Проектирование подсистем сетевого обмена данными для встраиваемых устройств управления на основе микроконтроллеров

-

Аппаратные и программные средства систем управления

УДК 004.75

А.Е. Васильев, А.И. Мурго

проектирование подсистем сетевого обмена данными для встраиваемых устройств управления на основе микроконтроллеров

Типовым подходом к технической реализации современных локальных систем управления (ЛСУ) является использование встраиваемых систем управления - специализированных программируемых устройств, обладающих минимизированными массогабаритными, стоимостными и энергетическими характеристиками, конструктивно и технологически объединенных с объектом управления. Аппаратными платформами для построения встраиваемых систем служат микроконтроллеры (МК), программируемые логические интегральные схемы и их гибриды (в частности, так называемые системы на кристалле - System on Chip). Область применения таких встраиваемых систем довольно широка -промышленная автоматика, средства связи, медицинская аппаратура, бытовая техника и др. Применение специализированных аппаратных платформ обеспечивает достижение рекордных значений показателей технико-экономической

эффективности, но предъявляет ряд специфических требований к процессу проектирования встраиваемых систем на их основе, а также к уровню квалификации разработчиков.

Важная задача, возникающая при проектировании современных систем автоматического управления (САУ), - поиск архитектурных решений, обеспечивающих возможность информационного взаимодействия совокупности локальных систем управления (ЛСУ), что позволяет создавать иерархически организованные, территориально распределенные и мобильные САУ (рис. 1).

К настоящему времени разработано множество технологий, обеспечивающих возможность построения распределенных САУ, в состав которых входят программируемые контроллеры, датчики и исполнительные устройства. Сетевое взаимодействие перечисленных элементов осуществляется, как правило, посредством специализированных решений, таких, как РтийЬш,

Рис. 1. Пример организации распределенной САУ

Modbus, Interbus, ControlNet, DeviceNet, P-NET, WorldFIP и др. [1].

Между тем все большую значимость для распределенных систем управления приобретают требования простоты развертывания и обслуживания, а также соответствия стандартам информационных сетей общего назначения. Последнее позволяет обеспечить единство информационной структуры промышленного производства, обеспечивающей совместную работу программно-аппаратных средств автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУ ТП) и автоматизированных систем управления предприятием (АСУП). Актуальность такого подхода обусловливается растущей потребностью использования оперативных производственных данных в бухгалтерском учете, системах планирования и управления ресурсами (ERP), программах инвентаризации и т. п. Современные АСУП используют для коммуникаций сети Ethernet и протоколы TCP/IP, а информационные системы -технологии Internet.

Техническая и экономическая целесообразность такого направления развития убедительно иллюстрируется интенсивными работами (в частности, групп ODVA, Echelon, Beckhoff, Schneider Electric и др.) по внедрению технологии Ethernet на производстве, применению широко распространенных сетевых протоколов для интеграции АСУП и АСУ ТП. На основе Ethernet-стандартов разрабатываются решения для применения в промышленности (PROFINET, EtherNet/IP, EtherCAT и др.) [2-4].

Становится также всё более популярной концепция micro-web серверов, реализованных непосредственно на встраиваемых устройствах, что

обеспечивает управление локальными системами и их мониторинг посредством Internet-доступа.

В связи с перечисленными выше тенденциями возникает потребность предоставить в распоряжение разработчика микроконтроллерных ЛСУ средства, обеспечивающие возможность создания подсистем доступа в сеть Ethernet со стороны ЛСУ и поддерживающие обмен данными между ЛСУ посредством стандартных сетевых решений [5].

На сегодняшний день можно выделить два рода технических решений, обеспечивающих поддержку технологии Ethernet для встраиваемых ЛСУ: первый - микроконтроллерные системы с интегрированными на кристалл устройствами сетевого обмена; второй - внешние по отношению к целевому МК специализированные модули сопряжения.

Рассмотрим характерных представителей обеих групп.

Так, компания Atmel предлагает несколько подсемейств микроконтроллеров, ориентированных на сетевые приложения и имеющих особое периферийное устройство - Ethernet MAC-контроллер. К таким микроконтроллерам относится, в частности, AT32UC3A0128, поддерживающий скорость сетевого обмена 10 и 100 Мбит/с.

Важно отметить, что в данном микроконтроллере отсутствует аппаратная реализация физического уровня взаимодействия, в связи с чем для подключения ЛСУ к сети необходим внешний аппаратный драйвер Ethernet (рис. 2).

К достоинствам решений первого рода относится высокая пропускная способность цепочки «целевое приложение - сетевой абонент», к не-

Микроконтроллер

Atmel AT32UC3A0128

Контроллер

Ethernet

MAC 802.3

Аппаратный

драйвер Ethernet Phy

Согласую- Разъем

щнй транс - RJ45

форматор

В сеть Ethernet

Рис. 2. Подключение МК со встроенным MAC-контроллером к Ethernet

Аппаратные и программные средства систем управления

Рис. 3. Подключение МК к Ethernet с применением модуля WizNet

достаткам - ограниченность номенклатуры таких микроконтроллеров и, как следствие, ограниченность применения подобных решений в ЛСУ.

Представители второй группы решений, обеспечивающих поддержку сетевого взаимодействия, как правило, имеют аппаратно реализованный физический уровень 10Base-T и различаются количеством поддерживаемых протоколов. Следует отметить, что широта их номенклатуры является важным преимуществом, т. к. аппаратная реализация протоколов в специализированном модуле не требует затрат памяти и вычислительных ресурсов процессорного ядра основного микроконтроллера на их программную реализацию.

К достоинствам решений второго рода относится высокая степень универсальности (возможность применения практически в любой микроконтроллерной ЛСУ), к недостаткам -ограничения целевой пропускной способности, накладываемые применением относительно низкоскоростных шин внутриприборного обмена.

В качестве примера таких решений укажем модуль WIZ810MJ компании WIZnet, представляющий собой сетевой контроллер с аппаратной реализацией как физического уровня, так и протоколов транспортного, сетевого и канального уровней - TCP, UDP, IPv4, ICMP, ARP, IGMP и MAC.

К особенностям аппаратуры модуля относятся применяемые для связи с МК внутрипри-борные интерфейсы Direct Bus, Indirect Bus, SPI, а также наличие встроенного буфера обмена на основе статической памяти.

Схема подключения ЛСУ к Ethernet с применением этого модуля показана на рис. 3.

Очевидно, что модуль WIZ810MJ является пригодным для построения универсальных распределенных встраиваемых систем управления; рассматриваемые ниже практические решения основаны на его применении.

В лаборатории встраиваемых интеллектуальных систем управления авторами статьи разработан базовый вариант комплекса средств поддержки проектирования подсистем сетевого обмена данными для микроконтроллерных устройств.

В состав комплекса (рис. 4) входят:

• инструментальная ЭВМ, содержащая среду разработки Shell51 (для проектирования и отладки программного обеспечения (ПО) микроконтроллеров семейства MCS-51), библиотеки программ-драйверов для микроконтроллера, тестовую программу-клиент Conn51 и библиотеку программных модулей для разработки целевого клиентского ПО;

• управляющий микроконтроллер семейства MCS-51 фирмы Infineon [6], являющийся ядром целевой ЛСУ и непосредственно выполняющий действия по управлению целевым объектом;

• модуль сопряжения со средой кабельной передачи данных в формате Ethernet на основе сетевого процессора WizNet и дополнительных устройств.

Таким образом, к разработанной аппаратной составляющей комплекса относится модуль сопряжения МК с сетью Ethernet, к разработанному системному ПО - библиотеки подпрограмм сетевого обмена по различным протоколам и средства тестирования сетевого обмена.

Создаваемое пользователем комплекса - разработчиком целевой микроконтроллерной ЛСУ -

4

Инструментальная ЭВМ

Сопп51 -программный

модуль тестирования сетевого обмена

Библиотеки готовых программ сетевого обмена

Shell51 - САПР для управляющего микроконтроллера

Библиотеки управляющих программ

Интерфейс RS-232

С Е Т

ь

Е Т Н Е R N Е Т

ЛСУ1 МК-устройство управления

Модуль сетевого обмена Драй- верное ПО Управляющее ПО

Средства электропитания

Выходной каскад Процессор WizNet Буферная память Порты ввода-вывода Порты

ввода-вывода

ЛСУ2

ЛСУN

Рис. 4. Структура комплекса проектирования

управляющее и сетевое ПО проектируется, отлаживается и загружается в микроконтроллер посредством системы Shell51. Процесс разработки программных компонент сетевого обмена поддерживается библиотекой готовых решений, содержащей типовые программные реализации различных способов сетевого и межсетевого обмена.

На рис. 5 показан вариант аппаратной реализации модуля сопряжения.

К его особенностям относятся: возможность одновременного подключения к модулю нескольких микроконтроллеров;

возможность применения нескольких вариантов обмена данными с микроконтроллером, что обеспечивает разнообразие допустимых способов

подключения к нему, и, следовательно, возможность выбора оптимального решения (например, с точки зрения количества затрачиваемых линий ввода-вывода, пропускной способности и т. п.);

наличие встроенной памяти, что обеспечивает возможность хранения специфической информации (например, содержания web-страниц) непосредственно в модуле и экономии этого дефицитного для микроконтроллера ресурса;

несколько схем поддержки электропитания, что обеспечивает пригодность модуля к эксплуатации в системах с различными стандартами напряжения питания системного ядра.

Программное обеспечение состоит из ПО для микроконтроллера и ПО абонентского уровня.

Рис. 5. Внешний вид модуля сопряжения

Рис. 6. Структура системы «сетевой осциллограф»

Рис. 7. Внешний вид клиентского приложения

Рис. 8. Структура системы дистанционного управления робототехническим манипулятором

Аппаратные и программные средства систем управления^

Рис. 9. Внешний вид манипулятора и кадр изображения с СТЗ

В состав программного обеспечения МК входят:

программные средства связи с разработанным сетевым модулем по внутриприборным интерфейсам (Direct, Indirect и SPI);

программные средства поддержки обмена данными между МК и сетью Ethernet по стандартным сетевым протоколам.

В качестве примера применения комплекса проектирования приведем вариант реализации целевой системы - «сетевой осциллограф» (рис. 6), обеспечивающий измерение микроконтроллером уровней аналоговых сигналов на выбранных оператором входах, передачу информации по сети на территориально удаленный узел и ее отображение клиентской программой (рис. 7).

Ведется разработка варианта комплекса, обеспечивающего дистанционное управление ро-бототехническим манипулятором с системой технического зрения (СТЗ) (рис. 8). Команды опе-

ратора с удаленного узла передаются на комплекс по сети Ethernet. Для контроля состояния сцены оператору также передается исходное или отфильтрованное на МК изображение с цифровой камеры, установленной на манипуляторе (рис. 9).

Описанный выше комплекс может найти применение для решения задач разработки систем дистанционного управления, мониторинга и контроля, а также в учебном процессе вузов. Его использование обеспечит повышение качества проектирования модулей и узлов связи для указанных систем при одновременном снижении трудоемкости этого проектирования, повысит качество подготовки специалистов в области автоматизации и управления, информатики и вычислительной техники.

Дополнительная информация о лаборатории ВИСУ и деятельности ее коллектива доступна в сети по адресу http:// aivt.ftk.spbstu.ru/education/labs/intelsys/

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Таненбаум, Э. Распределенные системы. Принципы и парадигмы [Текст]/ Э. Таненбаум, М. Ван Стен. -СПб.: Питер, 2003. -880 с.

2. [Электронный ресурс] / Режим доступа: http:// odva.org

3. [Электронный ресурс] / Режим доступа: http:// echelon.com

4. [Электронный ресурс] / Режим доступа: http:// ethercat.org

5. Баррет, С. Встраиваемые системы. Проектирование приложений на микроконтроллерах [Текст] / С. Баррет, Д.Дж. Пак. -М.: ДМК-Пресс, 2007. -640 с.

6. Васильев, А.Е. Микроконтроллеры. Разработка встраиваемых приложений [Текст]/ А.Е. Васильев. -СПб.: БХВ-Петербург, 2008. -304 с.