嵌入式控制系统设计/现场总线
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嵌入式控制系统设计
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本章介绍了嵌入式运动系统（本书的重点）中发生的系统间通信组件。
- 串行线路
- 控制器局域网络 (CAN)
- Profibus
- 实时以太网 (RTnet, EtherCat, ProfiNet...)
- DeviceNet
- 内部集成电路 (I2C)
- 串行外设接口 (SPI)
- 火线
现场总线是系统的一部分，它提供系统中多个组件（例如执行器或传感器）之间的通信。总线是一根带有两个端点接口的电缆。总线系统是所有总线的集合名词，这意味着它们之间有区别。
- 工厂总线（或工厂网络）
- CPU 总线
- 现场总线
工厂总线支持管理。与规划、物流、质量等相关的数据将通过此网络发送。工厂总线专门为连接多个计算机（例如：PCL、VME 等）而开发。
请参阅关于处理器的章节
现场总线存在三种通信类型，即串行、并行和无线总线。串行现场总线和并行现场总线之间的区别主要是每个周期可以发送的数据量。对于串行总线，发送数据的过程是一次一位。这与并行通信形成对比，在并行通信中，每个符号的所有位同时发送。无线现场总线目前仍在开发中。因此，无线现场总线在控制系统中的应用有限。
诸如TCP/IP和Novell之类的网络已经存在很长时间了。已经为它开发了许多软件，并且儿科疾病已经得到解决。现场总线仍然是“年轻”的网络，与标准网络相比，它们的目标是传输少量信息。现场总线需要的硬件比标准网络少。因此，它们可以被整合到最小的传感器和执行器中。现场总线应用对硬件有特殊要求，例如本质安全、通过网络供电、非常高的抗电磁干扰能力、电气隔离、多点控制等。
| OSI 模型 | ||||
|---|---|---|---|---|
| 数据单元 | 层 | 功能 | ||
| 应用 (控制系统) |
数据 | 应用 | 网络进程到应用 | |
| 表示 | 数据表示和加密 | |||
| 会话 | 主机间通信 | |||
| 传输 | 段 | 传输 | 端到端连接和可靠性 (TCP) | |
| 数据包 | 网络 | 路径确定和逻辑寻址 (IP) | ||
| 帧 | 数据链路 | 物理寻址 (MAC & LLC) | ||
| 位 | 物理 | 介质、信号和二进制传输 | ||
网络程序的操作可以用OSI 层模型来描述。OSI 或开放系统互连模型定义了一个网络框架，用于在 7 层实现协议。控制从一层传递到另一层，从一个站点的应用层开始，向下传递到最底层，然后通过信道传递到下一个站点，最后再向上传递到层次结构中。
在每一层中都有一些规则。想要相互联系的两个计算机系统必须遵守这些规则。否则，将出现误解，两者之间的通信将出现错误。
传输
此层描述了使用哪种类型的电缆（串行/并行/无线）以及使用了哪种比特率。此层在电气和机械层面上传输网络中的比特流。快速以太网和 RS232 是具有物理层组件的协议。
此层规定了从一台计算机到另一台计算机的消息如何在同一电缆上发送，以及何时发送。定义地址和消息格式也属于该层的协议。数据链路层分为两个子层：介质访问控制 (MAC) 层和逻辑链路控制 (LLC) 层。MAC 子层控制网络上的计算机如何获得数据访问权限和传输权限。LLC 层控制帧同步、流量控制和错误检查。
此层提供交换和路由技术，创建用于从一个节点到另一个节点传输数据的逻辑路径，称为虚拟电路。如果将多个网络组合在一起，则需要达成协议：- 通用寻址如何进行，以及如何选择消息必须遵循的路由？
此层提供端系统或主机之间透明的数据传输，并负责端到端错误恢复和流量控制。通过这种方式，我们获得了可靠的网络连接。它确保完整的数据传输。
应用（控制系统）
此层建立、管理和终止应用程序之间的连接。OSI 模型中存在三种类型的会话：- “单向”：信息将单向发送。- “双向同时”：两个参与者可以同时发送和接收（全双工）。- “双向交替”：双方可以交替发送和接收（半双工）。
此层通过从应用程序格式到网络格式的转换以及反之亦然（例如：从 ASCII 到 EBCDIC）来提供对数据表示（例如，加密）差异的独立性。
第七层：应用层
[edit | edit source]此层指定用户可用的应用程序。 此层中的所有内容都是特定于应用程序的。 用户程序位于此层中，您可以使用它们读取另一台计算机上的文件、运行进程等。
现场总线在应用层上的典型应用
[edit | edit source]现场总线有几种典型的应用，它们之间的区别主要在于处理信息的方式。 控制系统中的不同类型是
- 远程 I/O（中央控制器、分布式传感器、带有 CAN I/O 的机床）
这种类型的现场总线充当多路复用器。 数据位被提供给网络，并进一步传输到网络中其他地方的输出。
- 主从式（主控制器、分布式从控制器）
主设备可以通过总线向从设备发送任务。 从设备处理此任务并给出答复。 从设备之间无法相互通信。
- 客户端/服务器
具有多个主设备的现场总线。 客户端向服务器发送任务。 它们将首先执行任务，然后回答。 某个站点可以同时作为客户端和服务器，因此它们可以同时发送多个任务。
- 生产者/消费者:
具有多个主设备的现场总线，其中每个消费者站点都对特定数据感兴趣，而生产者站点向想要订阅生产者数据的消费者提供信息。
现场总线协议
[edit | edit source]现场总线接口将输入或输出的命令或状态编码为数字信息，该信息被安排通过电缆传输。
现场总线的特性
[edit | edit source]- 响应时间短
- 高可靠性
- 布线成本低
- 开放标准
- 协议简单
- 每个连接的价格低
响应时间
实时：确定性响应时间（例如 CAN）
- 响应时间非常短：对于链接 PLC - 外设 例如：Profibus DP、CAN 和 Interbus-S。
- 平均响应时间：对于链接 PLC - 监控系统 例如：Profibus FMS
现场总线的布线
趋势如下
- 并行 -> 串行 -> 无线
- 以前的同轴电缆（以太网电缆）
- 经常使用 RS485
优点：价格低廉，易于安装
缺点：速度不高
- 还有光纤
优点：可以实现长距离
开放标准
- 原因
为了使不同供应商的不同异构系统之间能够通信，这些系统适用于不同的 OSI 层
- 示例
DIN 19245（Profibus）、IEEE 1118（Bitbus）ISO/DIS 11519-1 和 ISO/DIS 11898（CAN）
- 具有第 1 层和第 2 层的现场总线
- 硬件或软件中的协议
- 适用于设备
- 未安排用于链接异构设备
- 示例：CAN
- 具有第 1 层、第 2 层和第 7 层的现场总线
- 软件中更复杂的协议
- 用于链接异构设备
- 示例：Profibus-FMS
拓扑结构
[edit | edit source]某些现场总线构建的网络可以采用几种物理形式。 这种形式称为网络拓扑。 以下是不同拓扑结构的一些示例
现场总线的优点
[edit | edit source]- 只需少量电缆
- 没有 4-20 mA 转换问题（与 PLC 或 PC 直接通信。）
- 设备中可以实现更高的智能化
- 无需额外布线即可轻松扩展
- 可以通过网络搜索维护和阻塞
- 数字技术
现场总线的缺点
[edit | edit source]- 用户界面尚未标准化
- 有时您必须联系多个制造商才能在遇到问题时获得支持
选择现场总线时要考虑的因素
[edit | edit source]- 最大总线长度（参见概述）
- 客户端数量
- 数据速率
- 拓扑结构
- 价格
- 添加/删除客户端的时间（难度）
- 最大循环时间
- 不同现场总线之间的兼容性
- 系统的稳定性
- 适用于控制器、PC 和/或智能设备之间的通信
- PC 接口卡的可用性
- 最大中继器数量
- 不使用中继器时的最大节点数
- 使用中继器时的最大节点数
- 一条消息中的最大数据量
- 最大主设备数量
最常用的不同现场总线
[edit | edit source]最常用的总线系统概述
[edit | edit source]总线系统主要开发用于特定范围。 下表概述了不同总线系统的规格。
| Interbus | Profibus | CANopen | 以太网 | EtherCAT | AS-Interface | DeviceNET | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 比特率 | 500 kbit/s (Cu) 2 Mbit/s (玻璃纤维) | 9,6 / 19,2 / 93,75 / 187,5 和 500 kbit/s (FMS)。DP 类似于 FMS，但也支持 1,5 / 3 / 6 和 12 Mbit/s。PA 仅支持 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 |
| 总线长度 | 400 m 13 km (Cu) 80 km (玻璃纤维) |
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)，超过 90 km (光纤) |
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 (玻璃纤维) |
100 m 300 m (中继器) |
100 m (500 kbit/s) 250 m (250 kbit/s) 500 m (100 kbit/s) |
| 消息大小 | 8 或 16 位 | 1 - 249 字节 | 0 – 8 字节 | 3 位 | |||
| 安全总线 | INTERBUSsafety | ProfiSafe | CANopen-safety | 安全以太网 | --- | ASi-Safety | DeviceNET 安全 |
| 循环时间 | 1 ms (1 I/O) 线性增长至 7,8 ms (1096 I/O) | 在数据速率和传输之后 1 ms (10 从设备/12 Mbit/s) 2 ms (10 从设备/1.5 Mbit/s) 6 ms (30 从设备/1.5 Mbit/s) | 取决于 - 传输速度 - 数据范围 - 通信类型 |
--- | 12 μs (256 D-I/O) 50 μs (200 A-I/O) 350 μs (12000 D-I/O) |
500 μs 5 ms (31 从设备) 10 ms (62 从设备) |
取决于 - 传输速度 |
| 成员 | 256, 4096 I/O | 最大 126 | 124 | 每个段 100 个 每个网络 1024 个 |
65535 | 31 (124 I / 124 O) 62 (248 I / 186 O) |
64 |
| 地址分配 | 自动 | 编码器 | 编码器 | 48 位长度 | 软件 | 自动 | 软件、编码器 |
| 拓扑结构 | 环形、单主设备 | 单/多主站，线型 | 多主站，线型 | 星形 | 线型，星型，树型 | 线型，星型，树型，单主站 | 多主设备 |
| 覆盖的OSI层 | 1, 2 和 7 | 1, 2 和 7 | 1, 2 | ||||
| 传输层 | RS485 | RS485 | 以太网专用 | ||||
| 消息目的地（第3层和第4层） | 点对点 | 点对点，多播和广播 | 点对点，多播和广播 | ||||
| 价格 | |||||||
| 抗抖动能力 | 120欧姆 |
- 维基教科书：信息技术书架#串行通信
- 维基百科：串行外设接口总线 是一种流行的短距离总线（用于同一PCB上的芯片）。
- 维基百科：控制器局域网 是一种流行的长距离总线。