Урок 47. Обмен данными между платами Ардуино. Основные понятия. Терминология.

Локальная сеть звезда

В уроке начинаю новую обширную тему – обмен данными между платами Ардуино.

Предыдущий урок     Список уроков     Следующий урок

Существует множество задач, которые требуют объединения ресурсов нескольких контроллеров. Такие системы называют распределенными, имея в виду, что общая задача выполняется на нескольких, часто разнесенных в пространстве, контроллерах. При таком подходе структура системы становится подобной структуре самого объекта управления. Да и алгоритм работы системы оперирует с программными объектами-контроллерами, привязанными к локальным объектам управления.

 

Я бы выделил следующие причины создания распределенных управляющих систем:

  • Объект управления достаточно большой по площади. Невозможно все сигналы управления провести в один контроллер. Проще обработать локальную информацию и передать на верхний уровень в концентрированном виде.
  • Система строится по принципу локальных регуляторов, для повышения надежности и универсальности системы.
  •  Недостаточно ресурсов одного контроллера. Например, не хватает количества выводов для того чтобы подключить все необходимые датчики и исполнительные устройства. Может быть недостаточно памяти или производительности процессора.
  • В систему входит один или несколько персональных компьютеров. Это тоже компоненты распределенной системы. Их применение делает систему распределенной.

Последующие несколько уроков будут посвящены практической реализации обмена данными между контроллерами распределенной вычислительной системы.

 

Малые системы управления и контроля.

Я веду речь о малых распределенных системах управления и контроля. Вот типичная структурная схема таких систем. По крайней мере, я так ее представляю.

Малая распределенная система управления

Сейчас я не употребляю таких терминов как сервер, клиент, станция и т.п. Позже без них не обойтись. Но сейчас основным компонентом простой распределенной управляющей системы я называю локальный контроллер.

Локальные контроллеры в иерархии системы расположены на самом нижнем уровне. Это контроллеры, к которым непосредственно подключены датчики, исполнительные механизмы, средства локальной индикации. Они осуществляет управление локальными объектами. Они могут что-то регулировать, измерять, собирать информацию, отображать ее.

Предполагается, что локальные контроллеры способны работать в автономном режиме. Это значительно повышает надежность системы. При обрыве связи с верхним уровнем локальные контроллеры переходят на автономный режим управления или, по крайней мере, безопасно останавливают технологический процесс.

Для управления работой локальных контроллеров существует верхний уровень системы. Он объединяет работу контроллеров, управляет всей системой. С него передаются на локальные контроллеры различные параметры, уставки, режимы. От локальных контроллеров на верхний уровень поступает информация о ходе технологического процесса, состоянии объектов управления. Например, для локального контроллера – регулятора температуры с верхнего уровня логично передавать заданную температуру, а обратно получать значение реальной температуры.

В качестве устройства верхнего уровня может выступать другой центральный контроллер или персональный компьютер. Могут быть одновременно и контроллер и компьютер или несколько компьютеров. Например, я когда-то делал систему дискретных регистраторов для теплоэлектростанции. Она представляла собой 8 локальных регистраторов, объединенных в сеть, в которую было включено еще 3 компьютера. С любого компьютера можно было получить информацию о данных регистраторов.

Возможны варианты систем, в которых локальными контроллерами управляет центральный контроллер. А к нему, через другой интерфейс или сеть подключен компьютер верхнего уровня. По такой схеме собрана система управления станком для розлива и запайки ампул.

Структура управления станком для розлива и запайки ампул

К контроллерам нижнего уровня подключены шаговые двигатели, электромагниты, датчики положения. Управляет всем процессом центральный контроллер, который одновременно является и пультом управления станка. Контроллеры нижнего уровня названы периферийными, а не локальными по тому, что они просто передают управляющую информация между центральным контроллером и подключенными к периферийным контроллерам элементами. Иногда такие контроллеры называют контроллерами ввода-вывода.

Компьютер верхнего уровня подключен к центральному контроллеру через USB порт. Он используется только для установки технологических параметров и диагностики системы.

Достоинства такой организации системы в том, что все периферийные контроллеры однотипные с одинаковой программой. А все основные данные работы станка сосредоточены в одном месте – в центральном контроллере. Очень удобно контролировать данные, хранить, корректировать их, изменять управляющую программу.

Через центральные или промежуточные контроллеры малые системы могут подключаться к сетям систем более высокого уровня. Могут использоваться беспроводные технологии обмена данными.  Пример – моя система GSM телеметрии станций катодной защиты. Нижний уровень это большое число GSM контроллеров, на верхнем уровне – несколько компьютеров.

В общем, конфигурация системы ограничена только наличием интерфейсов и фантазией разработчика. Можно даже подключить свой контроллер или систему к интернету. Тогда есть основание говорить (особенно для людей с манией величия), что в систему включены почти все компьютеры мира.

 

Локальная сеть.

Хочу ввести еще несколько понятий, необходимых для понимания последующих уроков.

Обмен данными в распределенных управляющих системах происходит через локальную сеть.

Локальная сеть – это коммуникационная  система, состоящая из нескольких контроллеров и компьютеров, соединенных между собой посредством кабелей, радиоканалов , телефонных линий,  и позволяющая устройствам совместно использовать свои ресурсы. Т.е. это программно-аппаратная система для обмена данными между устройствами.

Физическая среда передачи информации это то, что обеспечивает  перенос информации между абонентами сети. Это могут быть витая пара, коаксиальный кабель, радиоволны, ИК лучи, оптоволокно и т.п.

Топология сети – это геометрическая схема соединений, порядок соединений устройств сети. Я бы выделил топологию ”Общая шина” и  другие топологии на основе радиальных интерфейсов.

При структуре сети ”Общая шина” все абоненты сети подключены к общему кабелю.

Локальная сеть топологии общая шина

Основным достоинством такой конфигурации является простота разводки соединения между компонентами сети. Требуется всего один кабель.

К недостаткам следует отнести невысокая надежность (достаточно повредить один кабель и сеть не работает) и невысокая производительность (вся информация передается по одному кабелю).

Радиальный интерфейс допускает связь только между двумя устройствами через индивидуальные линии. Поэтому, чтобы связать в сеть несколько устройств, хотя бы одно из них должно иметь необходимое количество радиальных интерфейсов.

Локальная сеть топологии звезда

На основе радиальных интерфейсов могут быть созданы сети разных конфигураций, название которых происходит от геометрических фигур. Например, звезда (рисунок выше), кольцо, дерево и т.п. Надежность и пропускная способность сети зависят от конкретной топологии. Самая надежная и быстрая полно связная топология.

 

В следующем уроке начнем с самого простого радиального интерфейса UART. Свяжем с его помощью плату Ардуино с компьютером, а затем две платы Ардуино между собой.

Предыдущий урок     Список уроков     Следующий урок

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *