Применение шины CAN-Bus в распределенных системах сбора и обработки информации в реальном масштабе времени

семафора), в версии ЯТА1-22.2.4 зависят от числа балластных задач.

Примечательно, что одно и то же свойство ОС (отсутствие упорядоченного списка готовых задач) проявляется в трех разных типах характеристик быстродействия системы.

Заключение

Применение описанных методов измерения параметров быстродействия ОС позволяет оценивать временные характеристики ОСРВ, которые предоставляют возможность проводить сравнительную оценку быстродействия различных модификаций ОС Упих с целью поддержки задач РВ. Как показано выше, построение двухъядерной ОСРВ на базе ОС Упих позволяет добиться значительного улучшения характеристик системы по сравнению с базовой версией ОС Упих. Заметим, однако, что базовая версия ОС Упих разрабатывалась для решения задач, не связанных с требованиями реального времени, поэтому ее сравнительно невысокое быстродействие не следует расценивать как показатель низкого качества системы. Вместе с тем, приведенные выше результаты показывают, что использование дополнительного ядра реального времени позволяет добиться значительного улучшения характеристик быстродействия ОС

для задач, которые не нуждаются в полном наборе сервисов, предоставляемых ядром Linux, но жестко ограничены по срокам выполнения. Сочетая в себе эти качества, модификации ОС Linux позволяют строить программные системы, требующие функциональности полноценной ОС, с одной стороны, и отвечающие требованиям реального времени, с другой. Такое сочетание открывает возможность использования ОС Linux в системах, которые ранее могли работать только под управлением специализированных ОСРВ.

Литература

1.KopetzH. Real-Time Systems. Design Principles for Distributed Embedded Applications. — Dordrecht: Kluwer Academic Publishers, 1997.

2. Cloutier P., Mantegazza P., Papacharalambous S., Soanes I., Hughes S. DIAPM-RTAI position paper. {http ://www. rtai.org)^

3. Никифоров В. В., Гуцалов Н. В. Методы измерения реактивности систем реального времени // Программные продукты и системы. — 2001. — № 4.

4. Straumann Т., Open Source Real Time Operating Systems Overview. [http://www.slac.stanford.edu/econf/C011127/ WEBI001.pdf).

5. Dejan Bucar Reducing Interrupt Latency using the Cache, Royal Institute of Technology. — Sweden. — 2001.

УДК 681.325.5

ПРИМЕНЕНИЕ ШИНЫ CAN-BUS В РАСПРЕДЕЛЕННЫХ СИСТЕМАХ СБОРА И ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ В РЕАЛЬНОМ МАСШТАБЕ ВРЕМЕНИ

С. Т. Хвощ,

д-р техн. наук А. В. Л у ко в кин, инженер А. Г. Л ютов,

инженер

ЗАО «Электронная компания «ЭЛКУС»

Рассматриваются характеристики типовых, серийно выпускаемых САМ-узлов для реализации систем реального времени, в том числе бортовых с распределенным энергоснабжением, а также встраиваемых. Рассматриваются и описываются аппаратные средства сопряжения интерфейса САЫ с МИ-ЭТО- 1553В и другими специализированными шинами и магистралями информационно-управ-ляющих систем.

10

CAN-Bus

Interbus

Profibus

Рис. 1. Соотношение количества проданных устройств со встроенными средствами подключения к сетевым протоколам в промышленной автоматике

В настоящее время CAN-интерфейс широко применяется во многих информационно-управля-ющих системах, в том числе аэрокосмического профиля, требующих обеспечения сбора и обработки информации в реальном масштабе времени. Как показывает практика, в аэрокосмической области CAN-интерфейс (или CAN-Bus) чаще всего используется как связующее звено между центральной магистралью (обычно MIL-STD-1553В) и множеством вспомогательных датчиков, исполнительных механизмов и т. п., подключение которых к центральной магистрали не всегда целесообразно.

Протокол CAN, разработанный фирмой Bosch, изначально проектировался для нужд автомобильной промышленности. Однако с развитием электронной промышленности автомобиль стал представлять собой сложную систему, датчики и механизмы которой необходимо объединить в сеть, учитывая при этом, что сам автомобиль является источником различного рода серьезных помех и эксплуатируется в различных, порой крайне неблагоприятных для электроники погодных условиях. В результате в 1991 г. появилась CAN-специфика-ция фирмы Bosch, представленная на текущий момент последней версией 2.0.

Разработанный протокол оказался настолько удачным, что в настоящее время не только применяется в автомобильной отрасли, но и получил широкое распространение в информационно-уп-равляющих системах промышленной автоматизации, в робототехнике, аэрокосмической и многих других отраслях. Представленное на рис. 1 соотношение количества проданных устройств со встроенными средствами подключения к сетевым протоколам в промышленной автоматике отражает популярность CAN-Bus, заключающуюся, в основном, в преимуществе его основных технических характеристик.

Основные характеристики САЫ-Вив

На этапе проектирования выбор основных решений относительно организации информацион-но-управляющей системы во многом определяет конечные ее параметры. Ввиду предпочтений разработчиков, отдаваемых сетевому протоколу САН-Виэ и многообразию встраиваемых средств его поддержки, рассмотрим его основные характеристики.

Максимальная скорость передачи по СА^Виэ составляет 1 Мбит/с при длине линии до 40 м или 40 Кбит/с при длине линии 1000 м. При этом прак-

тически любой СА^контроллер допускает программирование скорости обмена от 1 Мбит/с до 10 Кбит/с. График зависимости скорости обмена от длины линии передачи представлен на рис. 2, откуда следует, что для локальных (по геометрии) информационно-управляющих систем обеспечивается высокая постоянная скорость обмена данными.

Арбитраж в СА^Виэ организован таким образом, что не увеличивает время реакции системы на более приоритетные сообщения, что важно при построении систем реального времени.

Отсутствие ограничения в протоколе на количество СА^узлов позволяет интегрировать в системы практически любое необходимое количество устройств, датчиков, исполнительных механизмов. Сообщения могут передаваться одному или одновременно нескольким узлам, настроенным на прием одних и тех же параметров. Адресная информация (номер параметра) содержится в сообщении и совмещена с его приоритетом. Количество байтов данных является настраиваемой величиной и изменяется в пределах от нуля до восьми.

В части реализации требований к надежности проектируемых на основе СА^Виэ информацион-но-управляющих систем, спецификацией на интерфейс предусмотрены:

— динамическое отключение от шины отказавших узлов;

— признание сообщения ошибочным для всех узлов сети, которым оно адресовалось, если хотя бы один из них принял это сообщение с ошибкой;

— осуществление подавления синфазных помех дифференциальным приемопередатчиком.

Используются стандарты: 150-015 11898 —для высокоскоростных и 130-015 11519-1 —для низкоскоростных приложений.

При организации среды распространения сигналов рекомендуется делать шлейфы минимальной длины (обычно реализация отводов производится непосредственно на разъемах подключения абонентов).

На рис. 3 приведен пример организации сети с тремя наиболее типичными структурами СА^узла:

1) микроконтроллер (со встроенным СА^кон-троллером) + СА^трансивер;

2) микроконтроллер (без встроенного СА^кон-троллера) + внешний СА^контроллер + СА^тран-сивер;

3) СА^контроллер + СА^трансивер.

V, Кбит/с

Рис. 2. График зависимости скорости обмена по САМ-Виэ от длины линии передачи

Первая и вторая структуры применяются в так называемых модулях с «интеллектом». Такие модули имеют в своем составе микроконтроллер, осуществляющий, например, сбор и предварительную обработку данных с датчиков и способный самостоятельно передать эти данные и результаты несложных вычислений по CAN-Bus. Третья структура используется для плат без «интеллекта», в которых обмен данными невозможен без управления CAN-контроллером извне.

Среда передачи данных в CAN-спецификации не определена. Понятно, что помехоустойчивость обмена по шине повышается при использовании терминального сопротивления Я, выбираемого в зависимости от типа шины. Как видно из приведенной на рис. 4 диаграммы, наилучшая помехозащищенность достигается при использовании экранированной витой пары с волновым сопротивлением 120 Ом.

Популярность и широкое применение CAN-Bus привели к тому, что на сегодняшний день все ведущие мировые производители электронных компонентов для построения информационно-управля-ющих систем, а именно Intel, Philips, Siemens, Motorola и многие другие, уже выпускают широкий спектр микросхем для организации обмена данными по протоколу CAN. Спектр выпускаемой продукции действительно очень широк —от простейших CAN-контроллеров с одним буфером на передачу и двумя на прием до мощных 16-разрядных микроконтроллеров со встроенным (а иногда и не одним) CAN-контроллером.

Обзор продукции только одного из основных производителей, фирмы Infineon (Siemens), показывает, что сегодня разработчикам предлагается целый спектр микросхем для построения информа-ционно-управляющих систем на основе протокола CAN. Это простейшие CAN-контроллеры SAE81C90 и SAE81C91, ориентированные на подключение к микроконтроллерам семейства С500 (8-разрядные) или С166 (16-разрядные) фирмы Infineon (хотя в простейшем случае наличие микроконтроллера не обязательно).

Микроконтроллеры семейства С500 (С505С, С505СА, С515С), являющиеся развитием семейства 8-разрядных микроконтроллеров MCS51 фирмы Intel, имеют встроенный CAN-контроллер, включающий 15 буферов для обмена данными. 14 буферов настраиваются на прием или передачу дан-

Рис. 4. Число искаженных кадров (на 20 ООО переданных сообщений) при использовании различных сред передачи информации:

1 — неэкранированный параллельный кабель; 2 — экранированная витая пара; 3 — неэкранированная витая пара; 4 — параллельный экранированный кабель

ных, а один буфер работает только на прием данных.

Микроконтроллеры семейства С166 (С164С, С167СЯ, С167СБ) — высокопроизводительные 16-разрядные РМБС-микроконтроллеры — также оснащены модулями СА^Виэ. Наиболее мощный на сегодняшний день микроконтроллер этого семейства С167С5-1_М имеет два встроенных СА^кон-троллера, каждый из которых включает 15 буферов (14 для приема/передачи данных и один только для приема).

В настоящее время «Электронная компания “ЭЛКУС”», отечественный производитель электронного оборудования для построения информацион-но-управляющих систем различного назначения, производит несколько серий плат с рассматриваемым СА^интерфейсом. Основные их параметры приведены в таблице.

Самые простые — платы серии САН-200. Изделия этой серии не имеют «интеллекта» и предназначены для создания простейших СА^узлов, которые используются для работы в системах без интенсивного обмена данными. Для построения более сложных систем предназначена серия плат СА^505, которые уже содержат 8-разрядный микроконтроллер С505С фирмы 1пАпеоп, полностью совместимый с семейством микроконтроллеров МСБ-51 фирмы 1п1:е1. Плата СА^505РС104 является улучшенной модификацией плат СА^505МР и СаК]-505РС. Поэтому в приведенной таблице ее характеристики представлены отдельно.

Сопряжение интерфейсов CAN и MIL-STD-1553В

Р-120 От 13=120 От

Рис. 3. Возможные способы организации сети на основе САМ-Виэ

СА^интерфейс чаще всего используется как связующее звено между центральной магистралью и множеством вспомогательных датчиков. В связи с этим возникает вопрос о сопряжении магистрали обмена по протоколу CAN с другими специализированными шинами и магистралями инфор-мационно-управляющих систем. В первую очередь возникает необходимость сопряжения интерфейса CAN с широко применяемым в нашей стране и за рубежом мультиплексным каналом МИ-ЭТО-1553В (ГОСТ 26765.52-87).

Одной из последних разработок «Электронной компании “ЭЛКУС”» является модуль 0167-311, основ-

Микроконтроллер со встроенным CAN-контроллером

CAN-трансивер

Микроконтроллер

без

CAN-контроллера

CAN-контроллер

Таблица. Основные параметры САМ-плат производства ЗАО «ЭЛКУС»*

Характеристика CAN-200PC CAN-200МР CAN-200PC104 С AN-505PC CAN-505MP CAN-505-6U CAN-505PC104 C167-3U

Число CAN-каналов 2 2 4 1 2

Максимальная скорость обмена по CAN 1 Mbit/s 1 Mbit/s 1 Mbit/s 1 Mbit/s 1 Mbit/s

Гальваническая развязка от шины CAN + + + + +

Центральное вычислительное ядро — 2 x C505CA 4 х C505CA C505CA C167CS-LM

CAN-контроллер 2 х 82С200 Встроенный Встроенный Встроенный Встроенный

CAN-трансивер 2 х 82С250 2 x 82C250 4 х 82C250 82C250 2 х 82C250

Интерфейс RS232 — — + + +

Шина ISA 8 ISA 8 VME ISA 8 -

Число занимаемых портов ввода/вывода 32 8 64 4 —

Память программ 8Кб ПЗУ (EPROM) + 24Кб ОЗУ 32Кб ПЗУ (FU\SH) + 32Кб ОЗУ или 64Кб ПЗУ (FLASH) 32Кб ПЗУ (FLASH) + 32Кб ОЗУ или 64Кб ПЗУ (FLASH) 256Кб ПЗУ (FLASH) + 256Кб ОЗУ

Память данных - 32Кб ОЗУ 32Кб ОЗУ 32Кб ОЗУ

Диапазон температур -40 + +85 “С -40 + +85 °С -40 + +85 °С -40 ++85 °С -40 н- +85 °С

Конструктив PC, MicroPC.PC 104 PC, MicroPC Евромеханика PC104 Евромеханика 3U

Дополнительные характеристики 64-разрядный регистр разовых команд MIL-STD-1553B (оконечное устройство), питание +27 В, RTC, АЦП

* Фото плат CAN-200PC, CAN-505PC104, CAN-505-6U, C167-3U представлены на обложке журнала.

ное назначение которого — сопряжение интерфейса САЫ с указанным мультиплексным каналом.

На рис. 5 представлена упрощенная структурная схема преобразования САЫ <-> МШ-БТО- 1553В. Для примера показан случай с двумя САЫ-кана-лами и одним мультиплексным каналом.

Контроллер оконечного устройства, предназначенный для подключения шины к микроконтроллеру или простейшим устройствам (регистрам и т. д.), разработан на основе микросхемы программиру-

Рис. 5. Структура устройства для сопряжения интерфейса САИ и мультиплексного канала МИ-ЭТО-! 553В

емой логики фирмы XILINX. Непосредственно преобразование данных осуществляется программно 16-разрядным высокопроизводительным микроконтроллером. Дать какие-либо рекомендации по выбору алгоритма преобразования достаточно трудно, так как устоявшегося на сегодняшний день алгоритма преобразования нет, а его структура в значительной степени зависит от требований к конкретным проектируемым информационно-управляющим системам.

Питание модуля осуществляется от одного источника+27 В. Реализация поддержки удаленного включения/выключения питания модуля делает его идеальным для применения в различных бортовых системах с распределенной системой энергоснабжения.

Кроме приведенных в таблице отметим следующие характеристики модуля C167-3U:

— наличие гальванических развязок от шины CAN и интерфейса RS-232 (напряжение изоляции 1000 В) и от линии питания+27 В (напряжение изоляции — 1500 В);

— возможность программного изменения скорости передачи;

— возможность подключения согласующего сопротивления 120 Ом, в случае, если устройство расположено в конце линии;

— наличие стартового (Bootstrap loader) загрузчика, позволяющего загружать программу по интерфейсу RS-232 в память контроллера (ОЗУ или FLASH память);

— реализация функций оконечного устройства для резервированного мультиплексного канала по ГОСТ 26765.52-87.

Указанные характеристики, а также наличие в составе модуля 16-разрядного высокопроизводительного ЯІЗС-микроконтроллера и возможность удаленного включения/выключения питания делают привлекательным его для применения в составе систем реального времени самого разнообразного назначения, в том числе и для встраиваемых приложений.

Вспомогательные средства контроля и отладки систем на основе CAN-Bus

В настоящее время (июнь 2002 г.) для поддержки разработок информационно-управляющих систем (для их контроля и отладки) на основе рассмотренных выше интерфейсных модулей предлагается переносной прибор, представленный на рис. 6.

Основные характеристики прибора следующие.

Прибор построен на базе 16-разрядного RISC-микроконтроллера C167CS-LM и имеет два канала обмена данными по протоколу CAN v2.0 (part B-active) с максимальной скоростью передачи данных 1 Мбит/с. Стартовый загрузчик позволяет загружать в память контроллера программу по интерфейсу RS-232. Память — 1 Мб - 256 Кб FU\SH (организация 128Кх1б) и 768 Кб ОЗУ (3 банка по 128Кх16). Имеются часы реального времени (RTC), выполненные на DS1305.

Гальванически прибор развязан с шиной CAN (напряжение изоляции 1000 В), с интерфейсом

Рис. 6. Внешний вид переносного прибора для контроля и отладки систем на основе САМ-Вив

Р5-232 (напряжение изоляции 1000 В). Имеется возможность подключения согласующего сопротивления 120 Ом.

Прибором аппаратно выполняется мониторинг всех напряжений питания, которое может осуществляться как от аккумуляторов, так и от внешнего источника.

Управление прибором осуществляется с помощью 45-кнопочной мембранной клавиатуры, отображение информации осуществляется на 1_СЮ-дисплее разрешением 160x80 точек с возможностью подсветки.

Прибор выполнен в пыле- и влагозащитном корпусе Arteb-865 фирмы Вор1а с габаритами 240x120x40 мм. Рабочий температурный диапазон: -10 °С ... +70 °С. Степень защиты — до 1Р65.

ИЗДАТЕЛЬСТВО «ПОЛИТЕХНИКА» ВЫПУСКАЕТ В СВЕТ

Астапкович А. М.

МИКРООПЕРАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ

Книга посвящена проблеме разработки программного обеспечения для многоканальных систем управления реального времени, ориентированных на применение во встраиваемых приложениях. Отличительной особенностью этого класса систем управления является их закрытость от возможности изменения алгоритма управления в процессе эксплуатации системы и требование к возможности функционирования устройств в необслуживаемом режиме в течение длительных интервалов времени.

Монография содержит системный анализ ситуации, сложившейся в этой области, с целью выработки практически значимых рекомендаций для инженеров-разработчиков. Базовой направленностью монографии являлась разработка основ теории операционных систем реального времени, применительно к классу встраиваемых многоканальных систем программного управления реального времени, которые получили название микрооперационные системы. Анализ существующего положения дел проводится по нескольким направлениям, каждому из которых посвящена отдельная глава.

Книга адресована прикладным программистам и инженерам-разработчикам микропроцессорных систем программного управления, научным работникам соответствующего направления, а также менеджерам проектов в области электронного инжиниринга.