Локальні мережі 2

Специфікації фізичного рівня визначають швидкості передачі даних 4 і 16 Мбіт / сек, фізична топологія - зірка. Вузли підключаться через спеціальне комунікаційне пристрій - MSAU. MSAU формує логічне кільце, забезпечуючи передачу сигналів на вхід вузла (зверху по кільцю) та прийом на виході вузла (вниз по кільцю). При непрацюючому вузлі забезпечується передача сигналів в обхід вузла для збереження коректності роботи. Передбачена спеціальна процедура включення вузла в кільце, і включення вузла та вимкнення призводить до короткочасної втрати працездатності.
В цілому, організація роботи мережі істотно складніше, ніж у мережі Ethernet. У мережах з топологією загальна шина і імовірнісним доступом всі вузли мають рівноправним доступом і виконують однакові процедури. У Token ring процедури управління роботою істотно складніше, тому функції вузлів різні. Основні завдання управління виконує один вузол - активний монітор, всі інші вузли - резервні монітори. При відключенні активного монітора автоматично виконується процедура призначення нового активного монітора, його функції за заздалегідь визначеним алгоритмом покладаються на один з резервних моніторів.
Активний монітор стежить за коректністю роботи кільця: формує і відправляє маркер, контролює рух кадрів в кільці, забезпечує синхронізацію і т.д.

3. Промислові мережі (Fieldbus)

Термін Fieldbus - промислові мережі - це технології передачі даних, орієнтовані на застосування в задачах керування технічними об'єктами. Об'єктом управління може служити і відносно простий побутової агрегат, і промислове технологічне обладнання, і ціле виробництво. Вимоги, що пред'являються до систем передачі даних, можуть бути різними і часто вельми суперечливими. Основою побудови промислових мереж є процедури і алгоритми, які показали високу ефективність і гнучкість у класичних комп'ютерних мережах. Слід мати на увазі, що технології телекомунікаційних мереж досить просто і повно узгоджуються з сучасними вимогами і тенденціями в системах управління. Це постійно зростаюча "інтелектуалізація" всіх пристроїв, необхідність у функціональній гнучкості, простота модернізації, робота в реальному масштабі часу, висока надійність, керованість і самовосстанавливаемость при нештатних ситуаціях, низькі витрати на створення і експлуатацію.
Природно, що одного рішення на всі випадки знайти неможливо. В даний час застосовуються і продовжують розвиватися кілька мережевих технологій. Це Foundaition Fieldbus, Profibus, CAN мережі та інші. Перші два протоколи містять по дві різні технології передачі даних: на нижньому рівні мережі - система передачі даних низкоскоростная (31,5 кбіт / с) для локальних систем управління, на верхньому рівні - Ethernet (100 Мбіт / с) для об'єднання локальних систем в єдині АСУ. Протоколи містять засоби організації взаємодії між цими двома мережевими рівнями. У CAN мережі протоколи визначають тільки нижній рівень мережі, але з великими функціональними можливостями. У той же час немає жодних перешкод для організації взаємодії з більш продуктивними телекомунікаційними технологіями за допомогою засобів виходять за рамки CAN протоколу.
У більшості промислових мереж використовують топологію зв'язків - загальна шина. Така топологія є найбільш ефективною в силу простоти реалізації, функціональної гнучкості, легкості модернізації діючих систем, низькій вартості. У більшості протоколів як ліній зв'язку використовують виті пари. Важливими вимогами, яким повинні задовольняти промислові мережі, є висока надійність і необхідність працювати в умовах високого рівня перешкод, створюваних працюючим технологічним обладнанням.

3.1 CAN мережі

CAN протокол, створений фірмою Bosch для автомобільної електроніки в 80-х роках, добре узгоджується з основними вимогами нижнього рівня промислових мереж. Він володіє високою гнучкістю, неруйнуючим арбітражем доступу до шини, вбудованими ефективними засобами контролю та діагностики з можливістю відключення дефектних вузлів. В даний час CAN мережі - одна з найбільш перспективних технологій промислових мереж. CAN протокол давно вийшов за рамки фірмової розробки і затверджений в якості міжнародного стандарту. Існує ряд міжнародних організацій і об'єднань, які забезпечують необхідний рівень стандартизації. Наприклад, організація CiA об'єднує понад 300 фірм, які або розробляють і виробляють засоби для побудови CAN мереж, або зайняті їх впровадженням у різних сферах; CAN протоколи підтримуються міжнародною асоціацією автомобільних інженерів SAE.
CAN протокол, так само як і інші протоколи локальних мереж, визначає 2 рівня моделі OSI - фізичний і канальний. Технологія передачі даних заснована на тих же принципах: використання загальних ресурсів, стандартизація алгоритмів і процедур, інтелектуалізація засобів реалізації цих алгоритмів та процедур. Для прикладних завдань протокол не потребує реалізації інших рівнів моделі OSI і тому дуже часто описується спрощеної трирівневої моделлю. Третій прикладний рівень виходить за рамки CAN протоколу і зазвичай називається HLP протоколом. В даний час застосовують різні HLP протоколи, хоча в ряді випадків їх застосування необов'язково. У той же час HLP протоколи можуть істотно полегшити узгодження вимог прикладних завдань з можливостями CAN мережі.
CAN протокол у рамках стандартів ISO11898, ISO11519 і J1939 (SAE) затверджений на базі протоколу CAN 2.0 A / B (Bosch) і визначає фізичний і канальний (MAC) рівні телекомунікаційної мережі. На відміну від класичних комп'ютерних мереж, CAN мережі орієнтовані на передачу повідомлень невеликих розмірів - до 8 байт. Завдяки ряду особливостей підтримують роботу в реальному масштабі часу, мультімастерность, прийом і обробку повідомлень будь-якою кількістю вузлів мережі, неруйнівний механізм арбітражу, самоконтроль та самодіагностику вузлів, будь-який вузол має можливість запитувати необхідні дані. Всі ці особливості, а також розміри і формат повідомлень, сформовані за вимогами систем управління технічними об'єктами, визначають високу ефективність і популярність CAN мереж.
Звичайно, багато питань побудови мережі виходять за рамки CAN протоколу. Вирішенню цих питань присвячені HLP протоколи. Це, наприклад, можливість передачі повідомлень великих розмірів та основні алгоритми контролю і відновлення загублених повідомлень (LLC процедури), ініціалізація мережі з автоматичним визначенням параметрів передачі даних, способи визначення ідентифікаторів в мережі і їх розподіл між вузлами, структура повідомлень і багато іншого.
Основними особливостями CAN мережі є механізм неруйнівного арбітражу доступу до середи передачі даних і відсутність явно певної адресації вузлів і повідомлень. У більшості випадків реалізується адресація повідомлень. Побітовий неруйнівний арбітраж доступу до середовища передачі даних (загальною шині) реалізується використанням рецесивним і домінантного рівнів сигналів. За допомогою домінантного сигналу рівень пріоритету встановлюється для повідомлень, а не для вузлів, хоча і використовується близький до Ethernet метод імовірнісного доступу з прослуховуванням несучої.
Для побудови CAN мережі застосовуються стандартні апаратні засоби: CAN - контролери та трансивери (прийомопередавачі). Багато провідні виробники випускають такі пристрої у вигляді інтегральних схем. Трансивери забезпечують прийом і передачу сигналів по лініях зв'язку (фізичний рівень), а CAN - контролери управляють доступом до середовища передачі даних, а також проводять підготовку та обробку переданих кадрів (канальний і частково фізичний рівень)
3.1.1 Фізичний рівень CAN мережі
Передача сигналів здійснюється по двопровідній лінії, класичний варіант - вита пара. Можуть застосовуватися й інші фізичні лінії зв'язку, наприклад, передбачається можливість передачі по лінії зв'язку і сигналів, і живлячої напруги. Швидкість передачі даних стандартизована і може лежати в діапазоні від 10 кбіт / с до 1 Мбіт / с. Через особливості алгоритму арбітражу застосовується сигнальний код NRZ, а максимальна довжина лінії зв'язку й швидкість передачі даних жорстко пов'язані. Час подвійного обороту, що визначається затримкою сигналів, повинно бути менше тривалості одного бітового інтервалу. На кількість вузлів обмежень немає.
Побітовий неруйнівний арбітраж використовує домінантний і рецесивний рівні сигналів у лінії зв'язку. Якщо трансивери двох вузлів формують різні рівні сигналів, то в лінії зв'язку буде передаватися домінантний рівень. Протокол передбачає контроль рівня сигналу в лінії зв'язку паралельно з передачею, якщо сигнал в лінії відрізняється від переданого, вузол зобов'язаний перервати передачу. Таким чином, передача повідомлення з домінантними сигналами завжди буде продовжуватися, а передача повідомлення з рецесивними сигналами може бути перервана при одночасній роботі декількох трансиверів.
CAN протокол амплітуду сигналів жорстко не визначає, межі сигналів задані на рівні 1 / 3 від напруги живлення. При стандартній напрузі 5 У ці межі становлять 1,5 В та 3,5 В. Домінантний сигнал (0) відповідає напрузі більше 3,5 В на шині CAN H і напрузі менше 1,5 В на шині CAN L. Рецесивний рівень (1) - однакові напруги на обох шинах. Входи трансіверов ідентифікують сигнали по різниці напруг, тому синфазні перешкоди не призводять до спотворення сигналів. Для підвищення надійності в трансивера рекомендується застосовувати стандартні засоби гальванічної розв'язки.
Синхронізація вимагає виділення синхросигналов із прийнятих сігналов.Т. к. код NRZ припускає перемикання сигналів тільки на кордонах бітових інтервалів, протокол забороняє передачі довгих послідовностей однакових сигналів. Використовуваний алгоритм біт-стаффинга реалізує додавання протилежної біта після будь-якій послідовності, яка містить п'ять однакових біт. Це дозволяє забезпечити надійну синхронізацію при передачі довільних бітових послідовностей. Крім того, послідовності, що містять більше п'яти однакових біт поспіль, використовуються як повідомлення про помилки.
Тактові генератори всіх вузлів автономні і мають працювати на номінально однакових частотах. Для забезпечення надійної синхронізації бітовий інтервал (час передачі одного біта, визначається швидкістю передачі) розбивається на тимчасові кванти (період тактових імпульсів). У бітовому інтервалі за стандартом може міститися від 8 до 25 тимчасових квантів. Для синхронізації завжди використовується перший тимчасової квант кожного бітового інтервалу, а ідентифікація сигналу проводиться в останній чверті бітового інтервалу (sample point). Максимальна розбіжність у часових межах не перевищує одного тимчасового кванта для вузлів з дещо відмінними реально тактовими частотами (частоти збігаються тільки номінально). І ця розбіжність не виводить точку ідентифікації (sample point) за припустимі межі. Синхроімпульси формуються по кожному переключенню з домінантного в рецесивний рівень. Оскільки біт-стаффінг забороняє в кадрі передачу більш 5 однакових біт поспіль, синхроімпульси будуть формуватися не рідше одного разу за десять бітових інтервалів. Різниця в тактових частотах вузлів мережі не повинна приводити до помилок синхронізації за цей період, що нескладно забезпечити сучасними апаратними засобами.
Рекомендовані значення швидкостей передачі (із зазначенням максимальної довжини ліній зв'язку), тимчасових квантів (величина зворотна тактовій частоті) і кількості тимчасових квантів у бітовому інтервалі наведені в таблиці. Стандартне номінальне значення тактової частоти, необхідне для синхронізації на максимальній швидкості, так само 8 МГц.
Для вирішення основних завдань фізичного рівня випускаються інтегральні схеми трансіверов для різних стандартних напруг харчування і типів ліній зв'язку відповідно до вимог CAN протоколу.
3.1.2 Канальний рівень CAN мережі
Реалізація процедур CAN протоколу проводиться спеціальними апаратними засобами - CAN контролерами. Ці контролери випускаються або у вигляді окремих інтегральних схем, або є вбудованими елементами більш складних пристроїв. CAN контролер в комплекті з ІС CAN трансивера забезпечує роботу локальної мережі, реалізуючи всі необхідні функції: від управління доступом до середовища передачі даних (MAC - процедури) до передачі сигналів по лінії зв'язку. Для HLP протоколів залишаються тільки функції налаштування мережі: автоматичний вибір і завдання швидкості передачі, підтримка алгоритмів контролю повідомлень, передача повідомлень великого обсягу, автоматичний розподіл ідентифікаторів в мережі і т.п. Ці завдання можуть бути вирішені без HLP протоколів, при проектуванні мережі можна вручну задати всі необхідні параметри і режими і провести настроювання CAN контролерів. HLP протоколи дозволяють автоматизувати ці процедури і в ряді випадків змінювати їх у процесі роботи.
CAN мережа мультімастерная, тобто всі вузли мають рівні права доступу. Якщо шина вільна, кожен з вузлів у довільний момент часу може починати передачу повідомлення (кадру). Все що передаються повідомлення приймаються усіма вузлами, CAN контролер кожного вузла містить фільтр повідомлень. Цей фільтр може бути налаштований на обробку повідомлень з певними ідентифікаторами, всі інші повідомлення будуть ігноруватися. Тобто повідомлення в мережі можуть прийматися і оброблятися будь-яким числом вузлів залежно від налаштування їх вхідних фільтрів. Це дозволяє, наприклад, обробляти повідомлення одного датчика усіма вузлами, яким ці дані необхідні.
При спробі одночасної передачі кадрів декількома вузлами працює механізм порозрядного неруйнівного арбітражу, що забезпечує першочерговий доступ повідомленнями з високим рівнем пріоритету (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection and Arbitration on Message Priority - CSMA / CD + AMP). Передача пріоритетного повідомлення буде продовжена, а інші вузли повинні перервати передачу до звільнення шини. Рівень пріоритету визначається станом і кількістю домінантних біт у поле арбітражу, в якому передається ідентифікатор повідомлення. Меншому значенню ідентифікатора відповідає більш високий рівень пріоритету.
Кожен передавальний вузол, формуючи сигнали на шині, контролює її стан і продовжує передачу до тих пір, поки стан шини і сигнали, що передаються збігаються. Припинення передачі відбувається тільки при передачі рецесивного біта, якщо одночасно який-небудь інший вузол передає домінантний біт. При цьому вузол, формуючий домінантний біт, передачу повідомлення продовжить.
Зміст переданих даних позначається 11-бітним ідентифікатором (29-бітний ідентифікатор у розширеному форматі), що стоїть на самому початку повідомлення. Особливістю є те, що цей ідентифікатор визначає пріоритет. Крім того, ідентифікатори присвоюються не вузлів, а повідомленнями і визначаються містяться в повідомленнях даними. Такий тип розсилки повідомлень називається "схема адресації, орієнтована на вміст". При цьому один вузол може відправляти повідомлення з різними ідентифікаторами в залежності від характеру переданих даних, а також приймати і обробляти повідомлення з різними ідентифікаторами в залежності від налаштування вхідних фільтрів.
У результаті застосування схеми адресації, орієнтованої на вміст, забезпечується висока ступінь конфігурується і гнучкості системи. Додавання в мережу нових вузлів може здійснюватися без модифікації апаратної або програмної частини мережі.
CAN протокол передбачає два алгоритму передачі даних:
передавальний вузол самостійно передає кадр даних, інші вузли його приймають і обробляють;
вузол може послати запит на необхідні дані, за цим запитом вузол-джерело даних передає повідомлення, яке, як і в першому випадку, приймається і обробляється.
Дані передаються в кадрі даних (data frame), а для запиту даних передбачений кадр запиту (remote frame), що має схожу структуру. Кадр для передачі по шині складається з семи основних полів. CAN протокол підтримує два формати кадрів (стандартний і розширений), які різняться тільки завдовжки ідентифікатора (ID).
Кадр стандартного формату починається стартовим бітом "початок кадру" (SOF - Start of Frame). За ним слідує поле арбітражу, що містить 11-бітний ідентифікатор і біт RTR запиту віддаленої передачі (Remote Transmission Request). Цей біт вказує, чи передається кадр даних (0) або кадр запиту (1), в якому відсутнє поле даних.
Управляє поле містить біт розширення ідентифікатора (IDE - identifier extension), який вказує тип формату кадру - стандартний (0) або розширений (1). (У розширеному форматі після біта IDE слідують 18 додаткових біт ідентифікатора). Крім того, в цьому полі знаходяться зарезервований для майбутнього застосування біт R0 і чотири біта DLC для вказівки довжини поля даних. За керуючим полем йдуть поле даних (0-8 байт) і поле (15 біт + рецесивний біт обмежувача цього поля) циклічного контролю CRC, використовуване для контролю кадру (x ¹⁵ + x ¹⁴ + x ¹⁰ + x ⁸ + x ⁷ + x ⁴ + x ³ + 1).
Поле підтвердження (АСК) складається з області АСК довжиною в 1 біт і обмежувача поля АСК. АСК-біт поміщається на шину передавачем як рецесивна (логічна 1). Приймачі, коректно прийняли ці дані, перетворять його в логічний 0, роблячи його домінантним. Таким чином, передавальний вузол отримує підтвердження, що хоча б один приймач правильно прийняв його повідомлення. Повідомлення підтверджуються приймачами незалежно від результату тестування даних при прийомі.
Кінець повідомлення вказується EOF (7 рецесивних біт), після якого йде пауза. Довжина паузи дорівнює мінімальній кількості бітів (3 біта), що відокремлюють послідовні повідомлення.
На відміну від інших шинних систем, в CAN протоколі не використовуються підтверджують повідомлення. Замість цього він сигналізує про виниклі помилки передачі. Всього в CAN-протоколі реалізовано п'ять механізмів перевірки на наявність помилок. Прапор помилки - це повідомлення, що містить 6 домінантних біт поспіль. Інші вузли, прийнявши таку послідовність, також можуть передати прапор помилки. Тому максимальна довжина цього поля може досягати 12 домінантних біт. Завершується кадр помилки обмежувачем прапора помилки з 8 рецесивних біт, після стандартної паузи (3 біта), перервана кадром помилки передача повинна бути повторена.
Перші три алгоритму контролю реалізовані на рівні повідомлень:
Циклічний контроль. Контрольовані поля кадру від SOF до CRC. При використанні цього методу в кінці передачі додаються біти циклічного надлишкового коду. При прийомі повідомлення відбувається його повторне обчислення і порівняння з отриманим кодом циклічного контролю. Якщо ці два значення не збігаються, то виявляється помилка CRC.
Контроль кадру. Перевіряється відповідність структури переданого кадру його фіксованим форматом та розміром. Помилки, які можуть виникнути при перевірці кадру, отримали назву "помилки формату".
Помилки підтвердження. Як вже раніше було сказано, прийняті кадри підтверджуються всіма приймачами. Якщо передавач не отримав жодного підтвердження, то це може означати, що приймачі виявили помилку (спотворено полі АСК), або приймачі взагалі відсутні в мережі.
Наступні два алгоритми визначення помилок реалізовані в протоколі CAN на бітовому рівні:
Моніторинг шини. Одна з особливостей CAN мережі полягає в тому, що передавальний вузол може контролювати свій власний сигнал на шині під час передачі. Таким чином, кожен вузол може спостерігати за рівнем сигналу на шині і визначати відмінність переданого і прийнятого біта. Розбіжність сигналів у полі арбітражу вимагає припинення передачі, а розбіжність в інших полях кадру генерує помилку.
Заповнення бітами. У CAN використовується сигнальний код NRZ. Однак, якщо поспіль йде занадто багато бітів з одним і тим же значенням, то можливий збій синхронізації. Якщо в повідомленні поспіль йдуть п'ять бітів з однаковим значенням, то передавач автоматично вставляє додатковий біт. Цей біт автоматично видаляється з повідомлення приймачами. Якщо буде отримано шість послідовних бітів з одним і тим же значенням, то по CAN протоколу це вважається помилкою.
Якщо протягом передачі кадру хоча б одна станція знайде помилку за допомогою одного з алгоритмів контролю (локальна помилка), то вона передає кадр помилки, який аварійно завершує поточну передачу. У цьому випадку всі вузли мережі не обробляють отримане повідомлення, чим досягається несуперечність даних у всій мережі. Вузли мережі, які не виявили помилку, після прийому кадру помилки повинні повторити передачу кадру помилки (глобалізація помилки), тому максимальна довжина цього поля може досягати 12 домінантних біт. Завершується кадр помилки обмежувачем прапора помилки з 8 рецесивних біт, після стандартної паузи (3 біта), перервана кадром помилки передача повинна бути повторена. Як правило, повторна передача починається протягом періоду часу, відповідного передачу 23 бітів, який починається з моменту виявлення помилки.
Для реалізації процедур самоконтролю кожен вузол CAN мережі містить два лічильники: лічильник помилок прийому (REC) і лічильник помилок передачі (TEC). Лічильники автоматично инкрементируются після виявлення кожної помилки і декрементируется після коректної передачі або прийому кадру. Залежно від стану лічильників помилок вузол може перебувати в одному з трьох станів: активної помилки, пасивної помилки, відключений від шини.
Стан активної помилки є основним для вузла CAN мережі і передбачає його нормальне функціонування. При виявленні помилки в цьому стані вузол посилає кадр активної помилки (6 домінантних біт). Стан активної помилки буде тривати до тих пір, поки число помилок у будь-якому з лічильників не перевищує 127. Якщо число помилок перевищує 96, мікроконтролеру вузла передається повідомлення про критичний числі помилок. При числі помилок більше 127, але менше 256 вузол переходить в стан пасивної помилки.
Стан пасивної помилки свідчить про часто повторюваних помилках. Вузол з цього стану може самостійно повернутися до активної помилку, якщо число помилок у лічильниках стане менше 128. При виявленні чергової помилки вузол має право передати тільки кадр пасивної помилки (6 рецесивних біт), який не може змінити поточну передачу будь-якого іншого вузла. При повторенні перерваної передачі цього вузла повинна бути зроблена додаткова пауза (8 рецесивних біт) для того, щоб не заважати передачі кадрів інших вузлів.
Якщо число помилок у будь-якому з лічильників перевищить 255, вузол повинен відключитися від шини (на практиці REC містить тільки 8 дв. Розрядів і тому число помилок прийому не може перевищити цей поріг). Самостійно CAN контролер вузла не може повернутися в робочий стан. Якщо проведений зовнішній скидання, CAN контролер повертається в стан активної помилки і після паузи 128х11 (1408) може передавати повідомлення.
CAN протокол визначає правила накопичення кількості помилок в лічильниках REC и TEC. Залежно від виду помилки збільшення числа помилок в лічильниках може бути від 1 до 8 при виявленні одноразової помилки. Декремент вмісту лічильників у стані активної помилки виробляється завжди тільки на 1. Це дозволяє присвоювати різні ваги різних помилок. Наприклад, виявлення помилки при прийомі збільшує REC на одиницю одночасно з відправкою кадру активної помилки; якщо приймається домінантний біт після відправки вузлом кадру активної помилки, REC збільшується на 8, так як це означає, що лише цей вузол виявив помилку. Успішний прийом кадру вузлом зменшує REC (якщо він був не нульовим) на 1 в стані активної помилки; якщо вузол був у стані пасивної помилки, в REC встановлюється величина від 119 до 127 (тобто при TEC менше 128 вузол перейде в стан активної помилки).
Будь-який вузол може також послати кадр перевантаження (overload frame), якщо, по-перше, він не встигає обробляти повідомлення і не може забезпечити приймання наступного повідомлення, по-друге, при прийомі домінантних біт в паузі між кадрами (це може означати втрату синхронізації при прийомі). Кадр перевантаження має такий же формат, як і кадр помилки, але передається завжди тільки після завершення прийому кадру. А кадр помилки може бути переданий тільки в процесі передачі кадру. Кадр перевантаження не збільшує стан лічильників помилок і не призводить до повторної передачі кадрів. Допускається передача вузлом не більше 2 кадрів перевантаження поспіль.
У відповідності з усіма процедурами контролю:
передача кадру вважається успішною, якщо не виявлено помилок до кінця поля EOF;
прийом кадру вважається успішним, якщо не виявлено помилок і протягом міжкадрового інтервалу (3 біта після EOF).
Необхідно пам'ятати, що CAN протокол не містить ефективних засобів контролю та відновлення перекручених даних крім процедури контролю CRC. Процедури LLC не передбачені, незважаючи на високу завадостійкість можливі випадіння та вставки. Якщо необхідні додаткові засоби контролю даних, вони повинні реалізовуватися HLP протоколами.
В даний час випускають CAN контролери, які підтримують одну з трьох версій протоколу. Версія CAN 2.0A підтримує роботу тільки з кадрами стандартного формату, що мають 11-бітний ідентифікатор. CAN 2.0B passive забезпечує передачу кадрів стандартного формату, а прийом і обробку кадрів і стандартного формату, і розширеного формату з 29-бітним ідентифікатором. CAN 2.0B active забезпечує обробку кадрів обох форматів.

Рис.1. Архітектура CAN контролера
Очевидно, що CAN контролер повинен містити буферні ЗУ і для переданих даних, і для даних, що приймаються. Реалізація процедур CAN протоколу, як правило, проводиться апаратно з передачею через трансивер вихідних сигналів вузла (Tx) і вхідних сигналів з шини (Rx). Приймальний фільтр апаратно виробляє селективну запис прийнятих кадрів за їх ідентифікаторів на буферну ЗУ. Передбачається, що буфер передачі повинен забезпечувати зберігання, принаймні, одного повідомлення, а буфер прийому - не менше двох повідомлень. Найчастіше CAN контролери мають більший обсяг буферних ЗУ. Доступ до даних в буферних ЗУ може здійснюватися за алгоритмом FIFO або в більш складних реалізаціях з урахуванням рівня пріоритету, який визначається ідентифікатором. Інтерфейс CAN контролера з керуючим мікро вузла - стандартний. Через цей інтерфейс відбувається настроювання параметрів, режимів, приймального фільтра і т.п., а також обмін даними з CAN шиною. В даний час проводиться досить велике число керуючих мікроконтролерів, які містять вбудовані засоби для обміну даними по CAN мережі.
У зв'язку з тим, що CAN протокол визначає тільки процедури фізичного і MAC рівнів, а побудова мережі потребує вирішення й інших завдань, пов'язаних, наприклад, до процедур LLC, процедурами автоматичного вибору параметрів і режимів при ініціалізації роботи вузлів, розроблені так звані CAN HLP протоколи .
До теперішнього часу відомо вже більше чотирьох десятків CAN HLP. Серед CAN HLP найбільшого поширення в системах промислової автоматизації отримали чотири, підтримуваних асоціацією CiA: CAL / CANopen, CAN Kingdom, DeviceNet і SDS.
3.2 Мережі PROFIBUS
Комплекс комунікаційних засобів для вирішення завдань автоматизації SIMATIC NET (Siemens) містить три самостійних технології передачі даних для різних рівнів управління: AS-інтерфейс, мережу Profibus, мережа Industrial Ethernet. Області застосування кожної технології показані на рис.2. Industrial Ethernet - технологія класичних комп'ютерних мереж та на верхньому рівні управління вирішує задачі інформаційного взаємодії підсистем управління. AS-інтерфейс зі спрощеними алгоритмами організації передачі даних призначений для забезпечення зв'язку між двопозиційними елементами локальних систем управління: датчиками, виконавчими пристроями, контролерами нижнього рівня і т.п. Profibus містять засоби для реалізації та технічного взаємодії локальних систем управління, та інформаційної взаємодії підсистем управління.

3.2.1 AS-інтерфейс

AS-інтерфейс (міжнародний стандарт EN 50 295) реалізує обмін даними наступним чином:
AS-інтерфейс є системою з одним провідним пристроєм. Це пристрій опитує по черзі всі відомі, очікуючи від кожного відповідь. Максимальне число ведених пристроїв - 31, цикл опитування - 5 мс.
Адреса відомого пристрою є його ідентифікатором. Присвоєння адреси відбувається в системі AS-інтерфейсу тільки один раз.

Рис.2. Комунікаційні засоби SIMATIC NET
Установку адреси можна виконати або за допомогою спеціального модуля завдання мережевих адрес, або з допомогою ведучого пристрою. Адреса постійно зберігається в відомому пристрої.
Провідне пристрій контролює сигнали в лінії зв'язку, а також дані, що передаються і розпізнає помилки передачі або вихід з ладу відомих.
Заміна або додавання ведених пристроїв в режимі нормальної роботи не вплине на обмін даними з іншими відомими пристроями.
Фізичні характеристики інтерфейсу:
2-жильний кабель для передачі сигналів і подачі напруги живлення. Потужність, яка може бути подана на ведене пристрій, залежить від використовуваного блока живлення AS-інтерфейсу. Обов'язково пропонується кабель спеціального типу, що виключає підключення неправильної полярності і дозволяє проводити підключення користувальницьких модулів AS-інтерфейсу методом проколювання оболонки кабелю.
Деревовидна топологія мережі при довжині кабелю до 100 м. Деревовидна топологія AS-інтерфейсу дозволяє використовувати будь-яку точку сегмента кабелю як початок нової гілки. Сумарна довжина всіх сегментів може досягати 100 м.
Сигнали фізичного рівня передаються по протоколу RS485 зі швидкістю 31,25 кбіт / с.
У AS-інтерфейсі використовуються повідомлення з постійною довжиною. Відпадає необхідність у складних процедурах управління передачею та встановлення довжини повідомлень або формату даних. Це дозволяє провідному пристрою по черзі опитувати всі відомі пристрої за 5 мс і оновлювати дані як на провідному, так і на ведених пристроях в межах цього циклу. Відомі пристрої є каналами введення та виведення AS-інтерфейсу. Вони активні тільки тоді, коли викликаються провідним пристроєм і виконують певні дії або передають відповіді на провідне пристрій за його команді. Кожне стандартне ведене пристрій може приймати 4 біта даних і передавати також 4 біти.
У системах SIMATIC роль провідних пристроїв грають комунікаційні процесори (CP), які управляють обміном даних, або системи розподіленого вводу / виводу (шлюзи, що забезпечують доступ до виконавчих механізмів і датчиків, наприклад, з PROFIBUS DP).
3.2.2 Мережа Profibus-DP
Технології мереж PROFIBUS (Siemens) поділяються на 3 протоколи: DP, FMS та PA. Profibus-DP оптимізований для швидкого обміну даними між системами автоматизації і децентралізованої периферією. FMS-сервіси (Fieldbus Message Specification) забезпечують більшу гнучкість при передачі великих обсягів даних. Profibus-DP і Profibus-FMS (стандарт EN 50170) застосовують однакову техніку передачі і єдиний протокол доступу до шини й тому можуть працювати через загальний кабель. PROFIBUS-PA - спеціальна концепція, що дозволяє підключати датчики та приводи, що знаходяться у вибухонебезпечній зоні.
Фізичний рівень реалізований за протоколом RS485 з відповідними обмеженнями за швидкістю та відстанню. (Можуть використовуватися також волоконно-оптичні або бездротові канали зв'язку). Фізично система PROFIBUS складається з навантаженої з двох сторін активної лінії - шинної структури, яка позначається, як сегмент шини RS485. Граничні параметри мережі наведено в табл.1. До кабельного сегмента можна за стандартом RS-485 підключити до 32 пристроїв. Стандартні швидкості: 9.6 кбіт / с, 19.2 кбіт / с, 45.45 кбіт / с, 93.75 кбіт / с, 187.5 кбіт / с, 500 кбит / с, 1.5 Мбіт / с, 3 Мбіт / с, 6 Мбіт / с або 12 Мбіт / с.
Таблиця 1

Топологія	Загальна шина або деревоподібна з використанням повторювачів
Лінія зв'язку	Екранована вита пара
Довжина кабельних сегментів	1000м для швидкості 187,5 кбіт / с 400 м для швидкості 500 кбіт / с 200 м для швидкості 1,5 Мбіт / с 100 м для швидкості 3,6 і 12 Мбіт / с
Кількість послідовно підключених повторювачів	Не більше 9
Кількість вузлів	Не більше 32 на кабельному сегменті, не більше 127 в мережі з повторювачами

У мережах PROFIBUS використовуються методи доступу "Token Bus" (мережа з передачею маркера або маркерне кільце) для активних станцій і "Master-Slave" (Ведучий-підпорядкованому) - для пасивних. Алгоритм доступу не залежить від конкретного середовища передачі даних і реалізується таким чином:
Всі активні вузли (ведучі) формують логічне маркерне кільце, що має фіксований порядок, при цьому кожен активний вузол "знає" інші активні вузли і їх порядок в логічному кільці (порядок не залежить від розташування активних вузлів на шині).

Право доступу до каналу передачі даних, так званий "маркер", передається від активного вузла до активного вузла в порядку, визначеному логічним кільцем.
Якщо вузол одержав маркер (адресований саме йому), він може передавати пакети. Час, відпущений йому на передачу пакетів, визначається часом утримання маркера. Як тільки цей час закінчується, вузлу дозволяється передати тільки одне повідомлення високого пріоритету. Якщо таке повідомлення відсутнє, вузол передає маркер наступному вузлу в логічному кільці. Маркерні таймери, за якими розраховується максимальний час утримання маркера, конфігуруються для всіх активних вузлів.
Якщо активний вузол має маркером і для нього сконфігуровані з'єднання з пасивними вузлами (з'єднання "ведучий пристрій - ведене пристрій"), проводиться опитування пасивних вузлів (наприклад, зчитування значень) або передача даних на ці пристрої (наприклад, передача команд).
Пасивні вузли ніколи не приймають маркер.
При ініціалізації мережі кожному вузлу призначається адреса в діапазоні 0-126. Активні вузли, підключені до PROFIBUS, впорядковані за зростанням їх адреси в логічному маркерним кільці. Час одного звернення маркера через усіх активних учасників називається часом звернення маркера. Встановлюване заданий час звернення маркера Ttr (Time target rotation) визначає максимально дозволений час звернення маркера.
Адреси всіх наявних на шині активних вузлів заносяться в LAS (List of Active Station - список активних станцій). Для управління маркером при цьому особливо важливі адреси попередньої станції PS (Previous Station), від якої маркер надходить, і наступної станції NS (Next Station), якій маркер передається. LAS також потрібен, щоб при поточній роботі виключати з кільця вийшли з ладу або дефектних активних учасників і, відповідно, приймати знову з'явилися учасників без перешкод поточному обміну даними по шині.
Метод Master-Slave дає можливість майстру (активного вузла), який має право прямої передачі, опитувати призначених йому Slaves (пасивних вузлів). Майстер при цьому має можливість передавати і приймати повідомлення від Slave. Цикл обміну між DP-Master і одним DP-Slave складається з кадру запиту (Request Frame), що відправляється DP-Master, і переданого DP-Slave відповіді або кадру підтвердження (Response Frame).
При ініціалізації мережі повинні узгоджено задаватися різні часові параметри, необхідні для контролю роботи мережі з тайм-аутам. При обміні даними DP-Slave реагує на кадри-запити Data_Exchange DP-Master (клас 1), який його параметріровал і конфігурувати. Інші повідомлення DP-Slave не обробляє. Усередині користувача даних немає додаткових керуючих або структурних елементів для опису переданих даних, тобто передаються чисті користувача дані. За допомогою кадрів запит-відповідь можна обмінюватися даними між DP-Master і DP-Slave в обох напрямках обсягом до 244 байт. Формати кадрів канального рівня:
Кадр з фіксованою довжиною

SD1

DA

SA

FC

FCS

ED

Кадр з фіксованою довжиною поля даних

SD3

DA

SA

FC

Data unit (l = 3 байти)

FCS

ED

Кадр зі змінною довжиною поля даних

SD3

LE

LEr

DA

SA

FC

Data unit (l = 0-244 байта)

FCS

ED

Кадр квитирования

SC

До адр-token (маркер)

SD4

DA

SA

SC (Single Character) окремий символ, використовується тільки для квитирования (SC = E5h);
SD1-SD4 (Start Delimiter) стартовий байт для відмінності різних форматів (SD1 = 10h, SD2 = 68h, SD3 = A2h, SD4 = DCh);
LE / LEr (LEngth) байт довжини, вказує довжину інформаційних полів для кадрів зі змінною довжиною;
DA (Destination Adress) байт адреси вузла - приймача;
SA (Source Adress) байт адреси вузла - джерела;
FC (Frame Control) контрольний байт містить інформацію про службу для даного повідомлення і пріоритет повідомлення;
Data Unit поле даних, може також містити можливі розширення адреси;
FCS (Frame Check Sequence) перевірочний байт, містить контрольну суму;
ED (End Delimiter) крайовий байт, вказує на завершення кадру (ED = 16h).
При прийомі кадрів можуть бути розпізнані наступні помилки:
помилки символьного формату (парність, переповнення, помилка кадру);
помилки протоколу;
помилки роздільників початку і закінчення;
помилки байта перевірки кадру;
помилки довжини кадру.
Кадр, у якого виявлена ​​помилка, повторюється, принаймні, один раз. Є можливість повторювати кадри до 8 разів (шинний параметр Retry). Поряд з передачею даних "точка-точка", можуть здійснюватися також передачі в багато точок Broadcast і Multicast. При комунікаціях Broadcast активний учасник надсилає повідомлення всім іншим учасникам (Master і Slave). Прийом даних не квітіруется. При комунікаціях Multicast активний вузол посилає повідомлення групі учасників (Master і Slave). Прийом даних також не квітіруется.
У деяких випадках необхідно, щоб шинний цикл DP за часом залишався постійним (рис.3) і, отже, обмін даними повинен відбуватись строго періодично. Це знаходить застосування, наприклад, в техніці електроприводів для самосинхронізації декількох приводів. На відміну від нормального DP циклу при постійному за часом циклі в DP-Master резервується певна частина часу для ациклической передачі даних. Постійний за часом DP-цикл може бути встановлений тільки в системі з одним майстром.

Рис.3. Циклічний обмін в PROFIBUS DP
При спроектованої перехресного зв'язку DP-Slave відповідає не кадром one-to-one (Slave → Master), а спеціальним кадром one-to-many (Slave → m). Таким чином, вхідні дані Slave, що містяться у відповідному кадрі, надаються не тільки відповідного майстру, але й усіх вузлів шини.
Інтерфейс PROFIBUS DP у функціональних модулях SIMATIC S7 (Siemens) може підтримуватися вбудованими інтерфейсами модулів, за допомогою додаткових інтерфейсних DP-модулів або комунікаційних процесорів.

Таблиця 2

Служби з різними алгоритмами обміну даними (табл.2) викликаються через точки доступу до служби SAP (Service Access Point) з вищестоящого рівня. У PROFIBUS-FMS використовуються ці точки доступу для адресації логічних комунікаційних зв'язків. У PROFIBUS-DP і PA застосовувані точки доступу суворо впорядковані. У всіх активних і пасивних учасників можна використовувати паралельно кілька точок доступу. Розрізняються точки доступу джерела SSAP (Source Service Access Point) та точки доступу мети DSAP (Destination Service Access Point).
DP-Slave в системі SIMATIC S7 (Siemens) за структурою та функціями поділяються на 3 групи:
Компактні DP-Slave, модулі з фіксованою структурою портів вводу / виводу, доступних для передачі даних.
Модульні DP-Slave,. модулі з програмованою структурою портів вводу / виводу, доступних для передачі даних.
Інтелектуальні DP-Slave (I-Slave), як правило, контролерні модулі з передачею даних не з портів введення / виведення, а з доступного в PROFIBUS адресного простору ОЗУ.
Для вирішення типових комунікаційних завдань в PROFIBUS використовуються профілі, що поєднують у єдиний комплекс необхідний набір мережевих засобів. Профілі також вказують набір комунікаційних функцій, які повинні підтримувати використовувані технічні засоби.
Для PROFIBUS FMS визначені наступні профілі:
Комунікації між контролерами (профіль 3.002). Цей комунікаційний профіль встановлює, які FMS-служби застосовуються для комунікацій між контролерами (PLC). Встановлено служби, параметри і типи даних, які кожен PLC повинен підтримувати.
Профіль для автоматизації будівель (профіль 3.011). Це галузевої (спеціалізований) профіль і основа для багатьох відкритих стандартів в автоматизації будівель. Описує, як здійснюється обмін, управління, регулювання, обслуговування, обробка та архівування сигналів в системах автоматизації будівель через FMS.
Комутаційні низьковольтні прилади (профіль 3.032) Цей профіль визначає алгоритми роботи низьковольтних комутаційних приладів при комунікаціях через FMS.
Встановлено такі профілі PROFIBUS-DP:
Профіль NC / RC (профіль 3.052). Профіль описує управління та обслуговування роботів через PROFIBUS-DP. На підставі конкретної блок-схеми алгоритму описується рух і програмне керування роботом.
Профіль Encoder для перетворювача кут-код (профіль 3.062). Профіль описує підключення Encoder до PROFIBUS-DP. Визначено основні та додаткові функції такі, як масштабування сигналів і розширена діагностика.
Профіль для приводів із змінним числом оборотів (профіль 3.072). Провідні виробники приводів розробили спільний PROFIDRIVE-профіль. Профіль встановлює, як приводи параметріруются і передають задані й істинні значення, містяться необхідні установки для виду роботи регуляторів швидкості та позиціонування. Профіль встановлює основні функції приводів і дає вільний простір для розширення користувачем. Профіль містить опис функцій користувача DP або альтернативних функцій FMS.
Профіль для керування та спостереження HMI (Human Machine Interface) (профіль 3.082). Профіль встановлює для засобів HMI правила підключення через PROFIBUS-DP до компонентів автоматизації. Профіль використовує для комунікацій розширені функції PROFIBUS-DP.
Профіль для захищеної від помилок передачі даних через PROFIBUS-DP (профіль 3.092) У цьому профілі встановлюються додаткові механізми захисту даних для комунікацій з захищеними від помилок компонентами.
У цілому, комунікаційні технології Profibus є завершеними інтерфейсними засобами для систем автоматизації. Ця завершеність, з одного боку, істотно полегшує їх застосування. Але, з іншого боку, знижує функціональну гнучкість і можливість зміни алгоритмів роботи відповідно до будь-якими вимогами. Інтерфейси Profibus реалізовані повною мірою у функціональних модулях різного призначення, пропонованих фірмою Siemens для вирішення завдань автоматизації в промисловості.

Список літератури

1. Уолренд Дж. Телекомунікаційні та комп'ютерні мережі. - М.: Постмаркет, 2007.
2. Оліфер В.Г., Оліфер Н.А. Комп'ютерні мережі. Принципи, технології, протоколи. - СПб.: "Пітер", 2004.
3. Новіков Ю.В., Кондратенко С.В. Основи локальних мереж. - М.: 2005.
4. Оліфер В.Г., Оліфер Н.А. Основи мереж передачі даних. - СПб.: "Пітер", 2005.
5. Хамбракен Д. Комп'ютерні мережі: Пер. з англ. - М.: ДМК Пресс, 2004.
6. Новіков Ю.В., Кондратенко С.В. Локальні мережі. Архітектура, алгоритми, проектування. - М.: ЕКОМ, 2009.
7. Нансі Б. Комп'ютерні мережі: Пер. з англ. - М.: "БИНОМ", 2006.