Firewire ve strojích

Firewire ve strojích

Firewire, definovaný normou IEEE 1394, je sběrnicový systém z oblasti PC, který je schopen činnosti v reálném čase a na základě toho nachází uplatnění i v průmyslu – zejména v náročných úkolech v oblasti řízení servomechanismů a v měřicí technice. Nyní uzrál čas pro jeho aplikace v oblasti vstupně-výstupních systémů.

Firewire je především rychlá sběrnice. Se 400 Mb/s je např. její šířka pásma 30krát větší něž u sběrnice USB (Universal Serial Bus) a je tím předurčena pro extrémně datově náročné přenosy. Současný standard IEEE 1394 a podporuje přenosovou rychlost 100, 200 a 400 Mb/s; rozšiřující specifikace IEEE 1394b, která je připravena ke schválení, podporuje navíc ještě 800, 1 600 a 3 200 Mb/s (tab. 1).

Tab. 1 Přehled vlastností sběrnice IEE 1394

Technologie Firewire

Specifikace Firewire, definovaná v IEEE 1394 (sběrnice je někdy označována jako i.Link – toto označení používá firma Sony; Firewire je ochranná známka společnosti Apple), popisuje transakčně a paketově orientovanou sériovou komunikaci po pevných vodičích (obr. 1). Transakce ve smyslu IEEE 1394 označuje komplexní přenos informací z jedné aplikace do jiné. Fyzikálně existuje pouze spojení typu bod-bod (point-to-point) mezi dvěma účastníky, přičemž jeden účastník může mít více portů. Logicky se však všechna účastnická zařízení považují za paralelně připojená na sběrnici, tedy každé zařízení je zároveň i opakovačem. Konkrétně to znamená, že všechna data přijatá portem jsou poslána na další port a každý účastník tak přijme všechna data posílaná po sběrnici. Nachází-li se na účastnickém zařízení více portů, přijatá data jsou odeslána na všechny jeho porty a vzniká topologická struktura stromu.

Účastníci se propojují šestivodičovým nebo čtyřvodičovým kabelem. Kabel obsahuje dvě kroucené dvoulinky pro přenos dat a taktu a zbylé dva vodiče mohou být použity pro napájení sběrnice v napěťových rozsazích od 8 do 33 V DC. Požadavek na vysokou přenosovou rychlost vede k omezení maximální vzdálenosti mezi dvěma účastníky na 4,5 m. Podle standardu IEEE 1394a může být na jednom segmentu maximálně šestnáct připojení (mezi dvěma nejvzdálenějšími účastníky). Z toho vyplývá maximální vzdálenost dvou účastnických zařízení od sebe na jednom segmentu 72 m. V novém standardu IEEE 1394b je naproti tomu počítáno s možností připojení na vzdálenost až 100 m mezi dvěma účastníky.

Přenos dat je zajištěn pomocí dvou typů paketů: asynchronních a isochronních. Při asynchronním přenosu paketu je účastnickým zařízením potvrzen každý přijatý paket, na rozdíl od isochronního přenosu, kdy není paket adresován účastnickým zařízením, ale používá se identifikace pomocí číslování kanálu. Využitím isochronních přenosů lze zajistit stálou a vysokou propustnost sběrnice.

Isochronní přenos, používaný obzvláště při přenosech obrazu a zvuku v reálném čase, je základem pro použití Firewire v automatizaci.

Výhody pro automatizaci

Není to jen velká přenosová rychlost, pro níž je tato sběrnice pro automatizaci zajímavá, ale i nízká cena připojení do systémů založených na PC (Firewire patří ke standardům používaným v PC) a skutečnost, že se sběrnice dále vyvíjí, přičemž hnací silou vývoje v této oblasti je velký počet aplikací ve spotřební elektronice (videokamery apod.) a v osobních počítačích. Díky vývoji se zvyšuje přenosová rychlost a roste maximální vzdálenost mezi zařízeními. K požadavku krátkých dob přenosu se přidává potřeba synchronizovatelnosti zařízení a požadavky na deterministické chování komunikačního systému, na možnost dálkové diagnostiky a na komunikaci pomocí TCP/IP a v neposlední řadě také přání uživatelů umožnit propojení co nejvíce zařízení od různých výrobců.

Jako rozšíření k Ethernetu

Firewire má, díky velké přenosové rychlosti a časově pevným synchronizačním funkcím, vlastnosti, které standardní Ethernet nemá. Pomocí synchronizačního mechanismu je možné zabezpečit deterministické chování s rozlišením od 1µs.

Protože IEEE 1394a již garantuje přiřazení stálé přenosové šířky, je přenos po Firewire deterministický a umožňuje realizovat řízení v reálném čase např. u pohonů nebo při měření (obráběcí stroje apod.). Zajímavou aplikací v měřicí technice by měl být systém podle IEEE 1394 použitý pro CRV X38 – plánovaný záchranný modul pro mezinárodní kosmickou stanici ISS (International Space Station), který by měl zabezpečit synchronní sběr údajů o teplotě, tlaku vzduchu, zrychlení a dat z dalších stovek analogových a binárních signálů. Jelikož je komunikace TCP/IP také definována v normě IEEE 1394, bez ohledu na determinismus, lze sběrnici Firewire plně integrovat do sítí pracujících v protokolech IP. Pro uživatele to znamená, že mohou využít stávající znalosti komunikace protokolem TCP/IP a již používané programy. Také je možné využít dosavadní řešení pro dálkovou kontrolu a diagnostiku přes internet, bez nutnosti jejich úprav.

Další oblastí použití Firewire jsou sledovací systémy. Zde lze pozorovat jeden sílící trend: zpracování obrazu se stává důležitou součástí řízení pohonů; kamerové systémy jsou úzce propojeny s programovatelnými automaty PLC a číslicovým řízením NC. Firewire vytváří spolu s řídicími systémy na bázi PC, řídicími členy pohonů, I/O systémy a systémy pro zpracování obrazu otevřenou platformu, která může být použita pro různorodé aplikace.

Až dolů na úroveň vstupů a výstupů

Jak v měřicí technice, tak při řízení pohonů jsou vstupy a výstupy neodmyslitelnou součástí systému automatizace. Požadavkem zde obvykle není velká komunikační rychlost, jako např. při řízení pohonů, ale náklady, za něž se tyto vstupy a výstupy stanou součástí řídicího systému. Je tedy výhodné, aby v/v jednotky používaly stejnou sběrnici jako ostatní účastnická zařízení. Tento úkol splňuje nový komunikační modul pro I/O-SYSTEM firmy Wago (obr. 2). Komunikační modul předává informace od připojených vstupních modulů k výstupním modulům, které jsou dostupné pro binární a analogové signály v asynchronním či isochronním módu sběrnice Firewire. Rozhraní komunikačního modulu je provedeno podle normy IEEE 1394a, modul se na spolupracující zařízení propojuje 4,5m měděným vodičem. Podporované rychlosti jsou 100, 200 a 400 Mb/s. Komunikační modul pro Firewire je vybaven třemi porty pro připojení sběrnice, a tudíž může být zapojen ve vnitřním řetězci tvořeném zařízeními Firewire a třetí port může být využit pro vytvoření stromové topologie.

Jürgen Gorka, Product Manager,
Wago Kontakttechnik, Germany
Přeložil: Ondřej Dolejš, Wago s. r. o.

WAGO Elektro spol. s r. o.
Nad Lesem 21
147 00 Praha 4
tel.: 261 090 143
fax: 261 090 144
e-mail: ondrej.dolejs@wago.com
http://www.wago.com