Технические науки/12. Автоматизированные системы

управления на производстве

Герасимчук Д.В., бакалавр

Донецкий национальный технический университет, Украина

Использование однопроводных сетей для построения систем контроля и управления

Однопроводная сеть 1-Wire, работающая под управлением протокола MicroLAN была разработана фирмой Dallas Semiconductor для использования в средствах автоматической идентификации и контроля доступа (технология iButtons). В связи с тем, что протокол показал себя как простое и в тоже время очень эффективное и надежное средство для построения сети передачи информации, сфера его применения была расширена и в область сбора информации в распределенных системах, контроля технологических процессов и т.п.

С помощью протокола MicroLAN можно построить сеть протяженностью до 300м, включающую один ведущий прибор и более 4000 "интеллектуальных" датчиков. При этом в качестве линии связи используется телефонный кабель, а питание датчиков может осуществляться с линии данных, поэтому необходимо всего два провода – линия данных и возвратный. Компоненты сети 1-Wire – датчики и линия связи имеют невысокую стоимость, в качестве ведущего сети может быть использован микроконтроллер или персональный компьютер, поэтому такая сеть будет обладать еще одним немаловажным достоинством – низкой стоимостью. Так как данные в сети, работающей под управлением протокола MicroLAN, передаются по одному проводу, она была названа 1-проводной сетью.

Фирмой Dallas Semiconductor выпускаются устройства, совместимые с протоколом MicroLAN, так называемые интеллектуальные датчики. Это полностью автономные приборы, опрашивая которые ведущий сети 1-Wire может узнать текущие значения контролируемых ими параметров, изменить режим работы. В настоящее время доступны датчики температуры, цифровые термостаты, часы/календари реального времени, приборы мониторинга элементов питания, аналогово-цифровые преобразователи. Кроме того, существуют специальные адаптеры, позволяющие подключить в качестве ведущего персональный компьютер, а также выпускаются устройства, способные служить ведущими в сети 1-Wire.

Можно выделить также отдельный класс устройств, позволяющих получить сети древовидной структуры – это адресуемые ключи. Каждый адресуемый ключ позволяет подключить, по крайней мере, одну ветвь сети 1-Wire. В момент начала работы сети 1-Wire фактически к ней подключены только устройства центральной ветви. Когда ведущий сети обращается к адресуемому ключу, он открывается, и становятся доступны приборы, подключенные к боковой ветви, при этом все остальные приборы отключаются. Такая концепция позволяет значительно снизить нагрузку на сеть и получить возможность подключения очень большого числа устройств.

Другой особенностью протокола MicroLAN является возможность динамического изменения сети. Так как протокол разрабатывался как средство автоматической идентификации и контроля доступа, то он был рассчитан на то, что структура сети будет постоянно изменяться. Например, специальный прибор, содержащий уникальную электронную метку, оформлен в виде кольца (рис. 1). Он может использоваться для организации доступа определенного лица в помещение или группу помещений, получения информации о владельце и т.п.

Рисунок 1 - Кольцо, содержащее электронную метку

Протокол MicroLAN достаточно прост в реализации, поэтому не составляет затруднений изготовление приборов и датчиков, совместимых с этим протоколом. Необходимость в нестандартных датчиках может возникать довольно часто, так как на настоящий момент серийно выпускаются только датчики контроля температуры. Функциональная схема нестандартного датчика изображена на рисунке 2. Он может быть реализован на основе любого микроконтроллера, способного поддерживать необходимую скорость обмена данными (максимум 16.3Кбит/с).

Рисунок 2 - Функциональная схема нестандартного датчика

Рассмотрим сетевую модель протокола MicroLAN. В нем можно выделить 5 уровней:

· физический;

· канальный;

· сетевой;

· транспортный;

· уровень представления.

Физический уровень выполняет передачу битов по физическому каналу, в данном случае по 1-проводной шине. Протокол MicroLAN использует КМОП/ТТЛ логические уровни: уровню логического нуля соответствует напряжение £0.8В, уровню логической единицы - напряжение ³2,2В.

Канальный уровень обеспечивает передачу кадра данных между любыми узлами сети. В случае сети 1-Wire передача данных возможна между ведущим шины и одним из приборов, подключенных к шине. Кроме того, данный уровень обеспечивает функции "сброса" и "обнаружения присутствия". После сброса все приборы одновременно передают сигнал присутствия, который позволяет ведущему шины сделать вывод о том, что к сети подключен хотя бы один прибор, – так как сеть 1-Wire может динамически изменять структуру, то может оказаться, что подключенных приборов нет. Скорость передачи данных в сети MicroLAN составляет 16.3Кбит/с, а в специальном режиме "перегрузки" может быть увеличена до 115.2 Кбит/с.

Сетевой уровень обеспечивает доставку данных между любыми двумя узлами сети, при этом он не берет на себя никаких обязательств по надежности передачи данных. Этот уровень обеспечивает идентификацию приборов на шине MicroLAN. Приборы идентифицируются с помощью уникальных серийных номеров, хранящихся в специальной области ПЗУ, которая имеется в каждом приборе сети 1-Wire.

Транспортный уровень обеспечивает передачу данных между любыми узлами сети с требуемым уровнем надежности. На этом уровне осуществляется передача данных и команд от ведущего шины MicroLAN к подключенным приборам. Данные кодируются с помощью 8-битного циклического избыточного кода.

В отличие от нижележащих уровней, которые имеют дело с надежной и эффективной передачей битов от отправителя к получателю, уровень представления имеет дело с внешним представлением данных. На этом уровне сеть 1-Wire может быть представлена в виде файловой системы, при этом каждое устройство соответствует одному файлу, доступному для чтения и записи.

Протокол MicroLAN и локальные сети на его основе могут быть с успехом применены для автоматизации многих технологических объектов и процессов, когда не требуется высокая скорость передачи информации и нужно контролировать множество параметров, что часто имеет место на практике.

Литература:

1. Book of DS19xx iButton Standards. . Dallas Semiconductor, 1999.

2. Application Note 106. Complex MicroLANs. Dallas Semiconductor, 2000.

3. MicroLAN. Новая концепция построения 1-проводной сети («Перспективные изделия, Выпуск 2»). Издательство ДОДЭКА, 1996г.