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嵌入式控制系統設計/現場匯流排

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嵌入式控制系統設計

本章介紹了嵌入式運動系統（本書的重點）中發生的系統間通訊元件。

  • 序列線路
  • 控制器區域網絡 (CAN)
  • Profibus
  • 即時乙太網 (RTnet, EtherCat, ProfiNet...)
  • DeviceNet
  • 內部積體電路 (I2C)
  • 序列外設介面 (SPI)
  • 火線

描述

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現場匯流排是系統的一部分，它提供系統中多個元件（例如執行器或感測器）之間的通訊。匯流排是一根帶有兩個端點介面的電纜。匯流排系統是所有匯流排的集合名詞，這意味著它們之間有區別。

工廠匯流排

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工廠匯流排支援管理。與規劃、物流、質量等相關的資料將透過此網路傳送。工廠匯流排專門為連線多個計算機（例如：PCL、VME 等）而開發。

CPU 匯流排

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請參閱關於處理器的章節

現場匯流排

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現場匯流排存在三種通訊型別，即序列、並行和無線匯流排。序列現場匯流排和並行現場匯流排之間的區別主要是每個週期可以傳送的資料量。對於序列匯流排，傳送資料的過程是一次一位。這與並行通訊形成對比，在並行通訊中，每個符號的所有位同時傳送。無線現場匯流排目前仍在開發中。因此，無線現場匯流排在控制系統中的應用有限。

為什麼不在所有地方使用相同的網路？

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諸如TCP/IP和Novell之類的網路已經存在很長時間了。已經為它開發了許多軟體，並且兒科疾病已經得到解決。現場匯流排仍然是“年輕”的網路，與標準網路相比，它們的目標是傳輸少量資訊。現場匯流排需要的硬體比標準網路少。因此，它們可以被整合到最小的感測器和執行器中。現場匯流排應用對硬體有特殊要求，例如本質安全、透過網路供電、非常高的抗電磁干擾能力、電氣隔離、多點控制等。

OSI 模型

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OSI 模型
資料單元 層 功能
應用
(控制系統)		 資料 應用 網路程序到應用
表示 資料表示和加密
會話 主機間通訊
傳輸 段 傳輸 端到端連線和可靠性 (TCP)
資料包 網路 路徑確定和邏輯定址 (IP)
幀 資料鏈路 物理定址 (MAC & LLC)
位 物理 介質、訊號和二進位制傳輸

網路程式的操作可以用OSI 層模型來描述。OSI 或開放系統互連模型定義了一個網路框架，用於在 7 層實現協議。控制從一層傳遞到另一層，從一個站點的應用層開始，向下傳遞到最底層，然後透過通道傳遞到下一個站點，最後再向上傳遞到層次結構中。

在每一層中都有一些規則。想要相互聯絡的兩個計算機系統必須遵守這些規則。否則，將出現誤解，兩者之間的通訊將出現錯誤。

傳輸

第一層：物理層

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此層描述了使用哪種型別的電纜（序列/並行/無線）以及使用了哪種位元率。此層在電氣和機械層面上傳輸網路中的位元流。快速乙太網和 RS232 是具有物理層元件的協議。

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此層規定了從一臺計算機到另一臺計算機的訊息如何在同一電纜上傳送，以及何時傳送。定義地址和訊息格式也屬於該層的協議。資料鏈路層分為兩個子層：介質訪問控制 (MAC) 層和邏輯鏈路控制 (LLC) 層。MAC 子層控制網路上的計算機如何獲得資料訪問許可權和傳輸許可權。LLC 層控制幀同步、流量控制和錯誤檢查。

第三層：網路層

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此層提供交換和路由技術，建立用於從一個節點到另一個節點傳輸資料的邏輯路徑，稱為虛擬電路。如果將多個網路組合在一起，則需要達成協議：- 通用定址如何進行，以及如何選擇訊息必須遵循的路由？

第四層：傳輸層

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此層提供端系統或主機之間透明的資料傳輸，並負責端到端錯誤恢復和流量控制。透過這種方式，我們獲得了可靠的網路連線。它確保完整的資料傳輸。

應用（控制系統）

第五層：會話層

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此層建立、管理和終止應用程式之間的連線。OSI 模型中存在三種類型的會話：- “單向”：資訊將單向傳送。- “雙向同時”：兩個參與者可以同時傳送和接收（全雙工）。- “雙向交替”：雙方可以交替傳送和接收（半雙工）。

第六層：表示層

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此層透過從應用程式格式到網路格式的轉換以及反之亦然（例如：從 ASCII 到 EBCDIC）來提供對資料表示（例如，加密）差異的獨立性。

第七層：應用層

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此層指定使用者可用的應用程式。 此層中的所有內容都是特定於應用程式的。 使用者程式位於此層中，您可以使用它們讀取另一臺計算機上的檔案、執行程序等。

現場匯流排在應用層上的典型應用

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現場匯流排有幾種典型的應用，它們之間的區別主要在於處理資訊的方式。 控制系統中的不同型別是

  • 遠端 I/O（中央控制器、分散式感測器、帶有 CAN I/O 的機床）

這種型別的現場匯流排充當多路複用器。 資料位被提供給網路，並進一步傳輸到網路中其他地方的輸出。

  • 主從式（主控制器、分散式從控制器）

主裝置可以透過匯流排向從裝置傳送任務。 從裝置處理此任務並給出答覆。 從裝置之間無法相互通訊。

  • 客戶端/伺服器 

具有多個主裝置的現場匯流排。 客戶端向伺服器傳送任務。 它們將首先執行任務，然後回答。 某個站點可以同時作為客戶端和伺服器，因此它們可以同時傳送多個任務。

  • 生產者/消費者:

具有多個主裝置的現場匯流排，其中每個消費者站點都對特定資料感興趣，而生產者站點向想要訂閱生產者資料的消費者提供資訊。

現場匯流排協議

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現場匯流排介面將輸入或輸出的命令或狀態編碼為數字資訊，該資訊被安排透過電纜傳輸。

現場匯流排的特性

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  • 響應時間短
  • 高可靠性
  • 佈線成本低
  • 開放標準
  • 協議簡單
  • 每個連線的價格低

響應時間

即時：確定性響應時間（例如 CAN）

- 響應時間非常短：對於連結 PLC - 外設 例如：Profibus DP、CAN 和 Interbus-S。

- 平均響應時間：對於連結 PLC - 監控系統 例如：Profibus FMS

現場匯流排的佈線

趨勢如下

  • 並行 -> 序列 -> 無線

- 以前的同軸電纜（乙太網電纜）

- 經常使用 RS485

優點：價格低廉，易於安裝

缺點：速度不高

- 還有光纖

優點：可以實現長距離

開放標準

- 原因

為了使不同供應商的不同異構系統之間能夠通訊，這些系統適用於不同的 OSI 層

- 示例

DIN 19245（Profibus）、IEEE 1118（Bitbus）ISO/DIS 11519-1 和 ISO/DIS 11898（CAN）

  • 具有第 1 層和第 2 層的現場匯流排

- 硬體或軟體中的協議
- 適用於裝置
- 未安排用於連結異構裝置
- 示例：CAN

  • 具有第 1 層、第 2 層和第 7 層的現場匯流排

- 軟體中更復雜的協議
- 用於連結異構裝置
- 示例：Profibus-FMS

拓撲結構

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某些現場匯流排構建的網路可以採用幾種物理形式。 這種形式稱為網路拓撲。 以下是不同拓撲結構的一些示例

現場匯流排的優點

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  • 只需少量電纜
  • 沒有 4-20 mA 轉換問題（與 PLC 或 PC 直接通訊。）
  • 裝置中可以實現更高的智慧化
  • 無需額外佈線即可輕鬆擴充套件
  • 可以透過網路搜尋維護和阻塞
  • 數字技術

現場匯流排的缺點

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  • 使用者介面尚未標準化
  • 有時您必須聯絡多個製造商才能在遇到問題時獲得支援

選擇現場匯流排時要考慮的因素

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  • 最大匯流排長度（參見概述）
  • 客戶端數量
  • 資料速率
  • 拓撲結構
  • 價格
  • 新增/刪除客戶端的時間（難度）
  • 最大迴圈時間
  • 不同現場匯流排之間的相容性
  • 系統的穩定性
  • 適用於控制器、PC 和/或智慧裝置之間的通訊
  • PC 介面卡的可用性
  • 最大中繼器數量
  • 不使用中繼器時的最大節點數
  • 使用中繼器時的最大節點數
  • 一條訊息中的最大資料量
  • 最大主裝置數量

最常用的不同現場匯流排

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最常用的匯流排系統概述

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匯流排系統主要開發用於特定範圍。 下表概述了不同匯流排系統的規格。

Interbus Profibus CANopen 乙太網 EtherCAT AS-Interface DeviceNET
位元率 500 kbit/s (Cu) 2 Mbit/s (玻璃纖維) 9,6 / 19,2 / 93,75 / 187,5 和 500 kbit/s (FMS)。DP 類似於 FMS，但也支援 1,5 / 3 / 6 和 12 Mbit/s。PA 僅支援 31,25 kbit/s 5 kbit/s 到 1 Mbit/s 10Base-2/5/T/F：10 MBit/s
100Base-T/T4/TX/FX：100 MBit/s		 10 MByte/s 167 kbit/s 125 kbit/s
250 kbit/s
500 kbit/s
匯流排長度 400 m
13 km (Cu)
80 km (玻璃纖維)		 100 m (12 Mbit/s)
200 m (1,5 Mbit/s)
400 m (500 kbit/s)
1 km (187,5 kbit/s)
最大 10 km (Cu)，超過 90 km (光纖)		 40 m (1 Mbit/s)
620 m (100 kbit/s)
10 km (5 kbit/s)		 10Base-2：183m
10Base-5：500m
10Base-T：100m
10Base-F：1000m
100Base-T/T4/TX：100m
100Base-FX：--		 10 m (E-bus)
100 m (2 Tln.)
2 km (玻璃纖維)		 100 m
300 m (中繼器)		 100 m (500 kbit/s)
250 m (250 kbit/s)
500 m (100 kbit/s)
訊息大小 8 或 16 位 1 - 249 位元組 0 – 8 位元組 3 位
安全匯流排 INTERBUSsafety ProfiSafe CANopen-safety 安全乙太網 --- ASi-Safety DeviceNET 安全
迴圈時間 1 ms (1 I/O) 線性增長至 7,8 ms (1096 I/O) 在資料速率和傳輸之後 1 ms (10 從裝置/12 Mbit/s) 2 ms (10 從裝置/1.5 Mbit/s) 6 ms (30 從裝置/1.5 Mbit/s) 取決於
- 傳輸速度
- 資料範圍
- 通訊型別		 --- 12 μs (256 D-I/O)
50 μs (200 A-I/O)
350 μs (12000 D-I/O)		 500 μs 5 ms
(31 從裝置)
10 ms (62 從裝置)		 取決於

- 傳輸速度
- 資料範圍
- 通訊型別

成員 256, 4096 I/O 最大 126 124 每個段 100 個
每個網路 1024 個		 65535 31 (124 I / 124 O)
62 (248 I / 186 O)		 64
地址分配 自動 編碼器 編碼器 48 位長度 軟體 自動 軟體、編碼器
拓撲結構 環形、單主裝置 單/多主站，線型 多主站，線型 星形 線型，星型，樹型 線型，星型，樹型，單主站 多主裝置
覆蓋的OSI層 1, 2 和 7 1, 2 和 7 1, 2
傳輸層 RS485 RS485 乙太網專用
訊息目的地（第3層和第4層） 點對點 點對點，多播和廣播 點對點，多播和廣播
價格
抗抖動能力 120歐姆

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