Проектирование распределенных систем управления

Проектирование распределенной системы начинается с разбиения системы на составные части c расчетом информационных потоков сетевых цепей. Обладая производительной локальной шиной, элемент или модуль системы способен обрабатывать большой поток информации, получая параметры обработки от других элементов системы и посылая обратно по сетевому интерфейсу результат обработки. При этом основной информационный поток локализуется внутри модуля системы, что обеспечивает невысокую скорость передачи по сетевому интерфейсу. Стыковка узлов современных распределённых систем осуществляется через RS485/422, CAN, Profibus, MIL-1553, Ethernet, Interbus-S и др. интерфейсы.

При использовании последовательных интерфейсов, таких как RS485/422, форматы передачи и протоколы формируются программным способом, что не позволяет получить высоких скоростей обмена, увеличивает время и стоимость разработки. Применение современных интегрированных интерфейсов существенно облегчает разработку и увеличивает надёжность систем.

В промышленной сфере наибольшее применение нашли CAN, Ethernet, Profibus, Interbus-S.

Сетевой интерфейс Profibus наиболее эффективен в крупных системах при количестве сетевых устройств более 100. CAN, Interbus-S обеспечивают высокое быстродействие при количестве сетевых устройств до 100, при этом CAN-интерфейс обладает рядом преимуществ по сравнению с Interbus-S и более распространён в Европе и на американском континенте.

Еthernet нашёл широкое распространение в телекоммуникационных системах и в промышленных системах управления верхнего уровня, но не подходит для создания распределённых систем управления реального времени, поскольку неэффективен при многоадресном байтовом обмене.

В современных бортовых системах явное лидерство занимает CAN-интерфейс (ISO 11898). В специальных системах в настоящее время CAN вытесняет созданный в начале 70-х годов MIL-1553.

Сетевой интерфейс CAN (Controller Area Network) был разработан в 80-х годах фирмами BOSCH и INTEL для создания бортовых мультипроцессорных СРВ. Последняя спецификация интерфейса 2.0, разработанная фирмой BOSCH в 1992 г., является дополнением предыдущей версии. CAN-интерфейс обеспечивает высокую надёжность, компактность и хорошие динамические характеристики, необходимые распределённым системам управления. Ведущие изготовители INTEL, MOTOROLA, SIEMENS, PHILIPS и т.д. выпускают элементную базу для построения CAN систем (CAN release 2.0 ISO11898 1992 г.). Современные бортовые компьютеры и контроллеры, промышленные роботы и системы, датчики, исполнительные устройства обеспечиваются необходимыми интерфейсами для работы в CAN-сети. Активному распространению CAN-интерфейса способствуют следующие его особенности:

· Наличие готового аппаратно реализованного протокола нижнего уровня, позволяющего существенно упростить программирование, уменьшает затраты процессорного времени системы, а также обеспечивает полную совместимость с изделиями, производимыми другими изготовителями. В простейшем случае для передачи байта по CAN-сети, состоящей из нескольких устройств, достаточно указать адрес и передаваемое сообщение (может содержать от 1 до 8 байт).

· Гибкая система задания приоритетов и аппаратный арбитраж устройств, работающих на CAN-шине, обеспечивают быстрое время реакции на возникающие в системе события. В этом его принципиальное отличие от других сетевых интерфейсов (например, Ethernet). Обычно в CAN-системе наивысший приоритет задается для каналов, обрабатывающих аварийные ситуации или генерирующих синхросигналы.

· Идентификатор сообщения позволяет задавать 211 (короткий) или 229 (длинный) адреса сообщений. CAN-контроллер каждого из сетевых устройств позволяет одновременно обрабатывать несколько идентификаторов, т.е., фактически, в каждом из устройств может быть организована группа независимых каналов обмена информацией. При этом программно можно изменять идентификаторы каждого канала, что обеспечивает CAN-сети большую гибкость. Например, один из каналов может быть использован для одновременного приёма сообщений всеми устройствами.

· Аппаратная коррекция ошибок при обмене и дифференциальный приёмопередатчик, подавляющий синфазные помехи, обеспечивают высокую помехозащищённость. Если во время работы на приемном конце было принято неверное сообщение, CAN-контроллер автоматически реинициализирует передачу того же сообщения. Этот процесс происходит без участия программиста и продолжается до тех пор, пока сообщение будет передано без ошибок или пока не переполнится счётчик ошибок.

· Система гибкой адаптации к используемой линии передачи (программирование задержек и скорости передачи в зависимости от качества и длины линии передачи). Максимальная длина CAN-шины до 1 км. Используя дополнительные контроллеры в качестве ретрансляторов, можно существенно увеличить расстояние обмена.

· Скорость обмена до 1 Мбит/с вполне достаточна для систем управления реального времени, учитывая, что обмен ведётся между интеллектуальными устройствами.

· Низкая стоимость. Цена микроконтроллера с интегрированным интерфейсом ниже стоимости отдельных устройств.

Обладая свойствами сетевого интерфейса и микропроцессорной шины, CAN позволяет строить сложные адаптивные системы управления реального времени. В то же время простота его использования и низкая стоимость делают его весьма привлекательным для применения в различных электронных устройствах и системах.

Применение встраиваемых компьютеров и контроллеров в виде небольших, функционально законченных модулей существенно облегчает построение распределенных систем, упрощая их настройку и тестирование. В настоящее время наиболее популярными являются следующие конструктивные форматы:

· IEEE-P996: обычные компьютеры, компьютеры промышленного исполнения с шинами PC/104 (ISA) и PCI.

· IEEE-P996.1 (PC/104, PC/104+) формат платы (90x96 мм): компьютеры, контроллеры бортового и промышленного исполнения, c шинами PC/104 (ISA), PCI.

· Евростандарт (форматы 6U, 3U): компьютеры, контроллеры бортового и промышленного исполнения с шинами VME, PCI, AT96, MULTIBUS и т.д.

Каждый конструктивный стандарт в зависимости от типа системы, условий эксплуатации и используемой элементной базы имеет свою нишу применения.

Локальная шина выбирается, исходя из требований необходимой производительности и совместимости с соответствующими периферийными устройствами. Однако необходимо помнить, что многоразрядные производительные шины обладают низкой помехоустойчивостью и высокой стоимостью, а их многоконтактные выходные разъёмы уменьшают надёжность. Подобные шинные интерфейсы должны применяться там, где они необходимы – при передаче информации от быстродействующих цифроаналоговых и аналого-цифровых преобразователей, при обмене между DSP-процессорами, видеопроцессорами, дополнительными модулями памяти и т.д.

Системы управления могут разрабатываться на базе компьютеров или контроллеров. Достоинством применения компьютеров в распределенных системах управления являются: универсальность, мощная поддержка хорошо известного программного обеспечения и, как следствие этого, высокая скорость разработки системы. Главными недостатками – относительно высокая стоимость аппаратных средств, медленное восстановление после рестарта системы ("медленный" старт PC-компьютеров), что ограничивает применение подобных изделий в СРВ. Использование микропроцессорных контроллеров дает наибольший выигрыш в стоимости системы при ее серийном выпуске, обеспечивает реальное время работы с внешними устройствами, быстрое время рестарта и увеличивает степень интеграции системы (меньшие габариты), поскольку современный промышленный контроллер позволяет заменить до 5 компьютерных плат (процессор с устройствами ввода/вывода).

Основными трудностями при проектировании систем с использованием интегрированных микроконтроллеров являются трудности, связанные с разработкой программного обеспечения, т.к. необходимо применение специальных средств для тестирования и отладки программ, отсутствие стандартных интерфейсов для мониторов высокого разрешения и накопителей большой емкости.

Комбинированное использование встраиваемых компьютеров и контроллеров при построении крупных систем позволяет максимально использовать преимущества и тех и других, и обеспечивает высокие показатели универсальности, надежности, стоимости и т.д.