобы напряжение источника
питания не падало ниже определенного, задаваемого
пользователем значения (от 2,6 до 4,6 В).
Он позволяет в случае, близком к потере питания,
сохранить содержимое внутренних регистров,
запомнить свое состояние и возобновить работу только
после восстановления питания.
Микросхема поддерживается инструментальными
средствами (EVAL-ADuC812), состоящими из
эволюционной платы, соединяемой с компьютером,
комплектом программного обеспечения (полная версия
Ассемблера и ограниченная версия С, программного
симулятора, отладчика и последовательного
загрузчика/программатора флэш-памяти), необходимой
документации, блока питания и двух образцов
микросхем.
AduC824 — микросхема для применения в
индустриальных интеллектуальных датчиках
Отличительные черты.
В аналоговой части вместо 8-канального 12-разрядного
АЦП последовательных приближений применены два
сигма-дельта-АЦП.
Один из них (основной канал), имеющий реальное
разрешение более 19 разрядов при входном сигнале
±2,56 В, снабжен программируемым усилителем,
позволяющим получить реальное 13-разрядное
разрешение при входном сигнале ±20 мВ.
Дополнительный канал характеризуется 16-разрядным
разрешением. Кроме того, на кристалле имеются два
согласованных (с разбросом не хуже 0,1 %) стабильных
источника тока величиной 200 мкА, которые могут
служить для запитки внешних датчиков.
Блок ЦАП состоит из одного прецизионного 12разрядного ЦАП с вольтовым выходом, который может
работать либо в 8-разрядном, либо в 12-разрядном
режиме с диапазоном выходных сигналов от 0 до 2,5 В
(при использовании внутреннего источника опорного
напряжения), либо от 0 до напряжения источника
питания на нагрузку до10 кОм/100 пФ.
Малое энергопотребление (всего 3 мА при питании от
3-вольтового источника), что дает возможность ее
реального использования в индустриальных
приложениях с питанием от токовой петли. Это стало
возможным за счет применения специального тактового
генератора, позволяющего «завести» микросхему от
стандартного резонатора частотой 32768 кГц.
Остальные части микросхемы и комплект
инструментальных средств имеют практически ту же
структуру и функции, что и у вышеописанной
микросхемы ADuC812.
ПОЛЕВЫЕ МАГИСТРАЛИ
Для связи контроллеров с ЭВМ верхнего уровня
необходима двунаправленная, многоточечная,
коммуникационная сеть, реализующая связь
функционально изолированных друг от друга
устройств.
Причем каждое коммуникационное устройство
обладает определенными «интеллектуальными»
ресурсами, обеспечивающими его самодиагностику и
взаимодействие с аналогичными устройствами без
привлечения устройств и дополнительных протоколов
высокого уровня.
Такая магистраль носит название полевой магистрали
или fieldbus. Вообще говоря, архитектура fieldbus
похожа на LAN, однако должна отвечать целому ряду
специфических требований.
1. Жесткая детерминированность поведения.
2. Обеспечение функций реального времени.
3. Возможность работы в сильно распределенных в
пространстве системах, при использовании
недорогого физического уровня.
4. Высокая устойчивость физического и канального
уровней к помехам различной природы.
5. Наличие высоконадежных механических
коммутационных компонентов.
При реализации приведенных требований к полевым
магистралям применение промышленных полевых шин
позволяет существенно улучшить качество, снизить
затраты и повысить эффективность конечной системы за
счет возможности узлов выполнять ряд операций по
самодиагностике и обслуживанию, а применение цифровой
передачи данных позволяет значительно снизить
количество используемых проводников.
Архитектура конечной системы получается довольно
простой, за счет количественного уменьшения
используемых компонентов.
Важной предпосылкой для использования стандартной
сети из семейства современных полевых сетей в
качестве межмодульной среды передачи является
существенное снижение интенсивности межмодульного
взаимодействия.
Оценки показывают, что интенсивность обмена
информацией между интеллектуальными модулями
может снизиться в сотни раз. Это достигается за счет
влияющих программ внутри интеллектуального модуля.
Межмодульное взаимодействие в этом случае требуется
только для получения информации о значениях
параметров, необходимых для функционирования
собственных алгоритмов управления и заданий извне.
Наиболее распространенными стандартами в
настоящее время являются: RS 485, PROFIBUS,
MIL 1553, LonWorks, CAN, Ethernet и беспроволочные
технологии Wireless.
Стандарт CAN.
CAN представляет собой сеть с общей средой передачи
данных. Это означает, что все узлы сети одновременно
принимают сигналы, передаваемые по шине. Невозможно
послать сообщение какому-либо конкретному узлу. Все
узлы сети принимают весь трафик (поток данных),
передаваемый по шине. Однако CAN-контроллеры
предоставляют аппаратную возможность фильтрации
CAN-сообщений.
Каждый узел состоит из двух составляющих. Это
собственно CAN-контроллер, который обеспечивает
взаимодействие с сетью и реализует протокол, и
микропроцессор (CPU).
CAN-контроллеры соединяются с помощью
дифференциальной шины, которая имеет две линии
CAN_H (can-high) и CAN_L (can-low), по которым
передаются сигналы. Логический ноль регистрируется,
когда на линии CAN_H сигнал выше, чем на линии
CAN_L. Логическая единица в случае, когда сигналы
CAN_H и CAN_L одинаковы, отличаются менее, чем на
0.5 В. Использование такой дифференциальной схемы
передачи делает возможным работу CAN сети в очень
сложных внешних условиях.
Логический ноль называется доминантным битом, а
логическая единица рецессивным. Эти названия
отражают приоритет логической единицы и нуля на
шине CAN.
При одновременной передаче в шину логического нуля
и единицы на шине будет зарегистрирован только
логический ноль (доминантный сигнал), а логическая
единица будет подавлена (рецессивный сигнал).
Типы сообщений сети CAN.
Данные в CAN передаются короткими сообщениямикадрами стандартного формата.
В CAN существуют четыре типа сообщений:
- Data Frame;
- Remote Frame;
- Error Frame
- Overload Frame.
Data Frame это наиболее часто используемый тип
сообщения. Он состоит из следующих основных частей:
поле арбитража (arbitration field) определяет
приоритет сообщения в случае, когда два или более
узлов одновременно пытаются передать данные в сеть.
Поле арбитража состоит, в свою очередь из:
1. для стандарта CAN-2.0A, 11-битного
идентификатора,
2. + 1 бит RTR (retransmit),
3. для стандарта CAN-2.0B, 29-битного
идентификатора + 1 бит RTR (retransmit).
Следует отметить, что поле идентификатора, несмотря
на свое название, никак не идентифицирует само по
себе ни узел в сети, ни содержимое поля данных. Для
Data кадра бит RTR всегда выставлен в логический ноль
(доминантный сигнал).
поле данных (data field) содержит от 0 до 8 байт
данных;
поле (CRC field) содержит 15-битную контрольную
сумму сообщения, которая используется для
обнаружения ошибок;
слот подтверждения (Acknowledgement Slot) (1 бит),
каждый контроллер, который правильно принял
сообщение? посылает бит подтверждения в сеть. Узел,
который послал сообщение, слушает этот бит, и в
случае, если подтверждение не пришло, повторяет
передачу. В случае приема слота подтверждения
передающий узел может быть уверен лишь в том, что
хотя бы один из узлов в сети правильно принял его
сообщение.
Remote Frame это Data Frame без поля данных и с
выставленным битом RTR (1 рецессивные бит).
Основное предназначение Remote кадра это
инициация одним из узлов сети передачи в сеть данных
другим узлом. Такая схема позволяет уменьшить
суммарный трафик сети. Однако на практике Remote
Frame сейчас используется редко (например, в
DeviceNet Remote Frame вовсе не используется).
Error Frame это сообщение, которое явно нарушает
формат сообщения CAN. Передача такого сообщения
приводит к тому, что все узлы сети регистрируют
ошибку формата CAN-кадра, и, в свою очередь,
автоматически передают в сеть Error Frame.
Результатом этого
процесса является автоматическая повторная передача
данных в сеть передающим узлом.
Error Frame состоит из поля Error Flag, которое состоит
из 6 бит одинакового значения (и, таким образом Error
frame нарушает проверку Bit Stuffing, см. ниже), и поля
Error Delimiter, состоящее из 8 рецессивных битов.
Error Delimiter дает возможность другим узлам сети
обнаружив Error Frame послать в сеть свой Error Flag.
Overload Frame повторяет структуру и логику работы
Error - кадра, с той разницей, что он используется
перегруженным узлом, который в данный момент не
может обработать поступающее сообщение, и поэтому
просит при помощи Overload-кадра о повторной
передаче данных. В настоящее время Overload-кадр
практически не используется.
Контроль доступа к среде передачи
Поле арбитража CAN-кадра используется в CAN для
разрешения коллизий доступа к шине методом
недеструктивного арбитража.
Суть метода недеструктивного арбитража заключается
в следующем. В случае, когда несколько контроллеров
начинают одновременную передачу CAN-кадра в сеть,
каждый из них сравнивает бит, который собирается
передать на шину с битом, который пытается передать
на шину конкурирующий контроллер.
Если значения этих битов равны, оба контроллера
передают следующий бит. И так происходит до тех
пор, пока значения передаваемых битов не окажутся
различными. Теперь контроллер, который передавал
логический ноль (более приоритетный сигнал), будет
продолжать передачу, а другой (другие) контроллер
прервёт свою передачу до того времени, пока шина
вновь не освободится. Конечно, если шина в данный
момент занята, то контроллер не начнет передачу до
момента её освобождения.
Методы обнаружения ошибок
CAN протокол определяет пять способов обнаружения
ошибок в сети:
- Bit monitoring;
- Bit stuffing;
- Frame check;
- ACKnowledgement Check;
- CRC Check.
Bit monitoring. Каждый узел во время передачи битов в
сеть сранивает значение передаваемого им бита со
значением бита которое появляется на шине. Если эти
значения не совпадают, то узел генерирует ошибку
Bit Error. Естественно, что во время арбитража на
шине (передача поля арбитража в шину) этот механизм
проверки ошибок отключается.
Bit stuffing . Узел передает последовательно в шину 5
бит с одинаковым значением, то он добавляет шестой
бит с противоположным значением. Принимающие
узлы этот дополнительный бит удаляют. Если узел
обнаруживает на шине больше 5 последовательных бит
с одинаковым значением, то он генерирует ошибку Stuff
Error.
Frame Check. Некоторые части CAN-сообщения имеют
одинаковое значение во всех типах сообщений. Т.е.
протокол CAN точно определяет, какие уровни
напряжения и когда должны появляться на шине. Если
формат сообщений нарушается, то узлы генерируют
ошибку Frame Error.
If one of the EOF (End of Frame) bits 1 to 6 are detected
locally as dominant bits the node will send an Error Flag to
globalize this failure.
The CAN specification reads as follows:
The point of time at which a message is taken to be valid is
different for the transmitter and the receivers of the message.
Transmitter:The message is valid for the transmitter, if there
is no error until the end of End of Frame. If a message is
corrupted, retransmission will follow automatically.
Receiver: The message is valid for the receiver, if there is
no error until the last but one bit of End of Frame.
A Receiver, which has sampled a dominant value during the
7th EOF bit do not regard this as an error. On the other hand,
the fixed-form bit contains an illegal bit and the Receiver may
have lost synchronization, therefore an Overload Frame is
transmitted.
Aknowledgement Check. Каждый узел, получив
правильное сообщение по сети посылает в сеть
доминантный (0) бит. Если же этого не происходит, то
передающий узел регистрирует ошибку
Acknowledgement Error.
CRC Check. Каждое сообщение CAN содержит CRCсумму, и каждый принимающий узел подсчитывает
значение CRC для каждого полученного сообщения.
Если подсчитанное значение CRC-суммы, не совпадает
со значением CRC в теле сообщения, принимающий
узел генерирует ошибку CRC Error.
Механизм ограничения ошибок (Error confinement)
Каждый узел сети CAN во время работы пытается
обнаружить одну из пяти возможных ошибок. Если
ошибка обнаружена, узел передает в сеть Error Frame,
разрушая тем самым весь текущий трафик сети
(передачу и прием текущего сообщения). Все остальные
узлы обнаруживают Error Frame и принимают
соответствующие действия (сбрасывают принятое
сообщение).
Кроме того, каждый узел ведет два счетчика ошибок:
Transmit Error Counter (счетчик ошибок передачи) и
Receive Error Counter (счетчик ошибок приема). Эти
счетчики увеличиваются или уменьшаются в
соответствие с несколькими правилами. Сами правила
управления счетчиками ошибок достаточно сложны, но
сводятся к простому принципу: ошибка передачи
приводит к увеличению Transmit Error счетчика на 8,
ошибка приема увеличивает счетчик Receive Error на 1,
любая корректная передача/прием сообщения
уменьшают соответствующий счетчик на 1.
Эти правила приводят к тому, что счетчик ошибок
передачи передающего узла увеличивается быстрее,
чем счетчик ошибок приема принимающих узлов. Это
правило соответствует предположению о большой
вероятности того, что источником ошибок является
передающий узел.
Каждый узел CAN сети может находиться в одном из
трех состояний. Когда узел стартует, он находится в
состоянии Error Active. Когда, значение хотя бы одного
из двух счетчиков ошибок превышает предел 127, узел
переходит в состояние Error Passive. Когда значение
хотя бы одного из двух счетчиков превышает предел
255, узел переходит в состояние Bus Off.
Узел находящийся в состоянии Error Active в случае
обнаружения ошибки на шине передает в сеть Active
Error Flags. Active Error Flags сотстоит из 6
доминантных бит, поэтому все узлы его регистрируют.
Узел в состоянии Passive Error передает в сеть Passive
Error Flags при обнаружении ошибки в сети. Passive
Error Flags состоит из 6 рецессивных бит, поэтому
остальные узлы сети его не замечают, и Passive Error
Flags лишь приводит к увеличению Error счетчика
узла. Узел в состоянии Bus Off ничего не передает в
сеть.
Адресация и протоколы высокого уровня
В CAN не существует явной адресации сообщений и
узлов. Протокол CAN нигде не указывает, что поле
арбитража (Identification field + RTR) должно
использоваться как идентификатор сообщения или
узла. Таким образом, идентификаторы сообщений и
адреса узлов могут находиться в любом поле
сообщения (в поле арбитража или в поле данных, или
присутствовать и там, и там). Точно так же протокол не
запрещает использовать поле арбитража для передачи
данных.
Утилизация поля арбитража и поля данных и
распределение адресов узлов, идентификаторов
сообщений и приоритетов в сети является предметом
рассмотрений так называемых протоколов высокого
уровня (HLP - Higher Layer Protocols). Название HLP
отражает тот факт, что протокол CAN описывает
только два нижних уровня эталонной сетевой модели
ISO/OSI, а остальные уровни описываются
протоколами HLP.
Существует множество таких высокоуровневых
протоколов. Наиболее распространенные из них это:
DeviceNet, CAL/CANopen, SDS и CanKingdom.
Физичекий уровень протокола CAN
Физический уровень (Physical Layer) протокола CAN
определяет сопротивление кабеля, уровень
электрических сигналов в сети и т.п. Существует
несколько физических уровней протокола CAN (ISO
11898, ISO 11519, SAE J2411).
В подавляющем большинстве случаев используется
физический уровень CAN определенный в стандарте
ISO 11898.
Стандарт ISO 11898 в качестве среды передачи
определяет двухпроводную дифференциальную линию
с импедансом (терминаторы) 120 Ом (допускается
колеба-ние импеданса в пределах от 108 Ом до 132 Ом.
Среда передачи данных в CAN - спецификации не
определена. Интерфейс с применением протокола CAN
легко адаптируется к физической среде передачи
информации. Это может быть дифференциальный
сигнал, передаваемый по скрученной паре,
оптоволокно, просто открытый коллектор
Физический уровень CAN реализован в специальных
чипах - CAN приемопередатчиках (transceivers),
которые преобразуют обычные TTL уровни сигналов,
используемых CAN-контроллерами в уровни сигналов
на шине CAN.
Наиболее распространенный CAN приемопередатчик Phillips 82C250, который полностью соответствует
стандарту ISO 11898.
Максимальная скорость сети CAN в соответствие с
протоколом равна 1 Mбит/c. При скорости в 1 Mбит/c
максимальная длина кабеля равна примерно 40 метрам.
Ограничение на длину кабеля связано с конечной
скоростью света и механизмом побитового арбитража
(во время арбитража все узлы сети должны получать
текущий бит передачи одновременно, те сигнал должен
успеть распространится по всему кабелю за единичный
отсчет времени в сети.
скорость передачи
1000 Кбит/сек
500 Кбит/сек
250 Кбит/сек
125 Кбит/сек
10 Кбит/сек
максимальная длина сети
40 метров
100 метров
200 метров
500 метров
6 километров
Разъемы для сети CAN до сих пор не стандартизованы.
Каждый протокол высокого уровня обычно определяет
свой тип разъемов для CAN-сети.
SJA1000
Режим работы поддерживает CAN 2.0B
спецификацию протокола с несколькими новыми
характеристиками:
1) Тактовая частота - 16 МГц.
2) Интерфейсы в зависимости от микропроцессоров.
3) Совместимость с протоколом CAN 2.0 B.
4) Скорость передачи данных до 1 Мбит/с и др.
В состав SJA1000 входят:
1) Осциллятор.
2) Буфер обмена данными, который состоит из буфера
приема и буфера передачи данных.
3) Логический интерфейс управления.
4) Фильтр приема данных.
5) Процессор.
6) Блок логического управления ошибками.
7) Блок тактовой синхронизации.
По шине данных данные от микроконтроллера (D0 – D7)
попадают в буфер обмена данными, который состоит из
буфера приема и буфера передачи данных. Буфер передачи
данных
является
процессором
и
интерфейсом
процессором,
между
центральным
управляющим
потоком
данных (BSP), который способен сохранять полный пакет
данных для передачи по сети CAN. Буфер состоит из 13
байтов данных, записанных центральным процессором и
выводимых BSP.
Буфер приема данных является интерфейсом между
фильтром приема данных и центральным процессором,
который хранит полученные и принятые данные по
электрической шине CAN.
Фильтр
приема
данных
сравнивает
полученный
идентификатор с содержанием регистра фильтра приема
данных и принимает решение, следует ли принять данные
или нет. В случае положительного ответа полный пакет
данных хранится в RXFIFO.
BSP-
контроллер
последовательности,
управляющий
потоком данных между буфером передачи, RXFIFO и
шиной CAN.Он также выполняет обнаружение ошибок,
организацию доступа к общей шине и обработку ошибок
на шине CAN.
Блок тактовой синхронизации следит за последовательной
шиной CAN и управляет ее тактовой синхронизацией.
Логический интерфейс управления преобразует команды
от центрального процессора, контролирует адресацию
регистров CAN и обеспечивает прерывания и информацию
о состоянии для главного микроконтроллера.
Изолятор ADuM1201 обеспечивает два независимых
изолированных канала со скоростной передачей данных,
работает с напряжением источника в диапазоне 2.7-5.5 В,
обеспечивая систему с более низким напряжением также,
как и сдвиг функции напряжения в изоляционном барьере.
Формирователь физических уровней шины CAN
PCA82C250 – интерфейс между контроллером протокола
CAN и физической шиной.
CANopen - это открытая промышленная сеть созданная
на основе Controller Area Network (CAN).
Стандарт CAN (ISO 11898) описывает два нижних
уровня эталонной модели ISO/OSI, CANopen описывает
остальные пять.
Документ The CANopen Application Layer and
Communication Profile (CiA DS 301) определяет каким
образом устройства обмениваются данными и
описывает интерфейс к нижележащим уровням сети.
Общая схема связи устройств в CANopen
Протокол CANopen определяет несколько методов
передачи сообщений по сети CAN. Эти сообщения
называются объектами связи (communication objects).
CANopen поддерживает синхронизованную передачу
сообщений, которая обеспечивается объектами Sync и Time
Stamp. Асинхронные сообщения (или события) могут
пересылаться в любой момент времени. В целом CANopen
определяет четыре типа сообщений (communication
objects):
сообщения управления сетью, например Layer
Management (LMT) и Network Management (NMT)
сообщения
так называемые Service Data Objects (SDO)
так называемые Process Data Objects (PDO)
Предопределенные сообщения (Sync Object, Time
Stamp Object, Emergency Object
Инициализация и управление сетью
Сервис управления сетью используется для контроля
состояния устройств в сети CANopen. В рамках сервиса
управления сетью доступны следующие функции:
динамическое или статическое распределние
идентификаторов CAN для SDO/PDO соединений и
сервиса обработки ошибок,
управление состоянием работы устройств и
контроль режимов соединений в устройствах
периодический опрос устройств для определения
сбоев в устройствах
вместо опроса каждое устройство может
периодически посылать сообщение о том, что оно
функционирует нормально
Механизм передачи данных
CANopen определяет два совершенно разных
механизма передачи данных.
Service Data Object (SDO) механизм обычно
используется для конфигурирования устройств низкой
приоритетности. Отдельные параметры устройства
адресуются при помощи 16 битного адреса и 8 битного
подадреса. С помощью SDO можно передавать данные
длиной больше восьми байт используя механизм
фрагментации.
Функциональность SDO:
передача данных любого размера,
чтение и запись любых данных с подтверждением,
быстрая передача данных длиной до 4 байт,
обрыв соединения с любого конца с передачей
ошибки через сеть.
Все параметры устройства объединены в object
dictionary (словрь объектов), и все объекты в object
dictionary могут быть прочитаны или изменены
удаленно при помощи SDO.
Process Data Object (PDO) механизм используется для
предачи с высокой скоростью высокоприоритетных
данных, так как PDO сообщения не содержат никаких
дополнительных протокольных данных. При помощи PDO
можно передавать только данные длина которых меньше 8
байт. Формат данных PDO может быть фиксированным
или может быть сконфигурирован при помощи SDO. PDO
сообщения могут быть переданы одним узлом сразу
нескольким другим узлам одновременно
События
CANopen поддерживает несколько способов передачи
данных реального времени.
При возникновении какого-либо события можно
послать PDO сообщение. Например, устройство
дискретного ввода-вывода может отсылать состояние
своих выводов в сеть при их изменении. Такой способ
позволяет минимизировать загрузку сети и увеличить ее
пропускную способность.
Возможен синхронный режим передачи данных. В этом
режиме устройства синхронизируют передачу данных в
сеть с часами Master устройства. Этот режим особенно
полезен когда контуры управления замыкаются через
сеть (так называемые сетевые системы управления).
Кроме перечисленных выше способов передачи данных,
можно использовать передачу по запросу (polling). В
любой момент можно использовать PDO сообщение для
инициации передачи данных устройством. Эта схема
использует RTR бит CAN кадра.
UART-интерфейсы
UART (Universal asynchronous receiver/transmitter)
Асинхронный интерфейс поддерживающий протокол RS232, RS -485 и аналогичные им и НЕ ИМЕЮЩИЙ по этой
причине (асинхронности) никаких клоковых линий.
Вся синхронизация висит на самой посылке и достаточно
стабильных и совпадающих на обоих концах линии
частотах опорных ( baud rate) генераторов.
Основные рабочие линии – RXD и TXD, или просто RX и
TX. Передающая линия – TXD (Transmitted Data), а порт
RXD (Received Data) – принимающая.
Выход передатчика TX соединен с входом приемника RX и
наоборот.
.
данные с двойной скоростью, что задается спецальным регистром. Ниже приведена схема модуля
USART в МК AtMega16.
UART Receiver Transmitter
В состав UART входят: тактовый генератор связи (Baudrate
– генератор), управляющие регистры, статусные регистры,
буферы и сдвиговые регистры приемника и передатчика.
Baudrate задает тактовую частоту приемопередатчика для
данной скорости связи.
Управляющие регистры задают режим работы
последовательного порта и его прерываний.
В статусном регистре устанавливаются флаги по
различным событиям.
В буфер приемника попадает принятый символ, в буфер
передатчика помещают передаваемый.
Сдвиговый регистр передатчика - это обойма, из которой в
последовательный порт выстреливаются биты
передаваемого символа (кадра).
Сдвиговый регистр приемника по биту накапливает
принимаемые из порта биты.
По различным событиям устанавливаются флаги и
генерируются прерывания (завершение приема/отправки
кадра, освобождение буфера, различные ошибки).
UART - полнодуплексный интерфейс, то есть приемник и
передатчик могут работать одновременно, независимо друг
от друга.
За каждым из них закреплен порт - одна ножка
контроллера.
Порт приемника обозначают RX, передатчика - TX.
Последовательной установкой уровней на этих портах
относительно земли и передается информация.
По умолчанию передатчик устанавливает на линии
единичный уровень.
Передача начинается посылкой бита с нулевым уровнем
(старт-бита), затем идут биты данных младшим битом
вперед (низкий уровень - "0", высокий уровень - "1"),
завершается посылка передачей одного или двух битов с
единичным уровнем (стоп-битов).
Перед началом связи между двумя устройствами
необходимо настроить их приемопередатчики на
одинаковую скорость связи и формат кадра.
Baudrate задается эта скорость в делением системной
частоты на задаваемый коэффициент. Типичный диапазон
скоростей: 2400 … 115200 бод.
Формат кадра определяет число стоп-битов (1 или 2), число
бит данных (8 или 9), а также назначение девятого бита
данных. Все это зависит от типа контроллера.
Приемник и передатчик тактируются, как правило, с 16кратной частотой относительно бодрейта.
Это нужно для сэмплирования сигнала.
Приемник, поймав падающий фронт старт-бита,
отсчитывает несколько тактов и следующие три такта
считывает (семплирует) порт RX.
Это как раз середина старт-бита.
Если большинство значений семплов - "0", старт-бит
считается состоявшимся, иначе приемник принимает его за
шум и ждет следующего падающего фронта.
После удачного определения старт-бита, приемник точно
также семплирует серединки битов данных и по
большинству семплов считает бит "0" или "1", записывая
их в сдвиговый регистр.
Стоп-биты тоже семплируются, и если уровень стоп-бита
не "1" - UART определяет ошибку кадра и устанавливает
соответствующий флаг в управляющем регистре.
RS-232 (Recommended Standard 232)
стандарт последовательной синхронной и асинхронной
передачи двоичных данных между терминалом
(Data Terminal Equipment, DTE) и коммуникационным
устройством (Data Communications Equipment, DCE).
По структуре это обычный асинхронный
последовательный протокол, то есть передающая
сторона по очереди выдает в линию 0 и 1, а
принимающая отслеживает их и запоминает.
Данные передаются пакетами по одному байту (8 бит).
Вначале передаётся стартовый бит, противоположной
полярности состоянию незанятой (idle) линии, после
чего передаётся непосредственно кадр полезной
информации, от 5 до 8-ми бит.
Увидев стартовый бит, приемник выжидает интервал T1
и считывает первый бит, потом через интервалы T2
считывает остальные информационные биты.
Последний бит — стоповый бит (состояние незанятой
линии), говорящий о том, что передача завершена.
Возможно 1, 1.5, 2 стоповых бита.
В конце байта, перед стоп битом, может передаваться
бит четности (parity bit) для контроля качества
передачи.
Он позволяет выявить ошибку в нечетное число бит
(используется, так как наиболее вероятна ошибка в 1
бит).
На практике, в зависимости от качества применяемого
кабеля, требуемое расстояние передачи данных в 15
метров может не достигаться, составляя, к примеру,
порядка 1,5 м на скорости 115200 бод для
неэкранированного плоского или круглого кабеля.
Стандарт RS-232C описывает 25 линий, хотя на
практике используется значительно меньшее
количество (по крайней мере при работе с модемом): 2
линии для передачи битов данных (TXD и RXD: от
адаптера и к адаптеру), 5 линий для определения
готовности (DSR, CTS, DCD, DTR и RTS: готовность
подключённого устройства и готовность самого
интерфейиса RS-232 передавать данные), индикатор
вызова (RI) и логический нуль (GND).
На самом деле для организации передачи данных через
RS-232 было бы достаточно всего трёх линий: TXD,
RXD и GND, но тогда бы нам пришлось передавать
данные "в слепую", не дожидаясь подтверждения, да и
не зная вообще, слышит ли нас приёмник.
Электрический принцип работы RS-232 отличается от
стандартной 5-вольтовой TTL логики.
В этом протоколе логический нуль лежит от +3 до +12
вольт, а единица от -3 до -12, соответственно
. Промежуток от -3 до +3 вольт считается зоной
неопределенности.
В режиме простоя, когда по линии ничего не
передается, она находится в состоянии логической
единицы, или -12 вольт
Стандарт RS-485 Recommended Standard 485
Интерфейс RS-485 (EIA/TIA-485 - Electronic Industries
Alliance) - один из наиболее распространенных стандартов
физического уровня связи.
Физический уровень - это канал связи и способ передачи
сигнала (1 уровень модели взаимосвязи OSI).
Сеть, построенная на интерфейсе RS-485, представляет
собой приемопередатчики, соединенные при помощи
витой пары - двух скрученных проводов.
В основе интерфейса RS-485 лежит принцип
дифференциальной (балансной) передачи данных.
Аппаратная реализация интерфейса - микросхемы
приемопередатчиков с дифференциальными
входами/выходами (к линии) и цифровыми портами
(к портам UART контроллера).
Существуют два варианта такого интерфейса: RS-422 и RS485. RS-422 - полнодуплексный интерфейс. Прием и
передача идут по двум отдельным парам проводов. На
каждой паре проводов может быть только по одному
передатчику.
RS-485 - полудуплексный интерфейс. Прием и передача
идут по одной паре проводов с разделением по времени. В
сети может быть много передатчиков, так как они могут
отключаются в режиме приема.
D (driver) - передатчик; R (receiver) - приемник;
DI (driver input) - цифровой вход передатчика;
RO (receiver output) - цифровой выход приемника;
DE (driver enable) - разрешение работы передатчика;
RE (receiver enable) - разрешение работы приемника;
Цифровой выход приемника (RO) подключается к порту
приемника UART (RX).
Цифровой вход передатчика (DI) к порту передатчика
UART (TX).
Поскольку на дифференциальной стороне приемник и
передатчик соединены, то во время приема нужно
отключать передатчик, а во время передачи - приемник.
Для этого служат управляющие входы - разрешение
приемника (RE) и разрешения передатчика (DE).
Так как вход RE инверсный, то его можно соединить с DE
и переключать приемник и передатчик одним сигналом с
любого порта контроллера. При уровне "0" - работа на
прием, при "1" - на передачу.
Приемник, получая на дифференциальных входах (AB)
разность потенциалов (UAB) переводит их в цифровой
сигнал на выходе RO.
Чувствительность приемника может быть разной, но
гарантированный пороговый диапазон распознавания
сигнала производители микросхем приемопередатчиков
пишут в документации.
Обычно эти пороги составляют ± 200 мВ. То есть, когда
UAB > +200 мВ - приемник определяет "1", когда UAB < 200 мВ - приемник определяет "0".
Если разность потенциалов в линии настолько мала, что не
выходит за пороговые значения - правильное
распознавание сигнала не гарантируется.
Кроме того, в линии могут быть и не синфазные помехи,
которые исказят столь слабый сигнал.
Все устройства подключаются к одной витой паре
одинаково: прямые выходы (A) к одному проводу,
инверсные (B) - к другому.
Входное сопротивление приемника со стороны линии
(RAB) обычно составляет 12 КОм.
Так как мощность передатчика не беспредельна, это
создает ограничение на количество приемников,
подключенных к линии.
Согласно спецификации RS-485 c учетом согласующих
резисторов передатчик может вести до 32 приемников.
Однако есть ряд микросхем с повышенным входным
сопротивлением, что позволяет подключить к линии
значительно больше 32 устройств.
Максимальная скорость связи по спецификации RS-485
может достигать 10 Мбод/сек.
Максимальное расстояние - 1200 м.
Если необходимо организовать связь на расстоянии
большем 1200 м или подключить больше устройств, чем
допускает нагрузочная способность передатчика применяют специальные повторители (репитеры).
Протокол поддерживает многоточечные соединения,
обеспечивая создание сетей с количеством узлов до 32 и
передачу на расстояние до 1200 м.
Использование повторителей RS-485 позволяет увеличить
расстояние передачи еще на 1200 м или добавить еще 32
узла.
Краткая характеристика стандарта RS 485
Определение
Величина
Тип передачи
Диффер.
Максимальная длина кабеля, м
1200
Минимальное выходное напряжение
передатчика, В
± 1.5
Нагрузочное сопротивление передатчика, Ом
Входное сопротивление приемника, кОм
54
минимум 12
Чувствительность по входам приемника, мВ
± 200
Диапазон входных напряжений приемника, В
от –7 до +12
К-во приемников и передатчиков на линии
32/32
Достоинства стандарта RS-485:
1.
Хорошая помехоустойчивость.
2.
Большая дальность связи.
3.
Однополярное питание +5 В.
4.
Простая реализация драйверов.
5.
Возможность широковещательной передачи.
6.
Многоточечность соединения.
Преимущества сигнала RS-485 перед сигналом RS-232
1.
Используется однополярный источник питания +5В,
который используется для питания большинства
электронных приборов и микросхем. Это упрощает
конструкцию и облегчает согласование устройств.
2.
Мощность сигнала передатчика RS-485 в 10 раз
превосходит мощность сигнала передатчика RS-232.
Это позволяет подключать к одному передатчику RS485 до 32 приёмников и таким образом вести
широковещательную передачу данных.
3.
Использование симметричных сигналов, у которой
имеется гальваническая развязка с нулевым
потенциалом питающей сети.
В результате исключено попадание помехи по нулевому
проводу питания (как в RS-232).
Учитывая возможность работы передатчика на
низкоомную нагрузку, становится возможным
использовать эффект подавления синфазных помех с
помощью свойств "витой пары". Это существенно
увеличивает дальность связи.
Кроме этого появляется возможность "горячего"
подключения прибора к линии связи (хотя это не
предусмотрено стандартом RS-485).
В RS-232 "горячее" подключение прибора обычно
приводит к выходу из строя СОМ порта компьютера.
Форма сигнала RS-485 полностью повторяет форму
сигнала RS-232, за исключением инверсии
(в RS-232 единица передается напряжением -12 В,
а в RS-485 +5 В).
Недостатки RS485
1.
Большое потребление энергии.
2.
Отсутствие сервисных сигналов.
3.
Возможность возникновения коллизий.
Организация протокола связи
По природе интерфейса RS-485 устройства не могут
передавать одновременно - будет конфликт передатчиков.
Чтобы коллизии не возникали в каналах обмена данными
необходимо использовать более высокие протоколы (OSI).
Такие как MODBUS, DCON, DH485 и др.
Основные принципы реализации протоколов верхнего
уровня (типа MODBUS)
Обычно протокол верхнего уровня включает в себя
пакетную, кадровую или фреймовую организацию обмена.
То есть, информация передаётся логически завершенными
частями.
Каждый кадр обязательно маркируется, т.е. обозначается
его начало и конец специальными символами.
Каждый кадр содержит адрес прибора, команду, данные,
контрольную сумму, которые необходимы для
организации многоточечного обмена.
Чтобы избежать коллизий обычно применяют схему
"ведущий"(master)-"ведомый"(slave).
"Ведущий" имеет право самостоятельно переключать свой
драйвер RS-485 в режим передачи, остальные драйверы
RS-485 работают в режиме приёма и называются
"ведомыми".
Чтобы "ведомый" начал предавать данные в линию связи
"ведущий" посылает ему специальную команду, которая
дает прибору с указанным адресом право переключить
свой драйвер в режим передачи на определенное время.
После передачи разрешающей команды "ведомому",
"ведущий" отключает свой передатчик и ждет ответа
"ведомого" в течение промежутка времени, который
называется "таймаут".
Если в течении таймаута ответ от "ведомого" не получен,
то "ведущий" снова занимает линию связи.
В роли "ведущего" обычно выступает программа,
установленная на компьютер.
Существуют и более сложная организация пакетных
протоколов, которая позволяет циклически предавать роль
"ведущего" от прибора к прибору.
Обычно такие приборы называют "лидерами", либо
говорят что приборы передают "маркер". Владение
"маркером" делает прибор "ведущим", но он должен будет
обязательно передать его другому прибору сети по
определённому алгоритму.
На скорости 9600 бод передача одного символа занимает
больше миллисекунды.
Поэтому, когда контроллер плотно загружен
вычислениями и не должен их останавливать на время
обмена по UART, нужно использовать прерывания по
завершению приема и передачи символа.
Можно выделить место в памяти для формирования
посылки на передачу и сохранения принятой посылки
(буфер посылки), а также указатели на позицию текущего
символа.
Прерывания по завершению приема или передачи символа
вызывают соответствующие подпрограммы, которые
передают или сохраняют очередной символ со сдвигом
указателя и проверкой признака конца сообщения, после
чего возвращают управление основной программе до
следующего прерывания.
По завершению отправки или приема всей посылки либо
формируется пользовательский флаг, отрабатываемый в
основном цикле программы, либо сразу вызывается
подпрограмма обработки сообщения.
В общем случае посылка по последовательному каналу
состоит из управляющих байтов (синхронизация посылки,
адресов отправителя и получателя, контрольной суммы и
пр.) и собственно байтов данных.
Основная задача в организации протокола - заставить все
устройства различать управляющие байты и байты данных.
К примеру, ведомое устройство, получая по линии поток
байтов, должно понимать, где начало посылки, где конец и
кому она адресована.
1). Часто встречаются протоколы на основе ASCII-кода.
ASCII представляет собой 7-битную кодировку для
представления десятичных цифр, алфавитов, знаков
препинания и управляющих символов. В компьютерах
обычно используют 8-битные расширения ASCII
.0
.1
.A
.B
.C
.D
.E
.F
0. NUL SOH STX ETX EOT ENQ ACK BEL BS TAB LF
VT
FF
CR
SO
SI
1. DLE DC1 DC2 DC3 DC4 NAK SYN ETB CAN EM SUB ESC FS
GS
RS
US
2.
!
.2
.3
.4
.5
.6
.7
.8
.9
"
#
$
%
&
'
(
)
*
+
,
—
.
/
3. 0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
:
;
<
=
>
?
4. @
A
B
C
D
E
F
G
H
I
J
K
L
M
N
O
5. P
Q
R
S
T
U
V
W
X
Y
Z
[
\
]
^
_
6. `
a
b
c
d
e
f
g
h
i
j
k
l
m
n
o
7. p
q
r
s
t
u
v
w
x
y
z
{
|
}
~
DEL
Управляющие символы и данные передаются в виде
обыкновенных ASCII символов. Посылка может выглядеть
так:
В HEX виде: 3Ah 31h 32h 52h 53h 34h 38h 35h 0Dh
В ASCII виде: ":" "1" "2" "R" "S" "4" "8" "5" /ПС/
В начале управляющий символ начала посылки ":",
следующие две цифры - адрес получателя (12), затем
символы данных (RS485) и в конце - управляющий символ
конца посылки 0Dh (перевод строки).
Все устройства на линии, приняв символ ":", начинают
записывать в память посылку до символа конца строки
0Dh.
Затем сравнивают адрес из посылки со своим адресом.
Устройство с совпавшим адресом обрабатывает данные
посылки, остальные - игнорируют посылку.
Данные могут содержать любые символы, кроме
управляющих (":", 0Dh).
Достоинство этого протокола в удобстве отладки системы
и простоте синхронизации посылок.
Можно через преобразователь RS485-RS232 подключить
линию к COM-порту компьютера и в терминале увидеть
всю проходящую информацию.
Недостатки - относительно большой размер посылки при
передаче большого количества двоичной информации, ведь
на передачу каждого байта нужно два ASCII символа (7Fh "7", "F").
Кроме того, надо преобразовывать данные из двоичного
вида в ASCII и обратно.
2). Протокол с непосредственной передачей двоичных
данных.
При этом управляющие символы и байты данных
различаются с помощью настройки дополнительного
девятого бита в UART. Для управляющих символов этот
бит устанавливается в "1".
Первым в посылке передается управляющий символ с
единичным девятым битом - остальные его "нормальные"
биты могут содержать адрес устройства-получателя,
признак начала/конца посылки и что-нибудь еще.
Затем передаются байты данных с нулевым девятым
битом.
Все принимающие устройства узнают по девятому биту
управляющий символ и по содержанию его остальных
битов определяют, кому адресованы последующие данные.
Адресуемое устройство принимает данные, а все
остальные игнорируют их до следующего управляющего
символа.
3) Modbus - протокол прикладного уровня сетевой модели
Контроллеры на шине Modbus взаимодействуют,
используя клиент-серверную модель, основанную на
транзакциях, состоящих из запроса и ответа.
Обычно в сети есть только один клиент и несколько
серверов.
Спецификация Modbus описывает структуру запросов и
ответов.
Их основа — элементарный пакет протокола, так
называемый PDU (Protocol Data Unit).
Структура PDU не зависит от типа линии связи и включает
в себя код функции и поле данных.
Код функции кодируется однобайтовым полем и может
принимать значения в диапазоне 1…127.
Диапазон значений 128…255 зарезервирован для кодов
ошибок.
Поле данных может быть переменной длины.
Размер пакета PDU ограничен 253 байтами.
Modbus PDU
номер функции
данные
1 байт
N < 253 (байт)
Для передачи пакета по линиям связи PDU помещается в
другой пакет, содержащий дополнительные поля.
Этот пакет носит название ADU (Application Data Unit).
Формат ADU зависит от типа линии связи.
Существуют три основных реализации протокола Modbus,
две для передачи данных по последовательным линиям
связи, как медным EIA/TIA-232-E (RS-232), EIA-422,
EIA/TIA-485-A (RS-485), так и оптическим и радио:
Modbus RTU
Modbus ASCII
и для передачи данных по сетям Ethernet поверх TCP/IP:
Modbus TCP.
Общая структура ADU
адрес ведомого
код
устройства
функции
данные
блок обнаружения
ошибок
адрес ведомого устройства — адрес подчинённого
устройства, к которому адресован запрос.
Ведомые устройства отвечают только на запросы,
поступившие в их адрес.
Ответ также начинается с адреса отвечающего ведомого
устройства, который может изменяться от 1 до 247.
Адрес 0 используется для широковещательной передачи,
его распознаёт каждое устройство, адреса в диапазоне
248...255 - зарезервированы;
номер функции — это следующее однобайтное поле
кадра.
Оно говорит ведомому устройству, какие данные или
выполнение какого действия требует от него ведущее
устройство;
данные — поле содержит информацию, необходимую
ведомому устройству для выполнения заданной
мастером функции или содержит данные, передаваемые
ведомым устройством в ответ на запрос ведущего.
Длина и формат поля зависит от номера функции;
блок обнаружения ошибок — контрольная сумма для
проверки отсутствия ошибок в кадре.
Максимальный размер ADU для последовательных сетей
RS232/RS485 — 256 байт, для сетей TCP — 260 байт.
Категории кодов функций
Три категории кодов функций:
Стандартные команды
Пользовательские команды
Два диапазона кодов (от 65 до 72 и от 100 до 110), для
которых пользователь может реализовать
произвольную функцию. При этом не гарантируется,
что какое-то другое устройство не будет использовать
тот же самый код для выполнения другой функции.
Зарезервированные
В эту категорию входят коды функций, не являющиеся
стандартными, но уже используемые в устройствах,
производимых различными компаниями. Это коды 9,
10, 13, 14, 41, 42, 90, 91, 125, 126 и 127.
Контроль ошибок в протоколе Modbus RTU
Во время обмена данными могут возникать ошибки двух
типов:
ошибки, связанные с искажениями при передаче
данных;
логические ошибки.
Ошибки первого типа обнаруживаются при помощи
фреймов символов, контроля чётности и циклической
контрольной суммы CRC.
В RTU режиме сообщение должно начинаться и
заканчиваться интервалом тишины — временем передачи
не менее 3.5 символов при данной скорости в сети.
Первым полем затем передаётся адрес устройства.
Вслед за последним передаваемым символом также
следует интервал тишины продолжительностью не менее
3.5 символов.
Новое сообщение может начинаться после этого интервала.
Фрейм сообщения передаётся непрерывно.
Если интервал тишины продолжительностью 1.5 возник во
время передачи фрейма, принимающее устройство должно
игнорировать этот фрейм как неполный.
Таким образом, новое сообщение должно начинаться не
раньше 3.5 интервала, так как в этом случае
устанавливается ошибка.
Логические ошибки
Для сообщений об ошибках второго типа протокол Modbus
RTU предусматривает, что устройства могут отсылать
ответы, свидетельствующие об ошибочной ситуации.
Признаком того, что ответ содержит сообщение об ошибке,
является установленный старший бит кода команды.
1.Если Slave принимает корректный запрос и может его
нормально обработать, то возвращает нормальный ответ.
2. Если Slave не принимает какого-либо значения, никакого
ответа не отправляется. Master диагностирует ошибку по
тайм-ауту.
3. Если Slave принимает запрос, но обнаруживает ошибку
(parity, LRC, or CRC), никакого ответа не отправляется.
Master диагностирует ошибку по тайм-ауту.
4. Если Slave принимает запрос, но не может его
обработать (обращение к несуществующему регистру
и т. д.), отправляется ответ содержащий в себе данные об
ошибке.
Стандарт PROFIBUS
PROcess FIeld BUS
Эта технология получила широкое распространение
преимущественно при организации сетей, где необходимо
организовать связь с fieldbus-устройствами,
гарантирующими быстрый ответ, при низком уровне затрат
и с поддержкой необходимых стандартов.
PROFIBUS — это маркерная fieldbus, в которой все циклы
строго регламентированы сценарием пользователя по
времени и организована четкая система тайм-аутов.
Все это позволяет предотвращать и разрешать
разнообразные коллизии в сети.
Применение в PROFIBUS гибридного метода доступа к
устройствам по структуре Master/Slave, позволяет
построить сеть, содержащую до 122 узлов, из которых 32
могут быть Master-узлами.
В области Master-узлов по возрастающим номерам узлов
передается маркер, который предоставляет право ведения
циклов I/O на шине.
На производстве при построении многоуровневых систем
автоматизации, как правило, сталкиваются с проблемой
организации информационного обмена между уровнями.
И в зависимости от сферы производства, области
применения fieldbus, возникает необходимость в
реализации различных функций и свойств промышленной
сети.
В одном случае необходим обмен сложными объемными
сообщениями на средних скоростях, во втором — быстрый
обмен короткими сообщениями, или требуется работа в
потенциально опасных участках производства. Что, в
общем случае, требует применения различных технологий
и протоколов.
PROFIBUS есть совокупность трех отдельных протоколов:
PROFIBUS-FMS - Fieldbus Message Specification
PROFIBUS-DP - Decentralized Peripheral
PROFIBUS-PA - Process Automation
PROFIBUS использует 1, 2 и 7 уровни модели OSI.
Все три составляющие комплексного протокола
используют общий канальный уровень (второй уровень
OSI-модели).
Протокол PROFIBUS-FMS появился первым и был
предназначен для выполнения задач, где необходима
высокая степень функциональности и передача больших
объемов информации, и эти условия важнее критерия
скорости.
FMS-протокол допускает гибридную архитектуру
взаимодействия устройств, подразумевающую
использование виртуальных устройств сети, объектной
организации и управления устройств, логической
адресации и т. д.
Протокол PROFIBUS-DP был спроектирован для
организации быстрого канала связи с уровнем датчиков.
Принципом работы этого протокола является модель
циклического опроса каналов.
DP-протокол позволяет организовать конфигурацию monomaster (одно устройство Class 1 Master и до 126 DP-Slave) и
конфигурацию, в которой присутствует несколько Class 1
Master и DP-Slave.
Протокол PROFIBUS-PA — является расширением DPпротокола в части технологии передачи, основанной не на
RS485, а на реализации стандарта IEC1158-2 для
организации передачи в опасных средах.
Физической основой технологии PROFIBUS может быть
как RS485, так и оптоволоконный кабель, на которых
одновременно могут работать устройства PROFIBUS всех
трех типов.
Однако PA-устройства необходимо подключать через
специальные повторители. Рабочая скорость передачи
может находиться в диапазоне 9,6–12000 Кбит/с.
Стандарт MIL-STD-1553
Стандарт последовательной шины MIL-STD-1553
(обозначение военного стандарта США) – это
фактически первый в мире стандарт на протокол
локальной вычислительной сети. MIL-STD-1553B
сегодня – это практически общемировой стандарт,
признанный и поддерживаемый производителями
аппаратуры и элементной базы многих стран.
Одно из типичных применений сетей MIL-STD-1553 –
связь датчиков с ("черным ящиком").
В нашей стране он был утвержден как ГОСТ Р 520702003 (ГОСТ 26765.5287).
Топология сети, предусмотренная стандартом MILSTD-1553, – это последовательная шина данных
(экранированная витая пара), к которой посредством
шлейфов подключены устройства.
Допустимые устройства – контроллер шины, монитор
шины и удаленные терминалы.
Вся работа в сети проходит исключительно под
управлением контроллера шины.
Он, и только он, инициирует любой обмен информацией в сети.
Контроллер может обращаться к любому из 31
удаленного терминала, каждому из которых присвоен
уникальный адрес (5 бит).
У контроллера адреса может не быть.
Монитор шины – устройство, также подключенное к
шине данных.
Но он ведет себя абсолютно пассивно и занимается
только отслеживанием и записью передаваемой по
шине информации. Монитор сети зачастую совмещают
с удаленным терминалом.
Информационный поток кодируется посредством так
называемого бифазного кода Манчестер-2, самого
простого самосинхронизирующегося линейного кода.
Логическая "1" кодируется импульсом длительностью Т
с перепадом от положительного (U) до отрицательного
(-U) напряжения;
логический "0" – таким же импульсом, но с перепадом
от -U до U (рис.5.7).
В результате с заданной частотой, равной 1/Т,
напряжение в линии оказывается равным нулю, что и
определяет самосинхронизирующие свойства кода.
Значение же информационного бита определяется
исключительно направлением перехода сигнала через
ноль (от плюса к минусу или наоборот) и не зависит от
амплитуды сигналов, что существенно снижает
требования к линии передачи.
Длина шины данных стандартом не нормирована и
может достигать сотен метров.
MIL-STD-1553 определяет частоту следования
импульсов порядка 1 МГц, соответственно, скорость
обмена – 1 Мбит/с.
Реальная скорость обмена, с учетом накладных
расходов на синхронизацию и служебные данные,
существенно ниже.
Весь информационный обмен в сети происходит
посредством слов длиной 20 битовых интервалов. Из
них первые три битовых интервала предназначены для
синхропоследовательности, последний – для бита
контроля четности.
Синхропоследовательность (SYNC) представляет собой
импульс длительностью в три битовых интервала с
переходом через ноль в середине второго интервала.
Направление перехода через ноль определяет тип слова:
отрицательный перепад (от U к -U) предшествует
командному слову или слову статуса, положительный –
слову данных.
Инициатором любой активности выступает только
контроллер шины.
Он выдает в сеть командные слова (команды),
посредством которых принуждает удаленные
терминалы к определенным действиям, включая прием
и передачу данных. Командное слово после
синхропоследовательности содержит пять бит
адреса удаленного терминала, которому предназначена
команда.
Адрес 11111 зарезервирован для широковещательной
команды.
За адресом размещен бит T/R, предписывающий
удаленному терминалу направление предстоящего
обмена – прием или передачу данных (если он равен 1,
удаленный терминал должен передавать данные).
Далее следуют пять бит поля субадреса или признака
так называемого кода режима (Mode Code).
В последнем случае значения этих полей – 11111 или
00000.
Иные коды означают субадрес – обращение к
определенным функциям или устройствам
подключенной через удаленный терминал системы
Последние пять информационных бит командного
слова – это счетчик слов/код режима (в зависимости от
того, установлен в предыдущем поле признак кода
режима или нет).
Данные в сети передаются посредством слов данных, в
которых для этого отведено 16 бит. Начало передачи
слов данных возможно только после командного слова.
Слова статуса – это короткие сообщения, с помощью
которых удаленные терминалы информируют
контроллер шин об ошибках приема, о своем состоянии
и исправности подключенного к ним оборудования,
подтверждают прием команды и данных и т.п.
Наборы слов (команд данных и статуса) формируют
сообщения.
В терминологии MIL-STD-1553 сообщения – это
устойчивые формы информационного обмена.
Всего предусмотрено 10 типов сообщений.
Наименование команд
Обозначение
Код
Принять управление каналом
ПУК
00000
Передать ответное слово
ПОС
00001
Провести самоконтроль
ПС
00010
Блокировать передатчик
БП
00011
Разблокировать передатчик
РП
00100
Установить исходное состояние
УИС
00101
Резерв
00110...11111
Декодирование и анализ сигналов шин I2C, SPI, RS232C, RS-422, RS-485 и UART с использованием
осциллографов LeCroy
А.A. Дедюхин, ЗАО «Прист»
Часть 1: I2C
Шина межмикросхемного управления Inter-Integrated Circuit (или имеющая альтернативные обозначения
IIC, I2C или будем дальше упрощенно ее именовать I2C) была разработана в начале 80-х годов компанией
Philips для межмикросхемного управления в блоках телевизоров с целью наращивания возможностей
телевизионных приемников с одновременным сокращением числа печатных проводников на платах,
соединяющих между собой все растущее число ИМС. Задачей появления шины I2C являлось перейти от
параллельной передачи данных, неизбежно имеющей число проводников равное разрядности шины, что
значительно затрудняло разводку печатных плат и создавало массу других проблем, к последовательной
передаче данных по трем проводам. Интерес у разработчиков и конструкторов различного рода
радиоэлектронных устройств к шине I2C не ослабевал все эти годы, но отмена с 1 октября 2006 года
компанией Philips отчислений за использование протокола I2C вызвало оживление интереса и дало новый
толчок к все более широкому использованию шины I2C в различного рода электронных устройствах, не
связанных с телевизионным приемом. В настоящее время шина I2C широко используется в микросхемах
памяти, видеопроцессорах, модулей обработки аудио- и видео-сигналов, АЦП и ЦАП, драйверах ЖКиндикаторов, телефонах, кодеках и многих других устройствах. «Второе» и тем более такое бурное
рождение» шины I2C не могло не остаться незамеченным производителями средств визуальной
диагностики – производителями цифровых осциллографов. Долгие годы инженеры и разработчики, при
разработке и отладке устройств использующих протокол I2C, применяли программно-аппаратные средства,
если и позволяющие производить декодирование протокола I2C, то абсолютно не приспособленные для
анализа этих сигналов на физическом уровне, то есть с визуальным просмотром процессов происходящих
на шине, с одновременным декодированием протокола. Эти проблемы полностью решает современный
цифровой осциллограф, имеющий возможность декодирования протоколов I2C. К числу таких
осциллографов можно отнести осциллографы LeCroy серии WaveSurfer Xs, WaveRunner, WavePro и
WaveMaster.
Для того, что бы разобраться в особенностях декодирования и анализа шины I2C кратко обратимся к
структуре шины I2C.
В стандартном режиме шина I2C обеспечивает передачу последовательных 8-битных данных со
скоростью до 100 кбит/с, до 400 кбит/с в скоростном режиме или со скоростью 3,4 Мбит/с в
высокоскоростном режим работы. Для осуществления процесса обмена информацией по I2C шине,
используется всего два сигнала линия данных SDA линия синхронизации SCL. Для обеспечения реализации
двунаправленности шины без применения сложных арбитров шины выходные каскады устройств,
подключенных к шине, имеют открытый сток или открытый коллектор для обеспечения функции монтажного
"И". Максимальное допустимое количество микросхем, подсоединённых к одной шине, ограничивается
максимальной емкостью шины 400 пФ. На рисунке представлен принцип подключения нескольких ИМС к
одной шине обмена.
Рисунок 1
Каждое устройство на шине I2C распознается по уникальному адресу и может работать как передатчик
или приёмник, в зависимости от назначения устройства.
Кроме того, устройства могут быть классифицированы как ведущие и ведомые при передаче данных.
Ведущий - это устройство, которое инициирует передачу данных и вырабатывает сигналы синхронизации.
При этом любое адресуемое устройство считается ведомым по отношению к ведущему.
Процедура синхронизации двух устройств. Эта процедура основана на том, что все I2C-устройства
подключаются к шине по правилу монтажного «И». В исходном состоянии оба сигнала SDA и SCL находятся
в высоком состоянии.
Состояние СТАРТ и СТОП. Процедура обмена начинается с того, что ведущий формирует состояние
СТАРТ - ведущий генерирует переход сигнала линии SDA из ВЫСОКОГО состояния в НИЗКОЕ при
ВЫСОКОМ уровне на линии SCL. Этот переход воспринимается всеми устройствами, подключенными к
шине как признак начала процедуры обмена.
Рисунок 2
Генерация синхросигнала - это всегда обязанность ведущего; каждый ведущий генерирует свой
собственный сигнал синхронизации при пересылке данных по шине.
Процедура обмена завершается тем, что ведущий формирует состояние СТОП - переход состояния
линии SDA из низкого состояния в ВЫСОКОЕ при ВЫСОКОМ состоянии линии SCL.
Состояния СТАРТ и СТОП всегда вырабатываются ведущим. Считается, что шина занята после
фиксации состояния СТАРТ. Шина считается освободившейся через некоторое время после фиксации
состояния СТОП.
Рисунок 3
При передаче посылок по шине I2C каждый ведущий генерирует свой синхросигнал на линии SCL.
После формирования состояния СТАРТ, ведущий опускает состояние линии SCL в НИЗКОЕ состояние и
выставляет на линию SDA старший бит первого байта сообщения. Количество байт в сообщении не
ограничено.
Спецификация шины I2C разрешает изменения на линии SDA только при НИЗКОМ уровне сигнала на
линии SCL.
Данные действительны и должны оставаться стабильными только во время ВЫСОКОГО состояния
синхроимпульса.
Для подтверждения приема байта от ведущего - передатчика ведомым - приемником в спецификации
протокола обмена по шине I2C вводится специальный бит подтверждения, выставляемый на шину SDA
после приема 8 бита данных.
Подтверждение. Таким образом, передача 8 бит данных от передатчика к приемнику завершаются
дополнительным циклом (формированием 9-го тактового импульса линии SCL), при котором приемник
выставляет низкий уровень сигнала на линии SDA, как признак успешного приема байта.
Рисунок 4
Подтверждение при передаче данных обязательно. Соответствующий импульс синхронизации
генерируется ведущим. Передатчик отпускает (ВЫСОКОЕ) линию SDA на время синхроимпульса
подтверждения. Приёмник должен удерживать линию SDA в течение ВЫСОКОГО состояния
синхроимпульса подтверждения в стабильном НИЗКОМ состоянии.
В том случае, когда ведомый-приёмник не может подтвердить свой, линия данных должна быть
оставлена в ВЫСОКОМ состоянии. Это является признаком отсутствия приема байта и оценивается шиной
как «Отсутствие подтверждения». После этого ведущий может выдать сигнал СТОП для прерывания
пересылки данных.
Если в пересылке участвует ведущий-приёмник, то он должен сообщить об окончании передачи
ведомому-передатчику путем не подтверждения последнего байта. Ведомый-передатчик должен
освободить линию данных для того, чтобы позволить ведущему выдать сигнал СТОП или повторить сигнал
СТАРТ.
Адресация в шине I2C. Каждое устройство, подключённое к шине, может быть программно адресовано
по уникальному адресу.
Для выбора приемника сообщения ведущий использует уникальный адресную компоненту в формате
посылки. При использовании однотипных устройств, ИС часто имеют дополнительный селектор адреса,
который может быть реализован как в виде дополнительных цифровых входов селектора адреса, так и в
виде аналогового входа. При этом адреса таких однотипных устройств оказываются разнесены в адресном
пространстве устройств, подключенных к шине.
В обычном режиме используется 7-битная адресация.
Процедура адресации на шине I2C заключается в том, что первый байт после сигнала СТАРТ
определяет, какой ведомый адресуется ведущим для проведения цикла обмена. Исключение составляет
адрес "Общего вызова", который адресует все устройства на шине. Когда используется этот адрес, все
устройства в теории должны послать сигнал подтверждения. Однако, устройства могут обрабатывать
"общий вызов" на практике встречаются редко.
Первые семь битов первого байта образуют адрес ведомого. Восьмой, младший бит, определяет
направление пересылки данных. "Ноль" означает, что ведущий будет записывать информацию в
выбранного ведомого. "Единица" означает, что ведущий будет считывать информацию из ведомого.
После того, как адрес послан, каждое устройство в системе сравнивает первые семь бит после сигнала
СТАРТ со своим адресом. При совпадении устройство полагает себя выбранным как ведомый-приёмник или
как ведомый-передатчик, в зависимости от бита направления.
Все ИМС, поддерживающие работу в стандарте шины I2C, имеют набор фиксированных адресов,
перечень
которых
указан
производителем
в
описаниях
контроллеров.
Комбинация бит 11110ХХ адреса зарезервирована для 10-битной адресации.
В общем виде процесс обмена по шине от момента формирования состояния СТАРТ до состояния СТОП
можно проиллюстрировать следующим рисунком:
Рисунок 5
Ниже приведена английская абвеатура обозначения терминов встречающихся при описании шины I2C и
их русская транскрипция:
SDA (Serial Data) – последовательные данные или просто данные
DATA - данные
SCL (Serial Clock) – сигнал синхронизации
START - Старт
STOP - Стоп
ADDRESS - Адрес
R/W (READ/WRITE) – Ч/З (Чтение/Запись)
ACK (Acknowledge) - Подтверждение
NACK (No Acknowledge) – Нет подтверждения
Беспроводные магистрали WAN (Wireless Area Network)
Существует множество различных спецификаций
стандартов беспроводных сетей семейства 802.1x.
Все они подразделяются на четыре большие категории —
WPAN, WLAN, WMAN, WWAN.
WLAN (Wireless Local Area Network)
Эта категория беспроводной сети предназначена для связи
между собой различных устройств, подобно LAN на
основе витой пары или оптоволокна, и при этом
характеризуется высокой скоростью передачи данных на
относительно небольшие расстояния.
Взаимодействие устройств описывается семейством
стандартов IEEE 802.11, включающим в себя более 20
спецификаций (торговая марка Wi-Fi).
Семейство IEEE 802.11 можно разделить на три класса —
802.11a, 802.11b, 802.11 i/e/.../w.
IEEE 802.11a — один из стандартов беспроводных
локальных сетей, описывающий принципы
функционирования устройств в частотном диапазоне ISM
(полоса частот 5,15–5,825 ГГц).
Радиус действия устройств в закрытых помещениях
составляет около 12 метров на скорости 54 Мб/с, и до 90
метров при скорости 6 Мб/с, в открытых помещениях или в
зоне прямой видимости — около 30 метров
(54
Мб/с), и до 300 метров при 6 Мб/с.
IEEE 802.11b — первый стандарт, получивший широкое
распространение (именно он первоначально носил
торговую марку Wi-Fi) и позволивший создавать
беспроводные локальные сети в офисах, домах, квартирах.
Эта спецификация описывает принципы взаимодействия
устройств в диапазоне 2,4 ГГц (2,4–2,4835 ГГц),
разделенном на три неперекрывающихся канала по
технологии DSSS (Direct-Sequence Spread-Spectrum,
широкополосная модуляция с прямым расширением
спектра).
Согласно этой технологии модуляции, производится
генерирование избыточного набора битов на каждый
переданный бит полезной информации, благодаря этому
осуществляется более высокая вероятность восстановления
переданной информации и лучшая помехозащищенность
(шумы и помехи идентифицируются как сигнал с
неодинаковым набором битов и потому
отфильтровываются).
Стандартом определены четыре обязательные скорости —
1, 2, 5,5 и 11 Мб/с.
Радиус взаимодействия устройств составляет в закрытых
помещениях около 30 метров на скорости 11 Мб/с, и до 90
метров при скорости 1Мб/с, в открытых помещениях или в
зоне прямой видимости — около 120 метров (11 Мб/с), и
до 460 метров при 1 Мб/с.
В условиях постоянно увеличивающихся потоков данных
эта спецификация практически исчерпала себя, и на смену
ей пришел стандарт IEEE 802.11g.
IEEE 802.11g — стандарт беспроводной сети, явившийся
логическим развитием 802.11b, в том смысле, что
использует тот же частотный диапазон и предполагает
обратную совместимость с устройствами, отвечающими
стандарту 802.11b (другими словами, обязательна
совместимость 802.11g-оборудования с более старой
спецификацией 802.11b.
В стандарте предусмотрены шесть обязательных скоростей
— 1, 2, 5,5, 6, 11, 12, 24 Мб/с, и четыре опциональных —
33, 36, 48 и 54 Мб/с.
Радиус зоны действия увеличен в закрытых помещениях до
30 метров (54 Мб/с), и до 91 метра при скорости 1 Мб/с, в
пределах же прямой видимости связь доступна на расстоянии 120 метров со скоростью 54 Мб/с, а при удалении
на 460 метров возможна работа со скоростью 1 Мб/с.
Выделенный в отдельный класс набор спецификаций
802.11 i/e/.../w главным образом предназначен для
описания функционирования различных служебных
компонент и разработки новых технологий и стандартов
беспроводной связи.
К примеру, работы беспроводных мостов, требований к
физическим параметрам каналов (мощность излучения,
диапазоны частот), спецификаций, ориентированных на
различные категории пользователей и т. д.
802.11n.
Согласно сообщению международного консорциума EWC
(Enhanced Wireless Consortium), использование 802.11n —
высокоскоростной стандарт, в котором предусмотрена
обратная совместимость с 802.11a/b/g, а скорость передачи
данных будет достигать
600 Мб/с.
Это позволит использовать его в задачах, где
использование Wi-Fi ограничивалось недостаточной
скоростью.
Архитектура систем управления
Выбор адекватной решаемым задачам архитектуры
системы автоматизации является актуальной проблемой.
Ошибочные решения, принятые на этом этапе
проектирования систем автоматизации, могут стать
причиной провала всего проекта. Актуальность этой
проблемы существенно возрастает, когда речь идет об
автоматизации крупных промышленных объектов.
Конфигурация системы
-
Пять основных технологических уровней:
- уровень предприятия (например, ускоритель или
электростанция);
- уровень технологического объекта (криогенный
комплекс или энергоблоки);
- уровень технологических подсистем (ожижитель,
котел, турбина и т.д.);
уровень технологических функциональных узлов
(турботетандер, насосы и т.д.);
- уровень технологического оборудования внутри
функционального узла (задвижки, механизмы,
датчики и т.д.)
Уровень функциональных узлов наиболее адекватен
уровню контроллеров в системе управления.
Разбиение объекта на функциональные узлы основано на
выделении отдельной технологической задачи.
Следствием этого является то, что каждый
функциональный узел достаточно автономен.
Интенсивность его взаимодействия с остальной системой
или другими узлами на порядки ниже, чем внутри его.
Структура микропроцессорной системы управления,
образованная связанными сетью автономными
контроллерами, каждый из которых обслуживает свой
функциональный узел, будет наиболее адекватной
функционально-технологической структуре объекта и
иметь минимальную интенсивность взаимосвязей между
образующими ее элементами
Основные принципы, из которых целесообразно
исходить при проектировании архитектуры системы:
-
-
-
никакой единичный отказ в системе не должен
приводить к потере ее функциональности;
никакой единичный отказ не должен приводить к
потере объема техпроцессов, при котором
невозможно функционирование объекта,
система должна состоять из минимального числа
образующих ее элементов;
элементы и решения должны быть ортогональны, т.е.
необходимый набор функций должен обеспечиваться
минимальным набором базовых элементов;
автономность иерархических уровней в системе;
-
-
минимальные размеры и простота прикладных
программ;
увеличение размеров программ ведет к
экспоненциальному росту числа ошибок и сложности
проверки правильности ее функционирования;
быстрое восстановление функций
.
Архитектурой системы управления, адекватной
сложному объекту автоматизации, оказывается архитектура, в которой на локальный контроллер возлагается
максимум задач, определяемых составом технологического
оборудования и технологическим процессом.
Это, в частности, означает, что в одном контроллере
целесообразно совмещать функции измерения и
управления процессом.
Для такого проектирования системы требуется очень
хорошо прописанное техническое задание.
К сожалению, по крайней мере, в экспериментальных
установках заказчик не всегда видит конечную
конфигурацию объекта.
В этой ситуации разработчику СУ приходится подбирать
микропроцессорные средства «на вырост».
Тогда станут ясны алгоритмы управления, и
дистанционное управление с клавиатуры можно будет
заменить на автоматическое, если мощность и интерфейс
контроллера был разработан с запасом.
Операционные системы управляющей ЭВМ
Выбор операционной системы.
Это либо ОС общего назначения, особенно
многопользовательские, такие как UNIX, Windows, либо
ОС реального времени (ОСРВ).
ОС общего назначения ориентированы на оптимальное
распределение ресурсов компьютера между
пользователями и задачами (системы разделения времени).
В ОСРВ главная задача - успеть среагировать на события,
происходящие на объекте, она ориентирована на обработку
внешних событий.
Пример - работа компьютерной сети.
Обеспечение предсказуемости или детерминированности
поведения системы в наихудших внешних условиях.
Хорошая ОСРВ имеет предсказуемое поведение при всех
сценариях системной загрузки (одновременные
прерывания и выполнение потоков).
Применение ОСРВ всегда конкретно.
Если ОС общего назначения обычно воспринимается
пользователями как уже готовый набор приложений, то
ОСРВ служит только инструментом для создания
конкретного аппаратно-программного комплекса
реального времени.
Пользователи ОСРВ - разработчики комплексов реального
времени, люди, проектирующие системы управления и
сбора данных.
Проектируя и разрабатывая конкретную систему реального
времени, программист всегда знает точно, какие события
могут произойти на объекте, знает критические сроки
обслуживания каждого из этих событий.
Системы мягкого и жесткого реального времени.
В системах жесткого реального времени (системы с
детерминированным временем) неспособность обеспечить
реакцию на какие-либо события в заданное время ведет к
отказам и невозможности выполнения поставленной
задачи. временем.
При практическом применении время реакции должно
быть минимальным.
Системами мягкого реального времени называются
системы, не попадающие под определение "жесткие".
Системы мягкого реального времени могут не успевать
решать задачу, но это не приводит к отказу системы в
целом.
В системах реального времени необходимо введение
некоторого директивного срока (deadline), до истечения
которого задача должна обязательно (для систем мягкого
реального времени – желательно) выполниться.
•ОС должна поддерживать предсказуемые механизмы
синхронизации,
• ОС должна обеспечивать механизм наследования
приоритетов,
• поведение ОС должно быть известным и предсказуемым
(задержки обработки прерываний, задержки переключения
задач, задержки драйверов и т.д.); это значит, что во всех
сценариях рабочей нагрузки системы должно быть
определено максимальное время отклика.
• ОС должна быть многозадачной и допускающей
вытеснение (preemptable), VxWorks, OS9, pSOS,
LynxOS, QNX, VRTX.
• ОС должна обладать понятием приоритета для потоков,
• Пакеты инструментальных средств компании Microsoft
состоят, как правило, из компонентов с недоступными
исходными текстами и отличаются огромным числом
всевозможных параметров, предназначенных для
настройки кодов исполняемых модулей операционных
систем. Программные средства с открытыми исходными
кодами
ОС Linux
Прикладное программное обеспечение системы
Наиболее сложная и дорогая часть комплекса СУ
Оценки 1970х 2000х годов
Обычно
системный
интегратор
или
конечный
пользователь, приступая к разработке прикладного
программного обеспечения (ППО) для создания системы
управления, выбирает один из следующих путей:
- программирование с использованием "традиционных"
средств (традиционные языки программирования,
стандартные средства отладки и пр.);
- использование существующих, готовых (COTS Commercial Off The Shelf) инструментальных проблемноориентированных средств.
SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition).
Открытые системы управления
Причиной возникновения открытых технологий невозможность любого поставщика в полной мере
удовлетворить все требования всех потребителей в рамках
семейства приборов.
КАМАК
Открытость разнообразных программных и технических
средств разных фирм (совместимость продуктов
независимых поставщиков) достигается путем
унификации их интерфейсов.
Открытость интерфейсов для разработчиков АСУТП
позволяет им применять готовые разработки и готовые
программные и технические средства сторонних фирм как
части своих разрабатываемых систем без участия
разработчика
Тенденции развития систем управления
Время жизни
Наступление эры нанодатчиков на широчайшем поле
деятельности.
Имеется множество разработок на базе оптоволоконной
технологии, однако, готовых изделий на рынке очень мало.
Сами датчики, несомненно, будут интеллектуальными,
экономичными, возможно, не требующими источника
питания.
ПАС сегодня ориентированы на компьютерную
организацию вычислительного процесса и еще не
удовлетворяют требованиям, предъявляемым к
контроллерам по обеспечению надежности процесса
управления, его непрерывности при различных коллизиях
(зависании, просечке питания и т.п.).
Отсутствие необходимых объемов оперативной
энергонезависимой памяти, слишком долгом времени
рестарта, связанном с загрузкой ПО с диска (секунды и
даже десятки секунд), в течение которого объект остается
без управления, что недопустимо, в отсутствии
поддержки резервирования отдельных компонент или
контроллеров в целом, т. е. при высокой надежности
аппаратуры и ПО надежность процесса управления
недостаточна.
Это имеет место на фоне все увеличивающейся нагрузки
котроллера и доли его работы в общей системе.
Можно ожидать устранения этого недостатка.
В области полевых магистралей - расширение сферы
беспроволочных технологий.
В области системотехники - жесткие большие системы с
централизованными хранилищами информации должны
быть дезинтегрированы.
Они должны стать условно закрытыми, а человек как
обладатель знаний выведен за их границы, но в рамках
новых технических информационных сред.
В области прикладного ПО - энергичное развитие
адаптивных систем управления.
До недавнего времени естественный путь развития
компьютерных систем был связан с поддержкой
технологий, повышающих плотность хранения данных, а
также с возможностями резервирования сетевой полосы
пропускания индивидуально для каждого пользователя.
В последние два десятилетия емкость дисков ежегодно
увеличивалась примерно в два раза, вычислительная
производительность — в 1,6 раза (закон Мура), а
эффективность персональных сетевых возможностей — в
1,3 раза.
Развитию приложений и одновременно росту сложности их
администрирования в немалой степени способствовали
преимущества, которые дает применение Internet.
Адаптивный подход призван решить некоторые из
проблем, связанных с ростом сложности.
Принципы системного проектирования, которые позволят
преодолеть существующие ограничения - способность
систем к самоконтролю, самовосстановлению,
самоконфигурированию и самооптимизации.
Кроме того, система должна иметь представление о своем
окружении, защищаться от атак, взаимодействовать на
основе открытых стандартов и предвидеть действия
пользователей.
Данные принципы могут применяться и к отдельным
компонентам, и к системам в целом. Ориентация на
системы, в которых человек выполняет
наблюдательную, а не управляющую функцию, или на
полностью автоматические системы — общая цель новых
технологий. Пользователь не вмешивается в управление
системой до тех пор, пока не потребуется его участие в
принятии критически важных решений.
Система центрального отопления в современном доме.
Подобные системы, как правило, имеют простую
программу, определяющую температуру для утра, дня,
вечера и ночи.
Обычно система действует автономно и незаметно, однако
пользователи могут быстро и в любой момент изменить эти
настройки, если им станет жарко или холодно, либо в
приближении энергетического кризиса.
Если систему оснастить сетью датчиков и занести в нее
информацию о «расписании дня» семьи, температурный
режим и уровень энергопотребления можно заранее
оптимизировать с учетом микроклимата в доме, позднего
окончания буднего дня, семейного отпуска.
Но обобщить этот пример на более сложные системы
довольно трудно: большинство ситуаций не сводится лишь
к выбору между «слишком жарко» и «слишком холодно».
Другой пример связан с разработкой адаптивной системы
управления для протезов верхних конечностей на основе
нового метода, отличающегося способностью к обучению
и переобучению непосредственно в процессе управления,
многокритериальностью управления, а также тем, что при
создании системы управления не требуется разрабатывать
точную математическую модель объекта управления.
Последнее обстоятельство особенно существенно для
такого сложного объекта управления, как протез,
поскольку многие параметры системы "человек-протезсреда" изменяются малопредсказуемым образом в процессе
функционирования, плохо поддаются формализации и
предварительному определению.
В этих обстоятельствах именно применение адаптивной
системы может сыграть решающую роль.
