Microlan:
Основы построения сетей MicroLAN
Для построения сети MicroLAN необходимы три составляющие: ведущий шины (компьютер или любой промышленный микроконтроллер), двухпроводной кабель и однопроводные устройства, соответствующие протоколу. Рассмотрим принципы построения сетей MicroLAN.
Топология
Для осуществления цифровой связи MicroLAN использует одну линию данных и один возвратный провод (обычно земляной). Сеть не ограничивается заранее определенной структурой. При небольшом числе приборов сеть MicroLAN имеет шинную архитектуру с подключением всех приборов на общую магистраль. Структура сети может иметь древовидный характер. При этом главный ствол подключается к ведущему устройству сети MicroLAN. Сеть обладает практически неограниченным адресным пространством и допускает работу на расстоянии до 300 м без дополнительных повторителей или усилителей сигнала.
В наиболее удаленной точке каждой ветви подключается микросхема iButton≥, служащая меткой ветви. Метка позволяет контролировать прохождение электрического сигнала и целостность ветви. Для обеспечения надежности передачи по сети MicroLAN в условиях нестабильного электрического контакта передача осуществляется в виде отдельных пакетов данных. Каждый пакет завершается контрольной суммой, что позволяет ведущему шины сразу регистрировать ошибки и принимать меры для повторной передачи.
Построение ветвлений
Для подключения большого количества устройств без одновременного увеличения электрической нагрузки в сети MicroLAN применяется древовидная структура с несколькими уровнями ветвлений. Основным элементом этой структуры является адресуемый ключ. Фирма Dallas Semiconductor выпускает несколько типов адресуемых ключей.
Способ коммутации отдельных ветвей MicroLAN. Линия данных сети подключена одновременно ко всем приборам системы. Возвратная линия находится в проводящем состоянии только для тех ветвей, которые задействованы в сеансе связи с выбранным прибором. Отметим, что в такой конфигурации возвратная линия сети MicroLAN не идентична системной "земле". Чтобы избежать "земляных петель", необходимо использовать цепи с оптронной развязкой для связи с теми участками сети, которые должны быть заземлены.
После подачи питания ведущему шины доступны только приборы, подключенные к основному стволу сети. Для взаимодействия с остальными устройствами ведущий шины должен изучить топологию сети. Поэтому на первом этапе выполняется анализ только адресуемых ключей в сети. Начиная с основного ствола, ведущий шины последовательно опрашивает и записывает регистрационные номера всех адресуемых ключей. Затем найденные ключи последовательно открываются, и происходит дальнейший опрос ветвей второго уровня. Обнаруженные на них ключи также регистрируются и по очереди открываются. После этого становится возможным опрос ветвей третьего уровня. Процедура продолжается до окончательного построения топологии сети в памяти контроллера. На следующем этапе ведущий идентифицирует оставшиеся приборы. Для этого, опираясь на изученную топологию переключателей сети, он последовательно открывает все ветви и записывает регистрационные номера обнаруженных приборов. После по-строения точной топологии сети MicroLAN становится возможен быстрый доступ к каждому прибору. Ведущий открывает все ключи на пути к нему, отменяя при этом выбор всех остальных приборов на линии.
Отметим, что для уменьшения нагрузки на линию рекомендуется держать все незадействованные ключи в закрытом состоянии. При построении протяженной сети это требование является необходимым.
Компоненты и их влияние на работу сети MicroLAN
Соединительный кабель
При большой длине кабеля, он оказывает влияние на распространение сигнала. Это особенно ощутимо, когда время распространения сигнала по кабелю сравнимо с длительностью фронтов. Если на обоих концах кабеля не обеспечена соответствующая нагрузка, это может привести к значительному искажению фронтов сигнала и выбросу на его вершине.
Кабель характеризуется погонной емкостью, индуктивностью и активным сопротивлением. Эти параметры определяют характеристический импеданс кабеля, демпфирование сигналов и скорость их распространения. Погонное сопротивление и индуктивность, как правило, незначительны, и ими можно пренебречь. Погонная емкость, значение которой обычно лежит в диапазоне от 30 до 100 пФ/м, вносит существенный вклад в суммарную емкость сети.
Потери на активном сопротивлении кабеля приводят к нарушению логических уровней сигналов. Дополнительные потери создают узлы ветвления и подключенные к ним ключи. Однако основным фактором, ограничивающим максимальную протяженность сети, является емкость кабеля и цепи "паразитного питания" микросхем. Совокупность всех влияний приводит к необходимости введения временной задержки порядка нескольких миллисекунд, прежде чем станет возможным начало обмена по сети MicroLAN. При подключении каждой новой ветви также понадобится временная задержка порядка 1 мс на время зарядки конденсаторов "паразитного питания" вновь подключенных микросхем. После этого, времени восстановления будет достаточно для пополнения запаса энергии, использованной во время предыдущего цикла.
Структура с открытым стоком
Сеть MicroLAN использует конфигурацию с открытым стоком (монтажное И) и с пассивным резистором, включенным в цепь питания 5 В. Связь выполняется во временных интервалах 60 мкс на бит плюс небольшое время восстановления между отдельными временными интервалами. Благодаря низкому импедансу активных цепей генерации логического "0", время спада сигналов достаточно мало (~1 мкс). Время нарастания сигнала определяется произведением сопротивления нагрузочного резистора и суммарной емкости всех активных ветвей сети, включая емкость самого кабеля и входную емкость всех приборов.
Максимальное напряжение ВЫСОКОГО уровня в сети определяется величиной нагрузочного резистора и суммарным током утечки всех приборов на активных сегментах сети. Количество приборов на линии обратно пропорционально напряжению на нагрузочном резисторе. При увеличении падения напряжения на нагрузочном резисторе, соответственно увеличивается и время, необходимое для того, чтобы напряжение на линии достигло уровня логической единицы 2,2 В и минимального рабочего напряжения 2,8 В. Время нарастания сигнала может быть снижено путем уменьшения сопротивления нагрузочного резистора, использования кабеля с меньшей емкостью или уменьшения нагрузки на активных ветвях сети. Однако, сопротивление нагрузочного резистора не должно быть меньше 1,5 кОм. Использование резистора более низкого номинала приведет к увеличению напряжения НИЗКОГО логического уровня и снизит помехозащищенность. В наиболее критичных ситуациях для обеспечения необходимых параметров сигналов на шине и до-стижения максимальной помехозащищенности может использоваться активный драйвер, оснащенный схемой подавления эха.
Адресуемые ключи
Адресуемый ключ является основным компонентом для образования ветвей сети. Он представляет собой трехвыводное устройство с выходным полевым транзистором с открытым стоком, управляемым по 1-проводной шине. Во включенном состоянии сопротивление транзистора обычно составляет около 15 Ом, в выключенном ~10 МОм. Из-за низкого, но не нулевого сопротивления открытого транзистора каждый ключ на пути к конкретному устройству в сети создает небольшое падение напряжения около 30 мВ (15 Ом x 2 мА при нагрузочном резисторе 2,5 кОм, подключенном к напряжению питания +5 В). Чем больше ключей включено на пути, тем выше напряжение логического "0" при чтении данных ведущим шины. Адресуемый ключ почти не влияет на уровень логической "1", лишь добавляя нагрузку на шине, как и любой другой компонент в активных ветвях.
Если ветвь сети MicroLAN отключена путем перевода адресуемого ключа в состояние с высоким выходным сопротивлением, все устройства на этой и всех дочерних ветвях отключены от источника "паразитного питания". Адресуемые ключи теряют свое состояние. Если отключить ветвь от сети более чем на 1 секунду, а затем включить снова, то все ключи будут установлены в состояние с выключенным выходным транзистором. Из-за "паразитного питания" включение питания вызовет кратковременное падение напряжения на 1-проводной шине, пока конденсаторы питания приборов на подключенной ветви не зарядятся полностью.
Если адресуемые ключи на ветвях используются для включения/выключения оборудования по сети MicroLAN, то для поддержания работоспособности оборудования на отключенных ветвях должен использоваться интерфейс с оптронной развязкой.
Приборы для ветвления сети
Адресуемый ключ DS2405 представляет собой N-канальный полевой транзистор с открытым стоком и выходным током 4 мА, переключающийся при совпадении 64-бит регистрационного номера с передаваемым по шине адресом. Связь с устройст-вом осуществляется по стандартно- му протоколу MicroLAN. Выходной ключ каждого прибора может устанавливаться в открытое или закрытое состояние независимо от количества микросхем, подключенных к линии. Выход каждого прибора может быть отдельно считан ведущим шины. Эквивалентная схема DS2405 приведена на рис. 2.
Микросхема DS2405 применяется для управления ветвями сети, а также в качестве переключателя индикаторов и внешних транзисторов. Поскольку DS2405 может определить состояние логического уровня в месте своего подключения, он может использоваться в качестве дистанционного датчика состояния различных переключателей или, вместе с внешним силовым транзистором, управлять электромагнитом или двигателем.
Выходное состояние прибора управляется внутренним триггером. Если триггер взведен, то выходной полевой транзистор устанавливает на выходе НИЗКИЙ уровень. Выходное состояние внутреннего триггера и уровень на выходе ключа могут быть считаны соответствующими командами. Так как включенный транзистор устанавливает на выходе низкий уровень, то для использования микросхемы в качестве детектора выходного уровня транзистор должен быть выключен.
Адресуемый ключ DS2407 содержит два N-канальных полевых транзистора с открытым стоком и улучшенными выходными параметрами (50 мА и 13 В в канале А и 8 мА и 6,5 В в канале В). В состав прибора входит также ЭППЗУ объемом 1024 бит для хранения информации пользователя. Помимо основных команд протокола MicroLAN, микросхема поддерживает команду "Условный Поиск" для идентификации и доступа к приборам, которые определяются по условиям пользователя ("паразитное питание"). При установке микросхемы в боковых ветвях сети, где время отключения от ствола может быть очень большим, для поддержания работоспособности прибора вывод Vcc подключается к внешнему источнику питания.
Соединитель DS2409 является важнейшим элементом для построения и управления сетями MicroLAN с многоуровневым ветвлением. В отличие от адресуемых ключей, где коммутируется земляной провод, соединитель DS2409 поддерживает конфигурацию с общей "землей" для всей сети и обеспечивает питание отключенных сегментов сети. Это упрощает подачу питания к дополнительно подключаемым приборам и предотвращает потерю состояния приборов с "паразитным" питанием. Применение этой микросхемы позволяет также избежать прекращения передачи данных, вызванное приборами с "паразитным" питанием при активации ветви. Так как DS2409 не имеет программируемой пользователем памяти, то для отметки ветви можно подключать память любого прибора 1-Wire к дополнительному (auxiliary) выводу соединителя. Как основной, так и дополнительный выводы DS2409 управляются командой "интеллектуальное включение" (smart-on). Эта команда формирует последовательность Сброс/Присутствие на выбранном выходе до того, как электронный ключ разорвет соединение с 1-проводной шиной. Благодаря этому, ведущий ши-ны может использовать команды сетевого уровня для работы с приборами активизированного сегмента, в то время как остальные приборы сети остаются в отключенном состоянии. Это значительно ускоряет анализ топологии постоянно изменяющейся сети. Применение соединителя позволяет ведущему шины определять подключение приборов на неактивных ветвях сети с помощью команды условного поиска.
Сопряжение 1-проводной шины с компьютером
Подключение шины MicroLAN к микроконтроллеру не вызывает проблем, поскольку она является 1-проводной. Вопросы возникают, если в качестве ведущего используется персональный компьютер (ПК). Фирмой Dallas Semiconductor выпускается ряд приборов для подключения 1-проводной шины MicroLAN к ПК.
Чтобы подключиться непосредственно к последовательному порту и работать через интерфейс RS-232C, используется драйвер последовательного порта DS2480. Он напрямую подключается к асинхронному последовательному порту (UART) и к любым системам, поддерживающим 5В RS-232C интерфейс. Микросхема обеспечивает обмен данными на 4-х скоростях: 115,2, 57,6, 19,2 и 9,6 Кбит/с. На рис. 5 представлена схема подключения 1-проводной шины непосредственно к асинхронному порту.
подключение приборов на неактивных ветвях сети с помощью команды условного поиска.
Подключение MicroLAN к параллельному порту обеспечивается шинным драйвером DS1481. Это специализированный тактовый генератор 1-проводной шины. Обычно он используется для подключения к параллельному порту и обеспечения соединения интерфейса с ведущим. Сигналы "Занято" позволяют ведущему выполнять задачи после завершения передачи на 1-проводной шине. Подключение шины к параллельному порту через DS1481 показано на рис. 6.
Кроме подключения 1-проводной шины к стандартному последовательному порту, Dallas Semicon-ductor предлагает сопряжение шин MicroLAN и USB. Последняя является наиболее перспективной для обмена данными между компьютером и множеством одновременно доступных периферийных устройств. На рис. 7 показан адаптер на базе микросхемы DS2490.
AS-I:
Для устранения недостатков традиционной технологии низовой автоматики с преимущественным решением задач сигнализации и управления разработана промышленная шина (интерфейс) AS-i (Actuators/Sensors inter-face-интерфейс исполнительных устройств и датчиков).
AS-i является открытой промышленной сетью.
Физический уровень AS-i реализуется путем подключения к ведущему устройству MS ведомых периферийных устройств (SL) специальным плоским двухжильным кабелем (рис. 11.3). Этот кабель желтого цвета стал как бы рыночным знаком AS-i. Он осуществляет как питание максимального допустимого количества SL, так и передачу цифрового сигнала. Форма сечения кабеля в виде трапеции с выступом обеспечивает однозначное его положение в модулях и, как следствие, исключает возможность переполюсовки двухпроводной линии. Поперечное сечение кабеля в форме трапеции облегчает прижим и создает уплотнение в местах подключения сетевых устройств, обеспечивая герметичность со степенью защиты IP67.
.png)
Принципиальной особенностью промышленной шины AS-i на базе желтого плоского кабеля является технология подключения SL: периферийные устройства могут быть подключены к кабелю в любой его точке методом прокалывания изоляции(!).Такая технология обеспечивает гиб-кость сетевой архитектуры и предельно минимизирует сроки монтажа. Материал, из которого изготавливается оболочка кабеля, обладает свойством самовосстановления без нарушения герметичности при отключении сетевого устройства. Эксплуатация кабеля допускается в диапазоне температур от минус 40ºС до плюс 85ºС, но монтаж может осуществляться только при температурах воздуха выше минус 25ºС.
Максимальная длина промышленной сети AS-i - до 100 м. Площадь поперечного сечения каждого проводника стандартом установлена равной 1,5 мм2. При таком сечении гарантируется питающий ток SL силой до 2А. Предусмотрена возможность увеличения общей длины сети до 300 м с использованием двух усилителей. При этом для каждого сектора сети длиной 100 м должен использоваться индивидуальный источник питания.
Если в качестве сетевых устройств к AS-i подключены исполнительные механизмы, то используются дополнительные кабели. Например, если для сетевых устройств требуется дополнительное питание напряжением 24В постоянного тока, то рядом с желтым должен быть проложен аналогичный профилированный кабель черного цвета (также с технологией прокалывания). Для напряжений более 30В, в частности для 230В переменного тока, используется кабель с оболочкой красного цвета. Как альтернатива плоскому кабелю допускается применение круглого кабеля типа, но для его подключения уже используется клеммное подсоединение.
Поскольку передача информации в AS-i осуществляется в неэкранированном кабеле с не витыми жилами, то интерфейсный сигнал подвержен воздействию электромагнитных помех, а линия связи существенно ограничивает полосу пропускания частот (т.е. ограничивает скорость пере-ачи сигнала). По этой причине передача сигнала в AS-I осуществляется с использованием Манчестерского кодирования.В результатев линию связи логические «1» и «0» формируются сигналами разной полярности (от дифференцирования перехода от «0» к «1» и от «1» к «0»).
10.2.2Канальный уровень AS-Iработает по принципу «ведущий(MS) –ведомый(SL)» со структурой сообщений представленой на рис. 10.4.
.png)
Укрупненно структура взаимодействия MS с SL состоит из запроса ведущего устройства MS, паузы ведущего устройства MS, ответа ведомого устройства SL и, соответственно, паузы ведомого устройства SL.Все запросы MS имеют длину 14 бит. Все ответы SL имеют длину 7 бит.
Из структуры сообщения видно, что MS может адресоваться к 31SL сообщениями длиной не более 5-ти бит. В ответном сообщении SL передаются только 4 бита информации. По этой причине AS-i ограничивает функциональные возможности каждого сетевого устройства: до 4-х входов и 4-х выходов дискретных сигналов.
Достоверность передачи сообщений в AS-i обеспечивается тем, что обмен осуществляется короткими кадрами, контролем стартового и конечного бита, битом паритета, Манчестерским кодированием, а также контролем выхода передачи сообщения за пределы допустимого времени паузы.
Длительность передачи бита в сообщении - 6 мкс. Количество бит запроса и ответа – 21, а время, затрачиваемое на их передачу, - 126 мкс. Запрос и ответ разделяет пауза ведущего устройства, которая в зависимости от синхронной работы MS и SL, может занимать от 3 до 10 тактов пере-дачи бита. Если MS после 10 тактов не примет стартовый бит от SL, то фиксируется отсутствие связи с адресованным SL.Таким образом, максимальное время взаимодействия MS с SL составляет 136 мкс.
В сети AS-i MS реализует режим циклического опроса SL, при этом период опроса каждого сетевого устройства в сети из 31SL на превышает 4,3 мс. С таким временным шагом дискретизации MS может реализовывать алгоритмы опроса состояния входов дискретных сигналов одних SL и формировать дискретные сигналы на выходах других (или тех же) SL
Структура сети AS-i представлена рис. 10.5.
.png)
Внешние устройства сигнализации и измерения (на рис.11.5 – датчики), а также исполнительные устройства могут включаться в сеть AS-i как с использованием специальных интерфейсных модулей, так и с помощью встроенной в электронную часть этих устройств интерфейсной микросхемы. В первом случае интерфейсный модуль как бы заменяет линии связи для передачи сигнала и питания, которые используется в традиционной технологии, а также ту часть МВВ, которая обслуживала соответствующую цепь.
Пользовательский уровень AS-i определяется системой команд,
с помощью которых пользователи могут программировать работу AS-сети.
Максимальное число узлов: 31 подчиненный, 1 главный.
· Коннекторы: монтируемые с прорезанием изоляции разъемы для плоского желтого кабеля, двухпозиционные клеммные колодки и 12-миллиметровые быстроразборные ("микро-") разъемы.
· Длина соединения: 100 метров; с ретрансляторами до 300 метров.
· Скорость передачи: 167 Кбит/с.
· Размер сообщений: 8 бит (4 входящих, 4 исходящих) на сообщение для одного узла.
· Метод обмена сообщениями: Strobing (стробирование).
· Поддерживающая организация: AS - I Trade Organization
Типичные области применения: в основном в сборочных, сварочных и транспортировочных агрегатах. Используется для однокабельного соединения многовходовых блоков датчиков, интеллектуальных датчиков, пневматических вентилей, коммутаторов и индикаторов.
Достоинства: чрезвычайная простота, дешевизна, распространенность, высокое быстродействие, подача питающего напряжения по сетевому кабелю. Превосходное средство для объединения устройств цифрового ввода/вывода.
Недостатки: плохо подходит для объединения устройств аналогового ввода/вывода; ограниченные размеры сети; слабая распространенность в Северной Америке (в настоящее время).
Примечание: недавно вышедшая новая спецификация AS-I допускает подключение 62 (вместо 31) подчиненных устройств с 4 входами и 3 выходами каждое. В настоящий момент данную спецификацию поддерживает малое число производителей, однако удовлетворяющие ей новые устройства могут использоваться наравне со старыми.
