лекция 2 презентация. Конспект лекций Структурная схема классической

• Название: Конспект лекций Структурная схема классической
• Дата: 26.04.2023
• Размер: 4.02 Mb.
• Имя файла: лекция 2 презентация.pptx
• Тип: Конспект; #1091937

Микропроцессорные средства автоматизации

Конспект лекций

Структурная схема «классической» цифровой системы управления

1 – естественный сигнал; 2 – унифицированный сигнал; 3 – внутренний цифровой интерфейс; 4 – RS-485; 5 – RS-232

ТОУ – технологический объект управления; Д – датчик; ИУ – исполнительное устройство; М Вв – модуль ввода; М Выв – модуль вывода; К – контроллер; ПИ – преобразователь интерфейса; ПК – промышленный компьютер

Определения и классификация МСА

• Микропроцессор (МП) – микроэлектронное устройство, которое осуществляет прием, обработку и выдачу информации.
• Микропроцессорная система (МПС) – совокупность взаимосвязанных устройств, включающая МП, память (ЗУ), устройства ввода-вывода и т.п.
• Микропроцессорный комплект (МПК) – совокупность интегральных схем, совместимых по электрическим, информационным и конструктивным параметрам и предназначенных для построения микропроцессорных систем
• Мультипроцессорная система (ММПС) –образуется объединением некоторого количества универсальных или специализированных МП, для обеспечения параллельной обработки информации
• МикроЭВМ (МЭВМ) – конструктивно завершенная МПС имеющая устройства связи с внешними устройствами, панель управления, собственный источник питания и комплект программного обеспечения

Определения и классификация МСА

• Микроконтроллер (МК) – устройство, выполняющее функции логического анализа (сложные последовательности логических операций) и управления; реализуется на одном или нескольких кристаллах
• Однокристальный микроконтроллер (ОМК) – микропроцессорное устройство, конструктивно выполненное в одном корпусе БИС и содержащее все основные составные части МПК
• Программируемый логический контроллер (ПЛК) – цифровая электронная система, предназначенная для применения в промышленных условиях. ПК использует программируемое запоминающее устройство для внутреннего хранения ориентированных на пользователя инструкций, для выполнения специальных функций, таких как логические, упорядочения, отсчета времени, математические действия, управление через цифровые или аналоговые входы и выходы различными типами механизмов или процессов. ПК и связанные с ним периферийные устройства разрабатывают так, чтобы они могли быть легко интегрированы в промышленную систему управления.
• Микропроцессорная автоматическая система (МПАС) – автоматическая система со встроенными средствами микропроцессорной техники (МТ)

Рис. 1.1. Микропроцессорная автоматическая система

Рис. 1.2. Общая схема МПАС

MUX – мультиплексор; DMUX – демультиплексор;

ПИП – первичный измерительный преобразователь;

ИУ – исполнительное устройство;

МЦАП, МАЦП – многоканальные ЦАП и АЦП соответственно,

совмещающие в себе функции одноканальных ЦАП, АЦП,

а также демультиплексоров и мультиплексоров соответственно

• Линия связи (Interchange Circuit) – физическая среда, предназначенная для переноса информации
• Канал передачи данных (Data Transmission Channel) – совокупность физической среды и технических средств, участвующих в процессе передачи информации
• Формирователь (Driver) – передатчик двоичных цифровых сигналов.
• Оконечная нагрузка (Terminator) –приемник двоичных цифровых сигналов.
• Вентильные схемы – электронные ключевые схемы, предназначенные для управления потоком информации
• Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) –преобразователь непрерывных сигналов в цифровую форму
• Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) –преобразователь цифровых сигналов в непрерывную форму представления

Формы представления информации

В качестве носителя информации используется изменение напряжения постоянного тока.

Две формы представления значения переменной

X= 1845 единиц

• в виде одного сигнала
• 1,845 В – масштаб - 0,001 В/ед. или
• 9,225 В – масштаб -0,005 В/ед.
• в виде конечного числа сигналов
• 1 – 0123456789
• 8 – 0123456789
• 4 – 0123456789
• 5 – 0123456789

Способы представления дискретной информации

• Число 371 можно записать в виде
•  3×102+7×101+1×100 = (371)10 ,

 где цифры имеют вес 10n.

• В двоичной системе счисления
•  256+0+64+32+16+0+0+2+1 = = 1×28+0×27+1×26+1×25+1×24+0×23+0×22+1×21+

+1×20 = (101110011)2=(371)10 ,

 где цифры имеют вес 2n.

Двоичное число из 16 бит

Графическое изображение двоичного сигнала

Регистры, шины и вентильные схемы

Преобразование чисел

Если число 1001 0101 0011 1000 двоичное, то десятичный эквивалент (1001 0101 0011 1000)2= (38200)10 в 4 раза больше десятичного эквивалента двоично-десятичного числа

(1001 0101 0011 1000)2-10 = (9538)10.

Булевы функции

• Булевой функцией n переменных x1, x2, …, xn называется функция

F = f(x1, x2, …, xn),

• где xi = 0 или 1; F = 0 или 1, переменные объединены конечным числом булевых операций отрицания, конъюнкции и дизъюнкции
• Область определения булевой функции n переменных – совокупность всевозможных n - мерных наборов. Функция n переменных определяется на N = 2n наборах.

Булевы функции

• Старшинство булевых операций: отрицание, конъюнкция, дизъюнкция.
• Несущественный набор – набор, на котором функция принимает неопределенное значение
• Полностью определенная булева функция – определена на всем множестве наборов
• Частично определенная булева функция –содержит несущественные наборы

Основные логические функции

Основные логические функции Таблицы истинности

Равносильные преобразования

Равносильные преобразования

Равносильные преобразования

• Пример. Пусть работа объекта контролируется тремя датчиками. Условия работы системы: на выходе логического устройства должен появиться сигнал, приводящий в действие исполнительный элемент X, если на вход поступают два из трех любых сигналов или все три сигнала (мажоритарная функция, схема голосования два из трех).

Многотактные системы дискретной автоматики

Промышленные сети

• Промышленная сеть – среда передачи данных. Включает набор стандартных протоколов обмена данными и физический интерфейс связи
• Промышленные сети применяются на уровне устройств, обслуживающих реальный процесс производства и переработки материалов

Промышленные сети

Требования к «идеальной» промышленной сети:

• производительность;
• предсказуемость времени доставки информации;
• помехоустойчивость;
• доступность и простота организации физического канала;
• работа на длинных линиях;
• максимальный сервис для приложений верхнего уровня;
• минимальная стоимость устройств аппаратной реализации;
• возможность получения «распределенного интеллекта»;
• управляемость и самовосстановление;
• надежность физического и канального уровней;
• наличие специальных высоконадежных механических соединительных компонентов;
• обеспечение функций реального времени

Промышленные сети

• Предпочтительность сетевого решения как средства транспортировки данных можно оценить по следующей группе критериев:
• объем передаваемых полезных данных;
• время передачи фиксированного объема данных;
• удовлетворение требованиям задач реального времени;
• максимальная длина шины;
• допустимое число узлов на шине;
• помехозащищенность;
• денежные затраты в расчете на узел

Промышленные сети

Различают следующие типы сетей:

• локальные сети (LAN – Local Area Networks) – расположены на ограниченной территории;
• городские сети (MAN – Metropolitan Area Networks) – предназначены для обслуживания территории крупных городов. Эти сети связывают локальные сети в масштабах города и обеспечивают их выход в глобальные сети;
• глобальные сети (WAN – Wide Area Networks) – объединяют территориально удаленных пользователей на большой территории

Промышленные сети

Открытые промышленные сети – сети, на которые распространяются международные стандарты промышленных сетей.

• Сеть считается открытой, если она удовлетворяет следующим критериям:
• наличием полных опубликованных спецификаций;
• наличием доступных компонентов от ряда независимых поставщиков;
• организацией хорошо определенного процесса ратификации возможных дополнений к стандартам и спецификациям.

Промышленные сети

Промышленные сети, в зависимости от области применения подразделяются на два уровня:

• контроллерные сети (Field level) – промышленные сети этого уровня используются для управления процессом производства, сбором и обработкой данных на уровне промышленных контроллеров;
• сенсорные сети (Sensor/actuator level) или сети низовой автоматики – применяются для опроса датчиков и управления работой исполнительных устройств.

Промышленные сети

Сравнительные характеристики сетей типов Fieldbus и Sensor bus

Промышленные сети

Типичные промышленные сети контроллерного уровня:

• PROFIBUS (Process Field Bus);
• Modbus Plus;
• ControlNet.

Типичные сети низовой автоматики:

• HART;
• Modbus;
• ASI (Actuator/Sensor Interface)
• DeviceNet.

Промышленные сети

Промышленные сети

Классификация сетей

Промышленные сети

Типы соединений в узлах систем

Промышленные сети

Топология «шина»

Топология «кольцо»

Топология «звезда»

Промышленные сети

Критериальное сравнение топологий

Аппаратные интерфейсы ПК

Стандарт EIA RS-232C
Скорость передачи, макс., Кбит/с	115
Расстояние передачи, макс., м	15
Характер сигнала	несимметричный по напряжению
Количество передатчиков	1
Количество приемников	1
Схема соединения	полный дуплекс, от точки к точке

Аппаратные интерфейсы ПК

Соединение портов

Структура байта

Аппаратные интерфейсы ПК

Пример сигналов RS-232C

Названия скоростей и поддерживаемые версии USB
	Low-Speed	Full-Speed	High-Speed	Super Speed
USB 1.0			–	–
USB 1.1			–	–
USB 2.0				–
USB 3.0				

Пропускная способность
	Low-Speed	Full-Speed	High-Speed	Super Speed
Максимальная пропускная способность, МБ/с	0,1875	1,5	60	625
Максимальная пропускная способность, Мбит/с	1,5	12	480	5000

Кабель USB 1.0 и 2.0

Кабель USB 3.0

Кодирование NRZI

а) без добавления бита; б) с добавлением бита

• Особенности работы УАПП
• наличие программно управляемого тактового генератора, специализированного только для обслуживания UART, обеспечивающего большой набор тактовых частот и возможность передачи данных на высоких частотах даже при низкой системной тактовой частоте;
• способность работы в дуплексном режиме;
• возможность передавать как 8-и, так и 9-битные данные;
• фильтрация помех на входе путем многократного опроса каждого бита;
• аппаратная фиксация ошибок переполнения и кадрирования (ложный стоп-бит) при приеме данных;
• формирование трех различных прерываний с индивидуальными адресами векторов прерывания: при завершении передачи (Tx Complete), при завершении приема (Rx Complete) и при освобождении регистра данных передатчика (Tx Data Register Empty).

Формат передачи данных

Структурная схема передатчика

Структурная схема приемника

Пример чтения кадра

Электрический сигнал интерфейса RS-485

Параметры интерфейса RS-485
Допустимое число передатчиков / приемников	32 / 32
Максимальная длина кабеля, м	1200
Максимальная скорость связи, Мбит/с	10
Диапазон напряжений «1» передатчика, В	+1,5...+6
Диапазон напряжений «0» передатчика, В	̶ 1,5... ̶̶̶ 6
Пороговый диапазон чувствительности приемника, мВ	±200
Допустимое сопротивление нагрузки передатчика, Ом	54
Входное сопротивление приемника, кОм	12

Приемопередатчик RS-485

Подключение приемопередатчика к микроконтроллеру

Линия связи интерфейса RS-485

Схема подключения преобразователя АС4

Технические характеристики преобразователя АС4

Питание
Постоянное напряжение (на шине USB)	4,75…5,25 В
Потребляемая мощность	не более 0,5 ВА
Допустимое напряжение гальванической изоляции входов	не менее 1500 В
Интерфейс USB
Стандарт интерфейса	USB 2.0
Длина линии связи с внешним устройством	не более 3 м
Скорость обмена данными	до 115200 бит/с
Используемые линии передачи данных	А (D+), В (D–)
Интерфейс RS-485
Стандарт интерфейса	TIA/EIA-485
Длина линии связи с внешним устройством	не более 1200 м
Количество приборов в сети: – без использования усилителя сигнала – с использованием усилителя сигнала	не более 32 не более 256
Используемые линии передачи данных	А (D+), В (D–)

Интерфейс «Токовая петля»

№	Наименование	Обозначение	Направление
1	Передаваемые данные	ПД+/ПД–	От И к П/ от П к И
2	Принимаемые данные	ПрД+/ПрД–	От П к И / от И к П
3	Готовность приемника (необязательная цепь)	ГП+/ГП–	От П к И / от И к П

Цепи интерфейса ИРПС

Формат кадра

Интерфейс «Токовая петля»

Тип петли ИРПС	Состояние	Ток, мА
40-миллиамперная токовая петля	лог. 1 / 0	30÷50 / 5÷10
20-миллиамперная токовая петля	лог. 1 / 0	15÷25 / 0÷3

Подключение ИРПС

Уровни сигналов ИРПС

Адаптер интерфейса ОВЕН АС 2

Параметр	Значение
Напряжение питания	220 В, 50 Гц
Потребляемая мощность	не более 2 ВА
Количество подключаемых приборов	до 8
Способ обмена с прибором по двухпроводной линии	токовая петля
Длина соединительной линии с прибором	не более 1000 м
Интерфейс связи с ЭВМ	RS-232
Длина линии связи с ЭВМ	не более 10 м
Габаритные размеры	150х105х65 мм
Степень защиты	IP20

Адаптер интерфейса ОВЕН АС 2

Схема подключения адаптера

Адаптер интерфейса ОВЕН АС 2

Функциональная схема канала связи

Адаптер интерфейса ОВЕН АС 2

Пример выбора 5-го канала

Протокол MODBUS

Адрес устройства

Код функции

Данные

Контрольная сумма

Стартовый бит	1	2	3	4	5	6	7	Бит четности	Стоповый бит
Стартовый бит	1	2	3	4	5	6	7	Стоповый бит	Стоповый бит

Упрощенная структура формата сообщения

Структура кадра для 7-битового режима ASCII

Структура кадра для 8-битового режима RTU

Стартовый бит	1	2	3	4	5	6	7	8	Бит четности	Стоповый бит
Стартовый бит	1	2	3	4	5	6	7	8	Стоповый бит	Стоповый бит

Протокол MODBUS

Начало	Адрес устройства	Код функции	Данные	Контрольная сумма (LRC)	Конец
1 символ (:)	2 символа	2 символа	n символов	2 символа	2 символа (CRLF)

Начало	Адрес устройства	Код функции	Данные	Контрольная сумма (CRC)	Конец
Интервал, равный времени передачи 4-х символов	8 бит	8 бит	n×8 бит	16 бит	Интервал, равный времени передачи 4 символов

Структура кадра сообщения Modbus RTU

Структура кадра сообщения Modbus ASCII

Протокол MODBUS

Адреса регистров	Описание
00001 – 10000	Дискретные выходы (чтение/запись)
10001 – 20000	Дискретные входы (чтение)
30001 – 40000	16-битовые аналоговые входы (чтение)
40001 – 50000	Регистры хранения (чтение/запись)

Таблица распределения регистров протокола Modbus

Протокол MODBUS

Уровень	Функция в модели OSI	Функция в модели Modbus
7	Прикладной уровень	Прикладной протокол Modbus
3-6	Разные функции	Нет
2	Канальный уровень	Протокол Modbus для последовательной линии связи
1	Физический уровень	RS-232C, RS-485 (EIA-232C, EIA-485)

Трехуровневая модель Modbus

Протокол MODBUS

Структура Modbus PDU

Структура кадра для режима RTU

Протокол MODBUS

Двухпроводная схема подключения

Протокол MODBUS

Четырехпроводная схема подключения

Протокол MODBUS

Уровень	Функция в модели OSI	Функция в модели Modbus
5,6,7	Прикладной уровень	Прикладной протокол Modbus
4	Транспортный уровень	Протокол управления передачей
3	Сетевой уровень	Интернет-протокол
2	Канальный уровень	IEEE 802.3
1	Физический уровень	IEEE 802.3

Пятиуровневая модель Modbus TCP для Internet

Протокол MODBUS

В модели Modbus TCP используются клиенты и серверы

Протокол MODBUS

К Modbus PDU добавляется заголовок МВАР

Идентификатор транзакции	Идентификатор протокола	Длина	Идентификатор устройства
2 байта	2 байта	2 байта	1 байт

Структура заголовка МВАР

HART-протокол

• Универсальные команды. Это команды общего назначения и используются на уровне операторских станций: код производителя устройства в сети, модель, серийный номер, краткое описание устройства, диапазоны ограничений, набор рабочих переменных.
• Команды для групп устройств: фиксация значения тока на выходном канале, сброс и т.д.
• Команды, зависящие от устройства: старт/стоп, специальные функции калибровки и т.д.

HART-протокол

Форма сигнала передачи

HART-протокол

Сигнал, переданный главным устройством	min 400 мВ; max 600 мВ
Сигнал, переданный подчиненным устройством	min 0,8 мА; max 1,2 мА
Чувствительность приемника (должен правильно принимать)	от 120 мВ до 2,0 В
Порог приемника (должен игнорировать)	от 0 мВ до 80 мВ

Уровни коммуникационного сигнала

HART-протокол

Двухпроводная схема соединения

HART-протокол

Многоточечный режим

HART-протокол

• Для связи с HART-устройствами служат следующие изделия:
• HART-коммуникатор –предназначенное для конфигурирования интеллектуальных полевых приборов;
• HART-модем – служит для связи компьютера с интеллектуальными датчиками.
• HART-мультиплексор – обеспечивает связь компьютера с 8-ю или 16-ю интеллектуальными датчиками

AS – интерфейс

Характеристика	Значение
Общая длина сегмента
без использования повторителей, м	100
с использованием повторителей, м	300
Максимальное время цикла, мс	5÷10
Скорость передачи, Кбод	до 167
Максимальное число Slave-устройств	62

AS – интерфейс

Пример структуры ASI-сети

Сеть PROFIBUS

Схема сети PROFIBUS

Сеть PROFIBUS

• PROFIBUS-DP (Decentralized Peripheral ) – распределенная периферия
• PROFIBUS-PA (Process Automation) – автоматизация процесса
• PROFIBUS-FMS (Fieldbus Message Specification) – спецификация сообщений полевого уровня.

Сеть PROFIBUS

• Сеть PROFIBUS-DP применяется для высокоскоростного обмена данными с оконечными устройствами. Протокол физического уровня базируется на стандарте RS-485. Длительность цикла опроса зависит от числа узлов в сети и для скорости обмена 1,5Мбит/с и числа станций 32 составляет не более 6 мс. Максимальная скорость обмена 12Мбит/с достигается на длине сегмента 100м, минимальная – 100 Кбит/с на длине 1200 м.

Сеть PROFIBUS

• Сеть PROFIBUS-FMS реализует протокол общего назначения, разработанный для связи контроллеров и интеллектуальных устройств. Он описывает уровни 1, 2 и 7 OSI-модели. Это универсальный протокол для решения задач по обмену данными между интеллектуальными сетевыми устройствами (контроллерами, компьютерами/программаторами, системами человеко-машинного интерфейса) на полевом уровне. Основное его назначение – передача больших объемов данных. Физический уровень базируется на стандарте RS-485.

Сеть PROFIBUS

• Сеть PROFIBUS-PA предназначена для использования в устройствах, работающих в опасных производствах. В основе протокола PA лежит протокол ISP (Interoperable Systems Project). Физический уровень реализует стандарт IEC 61158-2. Уровень 2 – это функциональное подмножество стандарта DIN 19245. Сегмент PROFIBUS-PA имеет длину до 1900 м, скорость обмена между узлами сети – 31,2 кбит/с.

Шина CAN

Стандарт	ISO 11898
Скорость передачи	1 Мбит/с (максимум)
Расстояние передачи	1000 м (максимум)
Характер сигнала	дифференциальное напряжение
Линия передачи	витая пара
Количество драйверов	64
Количество приемников	64
Схема соединения	полудуплекс, многоточечная

Характеристики шины CAN

Шина CAN

Скорость передачи, Кбит/с	1000	500	250	125	10
Максимальная длина сети, м	40	100	200	500	6000

Зависимость скорости передачи от длины сети

Логический ноль – называется доминантным битом, а логическая единица – рецессивным.

При одновременной передаче в шину логического нуля и единицы, на шине будет зарегистрирован логический ноль, а логическая единица будет подавлена

Арбитраж шины CAN

• Быстродействие CAN сети достигается благодаря механизму не деструктивного арбитража шины посредством сравнения бит конкурирующих сообщений. Т.е. если случится так, что одновременно начнут передачу несколько контроллеров, то каждый из них сравнивает бит, который собирается передать на шину с битом, который пытается передать на шину конкурирующий контроллер. Если значения этих битов равны, оба контроллера пытаются передать следующий бит. И так происходит до тех пор, пока значения передаваемых битов не окажутся различными. Теперь контроллер, который передавал логический ноль (более приоритетный сигнал) будет продолжать передачу, а другой контроллер прервёт свою передачу до того времени пока шина вновь не освободится.

Структура формата передачи данных

• Быстродействие CAN сети достигается благодаря механизму недеструктивного арбитража шины посредством сравнения бит конкурирующих сообщений. Т.е. если случится так, что одновременно начнут передачу несколько контроллеров, то каждый из них сравнивает бит, который собирается передать на шину с битом, который пытается передать на шину конкурирующий контроллер. Если значения этих битов равны, оба контроллера пытаются передать следующий бит. И так происходит до тех пор, пока значения передаваемых битов не окажутся различными. Теперь контроллер, который передавал логический ноль (более приоритетный сигнал) будет продолжать передачу, а другой контроллер прервёт свою передачу до того времени пока шина вновь не освободится.

Форматы кадра

• В CAN существуют четыре типа сообщений:
• Data Frame
• Remote Frame
• Error Frame
• Overload Frame

Форматы кадра

• Data Frame – это наиболее часто используемый тип сообщения. Он состоит из следующих основных частей: поле арбитража (arbitration field) определяет приоритет сообщения в случае, когда два или более узлов одновременно пытаются передать данные в сеть
• Поле арбитража состоит в свою очередь из:
• для стандарта CAN-2.0A, 11-битного идентификатора + 1 бит RTR (retransmit);
• для стандарта CAN-2.0B, 29-битного идентификатора + 1 бит RTR (retransmit).

Форматы кадра

• Remote Frame - это Data Frame без поля данных и с выставленным битом RTR (1 - рецессивные бит). Основное предназначение Remote кадра - это инициация одним из узлов сети передачи в сеть данных другим узлом. Такая схема позволяет уменьшить суммарный трафик сети. Однако, на практике Remote Frame сейчас используется редко (например, в DeviceNet Remote Frame вовсе не используется).

Форматы кадра

• Error Frame - это сообщение, которое явно нарушает формат сообщения CAN. Передача такого сообщения приводит к тому, что все узлы сети регистрируют ошибку формата CAN-кадра, и в свою очередь автоматически передают в сеть Error Frame. Результатом этого процесса является автоматическая повторная передача данных в сеть передающим узлом. Error Frame состоит из поля Error Flag, которое состоит из 6 бит одинакового значения (и таким образом Error frame нарушает проверку Bit Stuffing, см. ниже), и поля Error Delimiter, состоящее из 8 рецессивных битов. Error Delimiter дает возможность другим узлам сети обнаружив Error Frame послать в сеть свой Error Flag

Форматы кадра

• Overload Frame - повторяет структуру и логику работы Error кадра, с той разницей, что он используется перегруженным узлом, который в данный момент не может обработать поступающее сообщение, и поэтому просит при помощи Overload-кадра о повторной передаче данных. В настоящее время Overload-кадр практически не используется

• Стандарт CAN определяет следующие методы обнаружения ошибок в сети CAN:
• Check Bit monitoring
• Bit stuffing
• Frame check
• ACKnowledgement Check
• Check CRC

• Check Bit monitoring - каждый узел во время передачи битов в сеть сравнивает значение передаваемого им бита со значением бита которое появляется на шине. Если эти значения не совпадают, то узел генерирует ошибку Bit Error. Естественно, что во время арбитража на шине (передача поля арбитража в шину) этот механизм проверки ошибок отключается.
• Bit stuffing - когда узел передает последовательно в шину 5 бит с одинаковым значением, то он добавляет шестой бит с противоположным значением. Принимающие узлы этот дополнительный бит удаляют. Если узел обнаруживает на шине больше 5 последовательных бит с одинаковым значением, то он генерирует ошибку Stuff Error

• Frame Check - некоторые части CAN-сообщения имеют одинаковое значение во всех типах сообщений. Т.е. протокол CAN точно определяет какие уровни напряжения и когда должны появляться на шине. Если формат сообщений нарушается, то узлы генерируют ошибку Form Error.
• ACKnowledgement Check - каждый узел получив правильное сообщение по сети посылает в сеть доминантный (0) бит. Если же этого не происходит, то передающий узел регистрирует ошибку Acknowledgement Error.
• CRC Check - каждое сообщение CAN содержит CRC сумму, и каждый принимающий узел подсчитывает значение CRC для каждого полученного сообщения. Если подсчитанное значение CRC суммы, не совпадает со значением CRC в теле сообщения, принимающий узел генерирует ошибку CRC Error

• Каждый узел сети CAN, во время работы пытается обнаружить одну из пяти возможных ошибок. Если ошибка обнаружена, узел передает в сеть Error Frame, разрушая тем самым весь текущий трафик сети (передачу и прием текущего сообщения). Все остальные узлы обнаруживают Error Frame и принимают соответствующие действия (сбрасывают принятое сообщение).
• Кроме того, каждый узел ведет два счетчика ошибок:
• Transmit Error Counter (счетчик ошибок передачи) и
• Receive Error Counter (счетчик ошибок приема)

HLP - протокол верхнего уровня

• Протоколы верхнего уровня - CAN HLP
• CAL/ CANopen,
• CAN Kingdom,
• DeviceNet и
• SDS (Smart Distributed System)

HLP  CANopen

• CANopen базируется на двух уровнях стандарта CAN (ISO 11898, Bosch CAN Specification 2.0 A/B). В дополнение к спецификациям физического уровня ISO 11898 (среда передачи данных двухпроводная дифференциальная линия), CANopen содержит собственные правила битового квантования, а также определяет три рекомендуемых типа соединителей. Разводкой контактов для всех типов соединителей предусмотрена возможность подачи питания на трансиверы узлов, имеющих гальваническую развязку. В сети CANopen определены восемь градаций скоростей передачи данных: 1 Мбит/с, 800, 500, 250, 125, 50, 20 и 10 Кбит/с.

HLP  CAN Kingdom

• Краеугольным камнем концепции сетевого взаимодействия CAN Kingdom является принцип: «модули обслуживают сеть» (MSN Modules Serves the Network) в отличие от принципа «сеть обслуживает пользователей» (NSM Network Serves the Modules), свойственного компьютерным сетям.
• В сеть CAN Kingdom не существует каких-либо рекомендуемых скоростей передачи данных. Но за первые 200 мс после подачи питания узел обязан настроиться на прослушивание шины на скорости 125 Кбит/ с

• Сеть DeviceNet имеет шинную топологию с отводами. Физической средой передачи является 4- проводной кабель (CAN_H, CAN_L, Vcc, Ground), причем возможны две его разновидности: толстый (внешний диаметр 12,2 мм) и тонкий (6,9 мм). Определены лишь три значения скорости передачи данных 125, 250 и 500 кбит/с.
• Имеется возможность питания модулей от сетевого кабеля (24 В, до 8 А на толстом кабеле), а также допускается применение нескольких источников питания в любой точке шины.

• Сеть DeviceNet допускает «горячее» подключение и отключение модулей. Стандарт DeviceNet содержит также подробное описание многочисленных типов переходников, разветвителей (одиночных и многопортовых), соединителей (Mini, Micro), сетевых отводов и т. п. При описании организации типов данных, сетевого поведения модулей в DeviceNet используется объектно-ориентированная модель.
• Максимальное число узлов в сети DeviceNet 64.

• SDS представляет недорогое и законченное решение для сетевого управления интеллектуальными датчиками и актуаторами от центрального контроллера в системах промышленной автоматизации.
• Шинная топология SDS представляет собой линейную шину (магистраль или транк) с короткими отводами.

• Определены два базовых типа кабельной разводки:
• Mini  (применяемый при сборке транка сети) 4-проводной кабель с максимальной токовой нагрузкой 8 А, 5-контактный разъем;
• Micro (для подключения физических устройств к сети) 4-проводной кабель, 3 А, 4-контактный разъем без отдельного контакта для экрана кабеля.
• Всеми типами кабельной разводки и соединителей предусмотрено подведение питающего напряжения к узлам.

• Сеть SDS требует наличия единственного мастера-менеджера сети как минимум на этапе включения для выполнения автонастройки скорости передачи модулей.
• В процессе работы сети допускается наличие нескольких мастеров на шине, но они должны функционировать в пределах своих адресных доменов, а при включении сети только один из них может брать на себя функцию сетевого менеджера для автонастройки скорости устройств.

• Сеть Foundation Fieldbus представляет собой открытый протокол, позволяющий использовать программно-аппаратные средства различных производителей.
• Стандарт определяет два уровня сети. На нижнем уровне (H1) в качестве физической среды передачи данных за основу взят стандарт IEC 61158-2.

• Стандарт IEC 61158-2 позволяет питать датчики непосредственно от канала связи. Скорость передачи на уровне H1 составляет 31,25 Кбит/с, длина соединения до 1900 м
• На верхнем уровне (протокол Н2) используется Foundation Fieldbus HSE, основанный на сети Fast Ethernet со скоростью передачи 100 Мбит/с.

• В стандарте Foundation Fieldbus определен дополнительный пользовательский уровень (User Level), позволяющий, применяя определенные функциональные блоки, строить промышленные сети с распределенным интеллектом.
• Поддерживается до 65000 сегментов, максимальное число узлов составляет 240 на сегмент.

• Методы обмена сообщениями:
• клиент/сервер (Client/Server);
• издатель/подписчик (Publisher/Subscriber);
• уведомление о событиях (Event Notification).
• Сеть Foundation Fieldbus может быть использована в качестве полной замены аналогового стандарта токовой петли 4÷20 мА.

• Телефонный канал занимает полосу частот от 380 до 3480 Гц. Полоса делится на частотные каналы для передачи (1, 2, 6, 8, 13 и 26 каналов). Скорость передачи данных составляет от 600 до 9600 бод.
• Коаксиальный кабель. Широко использовался вариант 10Base2 на «тонком» коаксиальном кабеле Thin Net. К достоинствам коаксиального кабеля следует отнести сравнительно большое расстояние передачи информации до 10 км, к недостаткам - сложность в монтаже и высокую стоимость.

• Витая пара. Наиболее распространенная физическая среда для построения современных сетей

По наличию экрана, различают следующие типы кабелей:

• Незащищенная витая пара (UTP)  витые пары кабеля не имеют экранирования;
• Фольгированная витая пара (FTP)  витые пары кабеля имеют общий экран из фольги;
• Защищенная витая пара (STP)  каждая пара кабеля имеет собственный экран.

• Кабель UTP подразделяют на ряд категорий:
• Категория 3 (EIA-568A) используется в диапазоне частот до 16 МГц.
• Категория 4 (EIA-568A) используется в диапазоне частот до 20 МГц. Обладает высокой помехоустойчивостью и низкими потерями.
• Категория 5 (TP-PMD) используется в диапазоне частот до 100 МГц для высокоскоростной связи. Скорость передачи до 100 Мбит/с (протокол FDDI), до 155 Мбит/с (протокол ATM) или до 1000 Мбит/с (протокол Gigabit Ethernet)

• Оптоволоконный кабель. Преимущества волоконно-оптических линий связи (ВОЛС):
• нечувствительность к внешним магнитным полям, колебаниям температуры и влажности;
• высокая пропускная способность (> 30 Гбит/с);
• малое затухание в полосе частот (до 0,2 дБ/км);
• отсутствие коротких замыканий;
• малые габариты и масса.
• Различают 3 типа волоконных световодов:
• многомодовый световод со ступенчатым изменением показателя преломления (ПП);
• многомодовый световод с плавным изменением ПП;
• одномодовый световод

• Радиоканал. Служит для организации обмена информацией со значительно удаленными сегментами систем управления. Передача информации организуется с использованием радиомодемов, работающих на базе GSM-технологии.
• Использование радиоканала нецелесообразно внутри предприятия, где на него воздействуют сильные помехи, вызванные работой оборудования.
• К недостаткам радиоканала относят высокую стоимость приемо-передающих устройств, низкую помехозащищенность и трудности в обеспечении секретности передаваемой информации.
• Инфракрасный канал (IR Connection стандарт IrDA 1.1)  осуществляет беспроводную связь между двумя устройствами на расстоянии до нескольких метров. На ИК–канал не влияют электромагнитные помехи, что позволяет использование в производственных условиях. Скорость обмена от 115,2 Кбит/с до 5 Мбит/с. Недостатки ИК–канала: высокая стоимость передатчиков и приемников; трудность обеспечения секретности информации.

Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) – функциональный узел, однозначно преобразующий кодовые комбинации цифрового сигнала в значения аналогового сигнала

где Uоп – опорное напряжение; X {х1, х2, .... хn} – цифровой код; х принимает значение 0 или 1.

Цифро-аналоговое преобразование состоит в суммировании эталонных значений напряжения, соответствующих разрядам входного кода для которых в соответствующих разрядах стоит единица

В ЦАП используется три основных двоичных кода: прямой (а), смещенный (б), дополнительный(в)

• Прямой код удобен при преобразовании сигналов следящих систем, так как при переходе через нуль не меняются старшие разряды кода. В нем используется знаковый разряд.
• Смещенный код исключает применение коммутирующих элементов из схемы ЦАП, является наиболее простым для реализации.
• В дополнительном коде положительные числа преобразуются так же, как в прямом коде, а отрицательные – двоичным дополнением соответствующего положительного числа.

Основные параметры ЦАП:

• Разрешающая способность  определяется количеством двоичных разрядов входного кода;
• Точность  наибольшее значение отклонения аналогового сигнала от расчетного. Обычно выражается в виде половины уровня сигнала, соответствующего младшему значащему разряду (МЗР);

Основные параметры ЦАП:

• Нелинейность  характеризуется максимальным отклонением линейно-нарастающего выходного напряжения от прямой линии, соединяющей точки нуля и максимального выходного сигнала (обычно не выше ±1/2 значения МЗР).
• Время преобразования или установления  определяется интервалом времени от момента подачи цифрового сигнала до момента достижения выходным сигналом установившегося значения.

Резистивная матрица с весовыми резисторами

Существенный недостаток – широкий диапазон сопротивлений и высокая требуемая точность, особенно при большом числе разрядов входного кода

Резистивная матрица с сеткой R–2R

Используются резисторы двух номиналов. Формирование тока, соответствующего данному разряду, осуществляется за счет последовательных и параллельных сопротивлений.

При переходе от старшего разряда к младшему ток изменяется в два раза, как в предыдущей схеме

• Токовые ключи для быстродействующих ЦАП строятся на биполярных транзисторах, для преобразователей среднего и низкого быстродействия широко применяются ключи на КМОП–транзисторах.
• Выходным усилителем обычно служит операционный усилитель, который суммирует разрядные токи.

Напряжение на выходе ОУ пропорциональное входному коду:

Rоу – сопротивление обратной связи ОУ; N – входной код

Структурная схема ЦАП

• АЦП  устройство, осуществляющее переход от информации в аналоговой форме в цифровую форму

Структурная схема АЦП

• В преобразователе происходит квантование входного напряжения на конечное число дискретных уровней

• Основные параметры АЦП:
• разрядность;
• точность преобразования, зависящая от шага квантования и ошибок, вносимых основными узлами АЦП;
• время преобразования, необходимое для представления мгновенного значения аналогового сигнала в цифровой форме

АЦП последовательного счета с ЦАП в цепи обратной связи

АЦП с двойным интегрированием функциональная схема

АЦП с двойным интегрированием вpeменные диаграммы

Метод последовательного счета

T – период тактовой частоты; n – число разрядов в счетчике

Метод поразрядного кодирования

Метод считывания

В преобразователе 2n – 1 опорных напряжений формируются с помощью резистивного делителя. Преобразование производится за два такта, время преобразования 10…100 нс.