Вход |  Регистрация
 
 
Время электроники Среда, 22 января
 
 

Это интересно!

Ранее

Встраиваемые микроэлектронные системы: состояние, проблемы и перспективы

В статье приводятся основные определения, классификация и терминология встраиваемых микроэлектронных систем. Описывается современное состояние в области производства компонентов и разработки программного обеспечения для таких систем. Рассматриваются основные проблемы построения встраиваемых систем и методы их решения, а также анализируются перспективы их развития.

Технологии AdvancedTCA, AdvancedMC и MicroTCA: быстрые интерфейсы и процессоры под соусом стандартизации. Часть 1

Стандарт AdvancedTCA, развивающий основополагающие принципы магистрально-модульной архитектуры CompactPCI — это мощный и удобный инструмент для построения новых телекоммуникационных решений на базе последовательных внутрисистемных интерфейсов. Разработанный специально для рынка телекоммуникаций, стандарт AdvancedTCA позволяет применять высокопроизводительные последовательные каналы на стандартизованной основе и совмещает удобство открытой технологии с эффективностью узкоспециализированных решений. Вместе с тем, сфера применимости как самого стандарта AdvancedTCA, так и его производных (AdvancedMC, MicroTCA), гораздо шире одних лишь телеком-приложений. В статье дан краткий обзор технологий AdvancedTCA, AdvancedMC и MicroTCA. Особое внимание уделено тем свойствам стандартов, которые представляют наибольший интерес для практического применения.

Возможности проектирования системы MicroTCA на базе PCI Express

В статье рассматривается построение миниатюрных и экономичных платформ MicroTCA на базе стандарта PCI Express, который вызывает растущий интерес потребителей. Кроме того, описываются параметры архитектуры платформы для реализации мультипроцессорных решений, в т.ч. автономных систем и кластеров. Статья представляет собой перевод [1].

 

15 мая

Протоколы промышленных сетей

Протоколы промышленных сетей включают такие стандарты, как EtherNet/IP, Ethernet Powerlink, EtherCAT, Modbus-TCP, Profinet, SERCOS III, и этот перечень продолжает расти. Как выбрать протокол промышленной сети, который отвечает вашим специфическим требованиям и при этом имеет перспективы на будущее?





Вы можете скачать эту статью в формате pdf здесь.

Скрыть/показать html версию статьи
background image
40
В
с
тр
аи
В
аемые
сис
темы
www. elcp.ru
Протоколы промышленных сетей включают такие стандарты, как
EtherNet/IP, Ethernet Powerlink, EtherCAT, Modbus-TCP, Profinet, SERCOS III, и
этот перечень продолжает расти. Как выбрать протокол промышлен-
ной сети, который отвечает вашим специфическим требованиям и при
этом имеет перспективы на будущее?
Протоколы Промышленных сетей
АлексАндрА допплингер, маркетолог, компания Freescale Semiconductor
Когда-то заводы пронизывали лаби-
ринты механических коммуникаций. При
помощи «волшебной» механики инжене-
ры оптимизировали производственные
процессы с целью увеличения объема и
улучшения качества выпускаемой про-
дукции. Но затем некто заменил неко-
торые связи электроникой и тем самым
возвестил начало новой эры управле-
ния производством.
Электрические связи «точка–точка»
создали новые проблемы и были быстро
заменены промышленными сетями (field
bus). Сейчас на многих производствах
реализованы гибридные сети на Ethernet
и промышленных шинах, как внутри
предприятий, так и между ними, свя-
зывающие самые разные устройства —
от небольших портативных контролле-
ров и сборочных роботов до больших
устройств хранения данных и узлов цен-
трализованного управления.
В процессе эволюции промышлен-
ность создала собственные специфиче-
ские методы и протоколы для решения
своих задач. Однако в настоящее время
протоколы промышленных сетей быстро
конвергируют и заимствуют идеи из дру-
гих отраслей, таких, как телекоммуника-
ции и информационные сети.
Хотя исторически эти отрасли не
пересекались, сейчас они тесно взаимо-
действуют для создания лучших техно-
логий организации сетей и управления
приложениями. Уже можно наблюдать,
как одни и те же сетевые протоколы
используются в таких различных ответ-
ственных приложениях, как системы
управления электропитанием, интегри-
рованные медицинские системы и про-
водные коммуникации в самолете.
спеЦиФикА проМЫШленнЫХ
ЗАдАЧ
Многие приложения имеют общие
требования, благодаря чему им идеаль-
но подходят стандартные сетевые про-
токолы встраиваемых сетевых систем:
– работа в режиме реального вре-
мени означает, что изменение состоя-
ния системы обнаруживается и соот-
ветствующее действие выполняется
в пределах допустимого временного
интервала;
– детерминированность означает,
что команды выполняются в определен-
ном порядке и за определенное время;
– надежность обычно означает, что
система имеет избыточность N+1, 2N или
N+M в зависимости от предполагаемого
ущерба от потери аппаратурой работо-
способности;
– защищенность означает, что неу-
полномоченные лица не могут случайно
или намеренно получить доступ к дан-
ным или управлению системой;
– безопасность означает, что систе-
ма не может нанести ущерб человеку
или соседнему оборудованию;
– устойчивость означает, что систе-
ма может работать в неблагоприятных
окружающих условиях, таких, как:
- температура каждой микросхемы на
плате в диапазоне –40…120°C;
- загрязненность, запыленность
или наличие опасных химических
веществ или излучений;
- соседство с оборудованием, создаю-
щим мощное электромагнитное излу-
чение в широком диапазоне частот;
- удаленность системы с затруднен-
ным доступом для обслуживания
и ремонта; при разработке таких
систем для увеличения наработки
между отказами требуется миними-
зировать количество компонентов
с повышенной частотой отказов,
таких, как вентиляторы;
- управляющий персонал, не име-
ющий высокой квалификации,
доступа к сложному диагностиче-
скому оборудованию и часто не име-
ющий времени на изучение длинных
инструкций по эксплуатации или на
прохождение курсов специальной
подготовки.
ЗАЧеМ соЗдАВАТЬ спеЦиАлЬнЫе
проМЫШленнЫе сеТи?
Краеугольный камень взаимодей-
ствия — стандартный коммуникацион-
ный протокол. На первый взгляд может
показаться, что стандарт Ethernet — пре-
восходное решение для промышленной
сети, ведь это открытый, проверенный,
недорогой, распространенный во всем
мире стандарт, простой в реализации и
использовании.
Он поддерживает скорости пере-
дачи данных от 100 до 1000 Мбит/с,
что на много порядков больше про-
пускной способности большинства
существующих промышленных шин.
Internet-протоколы обеспечивают
интеграцию и прозрачность на всех
сетевых уровнях и позволяют легко
передавать данные из цехов в кон-
структорские бюро для контроля и
управления.
Однако одного только Ethernet
недостаточно для поддержки сложных
промышленных сетей. Хотя стандарт-
ные протоколы Ethernet определяют
коммуникации от физического уров-
ня «железа» до уровня приложений,
они не содержат прикладных уровней
пользователя (user application levels),
например, форматирования данных для
обмена информацией между оборудо-
ванием.
Промышленность устанавливает
дополнительные уровни протоколов,
чтобы обеспечить такое взаимодей-
ствие. Однако по мере того как про-
токолы разрабатываются, промышлен-
ный потребитель становится все более
и более осторожным по отношению к
патентованным системам и хочет избе-
жать непредсказуемой зависимости от
производителей систем.
Выигрыш от применения промыш-
ленных сетевых протоколов, основан-
ных на Ethernet, может получить широ-
кий спектр приложений, таких, как:
– автоматизация, управление, безо-
пасность в строительстве:
- дымовые/тепловые пожарные дат-
чики;
- звуковые системы оповещения
пожарной сигнализации;
- панели управления пожарной сиг-
нализацией;
- камеры и панели управления систе-
мами видеонаблюдения;
- панели управления охранной сигна-
лизацией;
- датчики движения охранной сигна-
лизации;
- контроль доступа;
- биометрические системы безопас-
ности;
- углекислотные детекторы;
background image
background image
42
В
с
тр
аи
В
аемые
сис
темы
www. elcp.ru
– автоматизация промышленных
предприятий, предприятий энергоснаб-
жения и пищевой отрасли:
- контроллеры перемещений;
- машинное зрение;
- пульты управления;
- встраиваемые компьютеры;
- модули ввода/вывода;
- контроллеры технологических про-
цессов;
- измерительное оборудование;
– аэрокосмическая,
оборонная,
робототехническая отрасли:
- обработка изображений;
- автоматическое управление;
- системы сбора данных;
- системы управления широкого при-
менения;
– здравоохранение:
- системы визуализации в здравоох-
ранении;
- мониторинг здоровья на дому;
- наблюдение за пациентом;
- аппаратура диализа;
- контроль сердечного ритма;
- оборудование проверки слуха;
- автоматизированные больничные
койки.
Протоколы промышленных сетей
изначально развивались в таких про-
мышленных системах, как Profibus,
DeviceNet, ControlNet, CANOpen, InterBus
и Foundation Field Bus.
осноВнЫе проТоколЫ
Среди высокоуровневых сетевых про-
токолов, в которых используется стан-
дартная семиуровневая модель взаи-
модействия, следует упомянуть Profinet,
Ethernet/IP, Ethernet Powerlink, EtherCAT,
Modbus-IDA и SERCOS III.
Многие из этих протоколов изначаль-
но разрабатывались для получения конку-
рентного преимущества их владельцами.
Однако сейчас большинство потребите-
лей не желают зависеть от единственно-
го поставщика. Вместо этого они отдают
предпочтение решениям, обладающим
большей гибкостью и способностью взаи-
модействовать с аппаратурой конкури-
рующих производителей (см. рис. 1).
Давайте рассмотрим, какие из этих
протоколов нацелены на решение спе-
цифических промышленных задач, упо-
мянутых ранее. В дальнейшем станет
заметно поразительное сходство всех
этих случаев.
Profibus
Profibus (www.profibus.com) — миро-
вой лидер среди промышленных сетей.
Парк оборудования, в котором исполь-
зуется Profibus, насчитывает более
15 миллионов устройств, установленных
по всему миру, больше, чем для всех
остальных промышленных сетей вместе
взятых.
Profibus создавался как откры-
тый стандарт для замены кабельных
соединений «точка–точка» и с целью
существенного снижения стоимости и
сложности разработки, инсталляции и
обслуживания средств промышленной
автоматизации, безопасности и управ-
ления силовым электрическим и меха-
ническим оборудованием. Ключевые
технологии Profibus сейчас включены в
стандарты IEC 61158 и IEC 61784.
Организация Profibus International
(PI), созданная в 1989 г., ныне насчиты-
вает более 25 региональных ассоциа-
ций с 1300 компаниями-участниками,
включая основных производителей:
Siemens, Hilscher, Invensys, GE Fanuc и
Yaskawa. Свыше 400 инженеров сотруд-
ничают более чем в 40 рабочих группах.
Региональные аккредитованные центры
поддержки проводят оценку и утверж-
дение коммерческих решений Profibus.
Profibus подходит для таких прило-
жений, как:
– устройства, связанные с обеспе-
чением безопасности, не объединенные
специализированными шинами;
– отказоустойчивые устройства,
например, кнопки аварийного останова
для автоматических систем безопасно-
сти;
– координированные приводы для
различных установок, включая электри-
ческие механизмы, эксцентрики, угло-
вые синхросистемы;
– распределенные
средства
автоматизации, использующие син-
хронные процессы и электронное
управление (класс 6) по принципу
«ведомый–ведомый» и изохронные
ведомые.
Profinet
Profinet (www.profibus.com) — детер-
минированный протокол промышленной
сети, который поддерживает многие тра-
диционные промышленные сети, напри-
мер Profibus, DeviceNet, Interbus, Modbus,
AS-Interface и IEC 61158-2. Поддержка
устаревающих шин уменьшает необходи-
мость выведения из эксплуатации суще-
ствующего оборудования.
Протокол полностью поддерживает
Ethernet-совместимые соединения ком-
понентов автоматизированной системы
и обеспечивает их удаленное конфигу-
рирование и обслуживание с использо-
ванием стандартных офисных средств,
аналогичных SNMP и системам мони-
торинга на основе браузера. В каче-
стве альтернативы можно использовать
средства, подобные шине Profibus.
Существуют три типа сетей Profinet,
главными отличительными признаками
которых являются длительность цикла
и джиттер. Длительность цикла — это
время пересылки сообщения от одного
устройства к другому, а джиттер — это
колебания длительности цикла в сети.
Profinet V1 была первой версией, исполь-
зующей традиционный Ethernet (который
не предоставляет возможностей реаль-
ного времени). Около половины всех
приложений промышленной автомати-
зации не являются системами реального
времени и могут работать со временем
цикла больше 100 мс. Profinet RT (Real
Рис. 1. Многие сетевые микросхемы и платы могут поддерживать несколько протоколов
background image
background image
background image
В
с
тр
аи
В
аемые
сис
темы
45
электронные компоненты №5 2008
Time) (версия V2) предоставляет функ-
циональные возможности «умеренно-
реального времени» с использовани-
ем традиционной Ethernet-технологии.
Такой вариант применим примерно к
30% приложений, длительность цикла
которых составляет от 1 до 100 мс.
Profinet IRT, Isochronous Real Time («изо-
хронное реальное время») (версия V3)
предоставляет функциональные воз-
можности жесткого реального времени
для таких приложений, как управление
двигателями, и обычно требует специа-
лизированных интегральных схем (ASIC).
Оставшиеся 20% промышленных прило-
жений требуют изохронного реального
времени с очень короткой длительно-
стью цикла менее 1 мс и джиттером
менее 1 мкс. Для таких приложений
Profinet IRT предоставляет специальные
возможности, включая:
– механизм квантования времени,
который делает использование стан-
дартных Ethernet-сообщений очень
эффективным;
– поддержка до 150 осей пере-
мещения, больше, чем в любых других
Ethernet-решениях;
– Ethernet-коммутаторы,
встро-
енные в ASIC для последовательного
соединения Profinet-устройств с целью
снижения стоимости сети;
– очень простая процедура развер-
тывания сетей с резервированием.
Организация по поддержке стан-
дарта Profinet Trade Organization про-
должает добавлять новые возможности
(например, улучшенную систему безо-
пасности) в новые спецификации, такие,
как PROFIsafe и PROFIdrive.
Ethernet/IP
Ethernet/IP (www.odva.org) соз-
дан на основе протокола Common
Industrial Protocol (CIP) компании
Rockwell Automation. В этом промыш-
ленном стандарте де-факто использу-
ются канальный и физический уровни
Ethernet (IEEE 802.3), а также транспорт-
ные уровни TCP/IP и UDP/IP.
Специализированные сообщения
имеют «неограниченную» длину данных
и инкапсулированы при помощи стан-
дартных средств Ethernet. Фрагментация
пакетов данных не требуется, и про-
токол может быть использован парал-
лельно с другими широко известными
Internet-протоколами, например HTTP,
FTP и SMTP.
CIP Sync добавляет возможности
реального времени, отображая преци-
зионную синхронизацию стандарта IEEE
1588 в объектную модель CIP. Обычно
длительность цикла CIP Sync составляет
около 1 мс. CIP Motion — это другой
представитель этого семейства протоко-
лов, которое представляет собой набор
профилей приложений, позволяющих
разместить контуры управления пози-
ционированием, скоростью и моментом
вращения внутри привода.
Производительность узлов EtherNet/
IP зависит от некоторых характеристик
операционной системы, например вре-
мени переключения между задачами,
а также от свойств стека TCP/IP, таких,
как производительность UDP. 16-раз-
рядные процессоры не рекомендуются.
Микроконтроллеры, реализующие этот
протокол, должны быть 32-разрядными
с тактовой частотой по крайней мере
50 МГц.
Требования к ОЗУ зависят от числа
связей и размера буферов. Обычно быва-
ет достаточно 32–256 Кбайт. Требования
к ПЗУ зависят от типа реализованного
профиля CIP; как правило, необходима
емкость от 64 до 128 Кбайт.
Ethernet Powerlink и IEEE 1588
Ethernet Powerlink (www.ethernet-
powerlink.org) — открытый сетевой
протокол, расширение стандартного
Ethernet-протокола для предоставления
доступа в реальном времени к детер-
минированной шине распределенным
системам автоматики, таким, как систе-
мы управления приводами.
Ethernet Powerlink (EPL) под-
ходит для приложений с требова-
ниями жесткого реального времени
в диапазоне микросекунд или для
гарантированной передачи больших
объемов информации в пределах
заданного временного интервала.
Для EPL характерны сервисы типа
«поставщик — клиент», которые
позволяют пользователям осущест-
влять одновременно управление,
конфигурирование и сбор данных от
интеллектуальных устройств, вклю-
ченных в единую сеть, или использо-
вать единую сеть как транспортную
основу для нескольких распределен-
ных сетей.
EPL — это патентно-свободная тех-
нология, разработанная организацией
по стандартизации Ethernet Powerlink
Standardization Group, которая насчиты-
вает более 50 членов. По всему миру
установлены более 80 тыс. узлов версии
V1.
EPL полностью соответствует Fast
Ethernet (максимальная скорость
100 Мбит/с), совместим Gigabit Ethernet,
с контроллерами стандартного Ethernet,
а также с основанными на IP протоко-
лами (TCP, UDP и др.). Он предлагает
возможности коммуникаций жесткого
реального времени:
– длительность цикла 200 мкс;
– джиттер меньше 1 мкс;
– арбитраж центральной шины
и предотвращение коллизий с целью
оптимизации пропускной способности
шины Ethernet;
background image
46
В
с
тр
аи
В
аемые
сис
темы
www. elcp.ru
– до 1,5 Кбайт данных на сообщение с
максимальной пропускной способностью
около 100 тыс. сообщений в секунду.
Прикладной интерфейс Ethernet
Powerlink версии 2 (2003 г.) основан на
механизмах, определенных коммуни-
кационным профилем DS301 CANopen
стандарта Control Area Network (CAN)
для задач автоматизации (или EN50325-4).
Он поддерживает легкий переход с
CANopen и интеграцию с ним.
Механизмы CANopen, такие, как
PDO, SDO, OBD и NMT, полностью пере-
носятся в EPL для обеспечения функ-
циональной совместимости систем
CANopen и EPL и простого перехода
с CANopen на Ethernet Powerlink на
уровне программного обеспечения.
Это позволяет потребителю использо-
вать более разнообразное технологи-
ческое ПО и дает большую независи-
мость системы от производителей.
Протокол синхронизации IEEE 1588
IEEE 1588-2002 (ieee1588.nist.gov)
«Протокол прецизионной тактовой син-
хронизации для метрологических сетей
и систем управления» (2002 г.) пред-
назначен для быстрой синхронизации
подключенных к сети тактовых генера-
торов, имеющих разную точность, раз-
решающую способность и стабильность,
с точностью выше единиц микросекунд.
Этот протокол был разработан для недо-
рогой реализации в сетях Ethernet с
упрощенной инсталляцией и обслужи-
ванием.
IEEE 1588 популярен в следующих
приложениях:
– телекоммуникационные услуги,
требующие точной временной синхро-
низации связываемых узлов;
– коммутаторы промышленных
сетей, которые синхронизируют датчики
и исполнительные устройства по одно-
проводной распределенной сети для
управления автоматизированными сбо-
рочными процессами;
– сети линий электропередачи, син-
хронизированные коммутаторами мас-
штабных распределенных энергосетей
для обеспечения равномерной пере-
дачи энергии;
– тестовое/измерительное оборудо-
вание, которое должно поддерживать
точную временную синхронизацию с
тестируемой аппаратурой в различных
условиях применения.
Этот протокол уже широко приме-
няется в приложениях тестирования и
измерения, управления энергоснабже-
нием и промышленной автоматизации.
Черновой проект версии 2 (V2) IEEE 1588
готовился к публикации в конце 2007 г.
Она отличается улучшенной поддерж-
кой крупных резервированных сетей и
высокопроизво дительного телекомму-
никационного оборудования.
Ускорение сБлиЖениЯ
проТоколоВ
Вы, наверное, уже заметили сходство
всех этих протоколов. Каждый из них
решает проблемы детерминирования
и синхронизации путем упрощения и
стандартизации принципов работы.
Некоторые «подпротоколы» использу-
ются во многих указанных выше про-
токолах.
К примеру, протокол синхронизации
IEEE 1588 применяется в EtherNet/IP CIP
Sync и точно также может быть исполь-
зован вместе с любым другим традици-
онным сетевым протоколом на основе
Ethernet для синхронизации сетевых
часов с задающим генератором. Почему
бы не объединить полностью все эти
протоколы, чтобы упростить жизнь
конечному пользователю и производи-
телям компонентов?
Для ускорения слияния прото-
колов компания Freescale (www.
freescale.com) и ее партнеры анонси-
ровали промышленную отладочную
платформу MPC8360E-RDK, имеющую
в своем составе интегрированную,
протестированную, готовую к приме-
нению аппаратную платформу и стеки
протоколов от ведущих производи-
телей IndusRAD (www.indusrad.com/),
IXXAT Automation GmbH (www.ixxat.
com) и Logic Product Development
(www.logicpd.com), как показано на
рисунке 2.
Эта промышленная отладочная плат-
форма содержит готовую к применению
компьютерную плату стандарта COM
Express с процессором PowerQUICC
MPC8360 и демонстрирует способность
этих гибких программируемых процес-
соров поддерживать большинство про-
мышленных сетевых протоколов. И это
на одном кристалле!
Разработчики и производители
могут теперь сосредоточиться на спе-
циализированных направлениях на
своих целевых рынках и, пользуясь воз-
можностями большого семейства про-
цессоров PowerQUICC, многократно
использовать ПО в широком спектре
своей продукции, уменьшая тем самым
трудозатраты инженерного персонала,
стоимость, время разработки, а также
риски.
В процессоре PowerQUICC MPC8360E
интегрированы: ядро e300, разработан-
ное по технологии Power Architecture;
новейший коммуникационный процес-
сор QUICC Engine, а также несколько
других мощных контроллеров и интер-
фейсов. Технология QUICC Engine под-
держивает широкий спектр сетевых
протоколов при помощи двух 32-раз-
рядных RISC-контроллеров.
Программирование микрокода
позволяет легко реализовывать про-
мышленные протоколы и вносить буду-
щие изменения подобно тому, как это
делается в ПЛИС, с большей гибкостью,
чем при использовании специализиро-
ванных ИС (ASIC).
Процессор MPC8360E поддержива-
ет широкий круг коммуникационных
интерфейсов: MII, RMII, GMII, TBI, RTBI,
NMSI, UTOPIA, POS и TDM. Два 32-раз-
рядных контроллера памяти DDR/
DDR2 обеспечивают высокоскоростной
доступ к памяти, а локальная систем-
ная шина, работающая на частоте до
133 МГц, позволяет подключать флэш-
память NAND или NOR, а также ПЛИС.
Возможности взаимодействия могут
быть расширены еще больше за счет
использования двух модулей UART, двух
модулей I
2
C, двух модулей SPI, интерфей-
сов PCI и USB.
Рис. 2. Сотрудничество помогает создавать среду, упрощающую инсталляцию сетей
Оцените материал:

Автор: Александра Допплингер, маркетолог, компания Freescale Semiconductor



Комментарии

0 / 0
0 / 0

Прокомментировать





 

Горячие темы

 
 




Rambler's Top100
Руководителям  |  Разработчикам  |  Производителям  |  Снабженцам
© 2007 - 2020 Издательский дом Электроника
Использование любых бесплатных материалов разрешено, при условии наличия ссылки на сайт «Время электроники».
Создание сайтаFractalla Design | Сделано на CMS DJEM ®
Контакты