Краткий обзор современных технологий

15.2. Технологии беспроводной связи

Например, технология Bluetooth предназначена для беспроводного объединения технических средств ИТ и создания небольших локальных сетей [36]. Технология использует небольшие приемопередатчики малого радиуса действия, которые непосредственно встраиваются в устройство или подключаются через свободный порт (или PC-карту). Приемопередатчики работают в полосе частот ISM (полоса промышленного, научного и медицинского применения) 2402...2480 МГц. Радиосвязь обеспечивается в радиусе 10 метров, причем не обязательно в зоне прямой видимости — между соединяемыми устройствами могут быть стены и другие препятствия. В настоящее время создаются средства для увеличения дальности связи до 100 метров.

Радиоканал обеспечивает скорость передачи данных 721 Кбит/с, а также передачу трех голосовых каналов.

Для обеспечения надежной работы технология Bluetooth использует скачкообразную перестройку частоты (FHSS) с расширением спектра. Передатчик переходит с одной частоты на другую по алгоритму, использующему псевдослучайные числа, скорость перестройки — 1600 скачков/с. Режим работы — дуплексный с временным разделением (TDD). Временные интервалы (Time Slots) развертываются для синхронных пакетов, каждый из которых передается на своей частоте радиосигнала.

Технология предусматривает простую интеграцию с TCP/IP. Каждое устройство имеет уникальный 48-битовый сетевой адрес, совместимый с форматом стандарта локальных сетей IEEE 802.

Выделяют 3 класса модулей Bluetooth по мощности излучения: класс 1-100 Вт, класс 2-2,5 Вт и класс 3-1 МВт.

В ближайшее время ожидается появление на рынке принтеров, клавиатур и других периферийных устройств, работающих по технологии Bluetooth.

Разработан стандарт Bluetooth 1.0b, который устанавливает требования к беспроводной связи на небольшие расстояния (до 10 метров с возможностью расширения до 100 м) в нелицензируемом диапазоне 2,45 ГГц. Для создания и отладки устройств Bluetooth фирма Philips выпускает специальные наборы разработчика — Blueberry Developers Kit for Bluetooth Applications. Набор включает материнскую плату, содержащую в себе коммутационные интерфейсы, элементы контроля и управления, разъемы для подключения дочерних плат и дочерние платы с установленными на них RF-модулем и Baseband-контроллером. Такой набор позволяет разработчикам, не меняя конфигурации материнской платы, испытывать различные комбинации контроллеров и трансиверов.

В комплект поставки входят компакт-диск, который помимо документации содержит два пакета программ: загрузчик Blue Star для программирования внутренней и дополнительной flash-памяти контроллера и программа тестирования Blue Bird для проверки работоспособности устройства в целом. Технология Bluetooth выгодно отличается от других технологий следующими свойствами:

• применение маломощных передатчиков;
• малые размеры системы, позволяющие устанавливать ее в различные оконечные и периферийные устройства (мобильные и бесшнуровые телефоны, ноутбуки, устройства ввода/вывода ПК, локальные сети и т. д.);
• низкая стоимость.

Таким образом, с помощью технологий Bluetooth в единую систему можно объединить самые разные устройства на основе высокоскоростной сети обмена данными как цифровой информации, так и речи. Это происходит без вмешательства со стороны пользователя и открывает ему широкие коммуникационные возможности, позволяющие в любом месте подключиться к сети сотовой связи, подсоединив свой ноутбук к периферийным устройствам ввода/вывода, обеспечить голосовую связь или передачу данных на небольшие расстояния.

В перспективе технология позволит объединять любые электронные устройства, вплоть до холодильников, стиральных машин, микроволновых печей, отопительных систем и дверных замков.

Другими технологиями беспроводной связи являются IrDA (инфракрасная связь), Home RF, IEEE 802-11.

15.3. CAN-технологии

CAN-технологии (Controller Area Network), включающие широкий класс программных, схемотехнических и алгоритмических решений, представляют собой промышленные сети для применения в распределенных системах управления, которые работают в режиме "жесткого" реального времени со скоростью передачи до 1 Мбит/с. Технология CAN-bus создана фирмой Bosh в середине 1980-х годов и первоначально широко применялась в немецкоговорящих странах. В настоящее время CAN-технологии широко используются индустриально развитыми странами во всех стратегических областях промышленности, автомобильном и железнодорожном транспорте, авиации, машиностроении, энергетике, промышленной автоматизации и др.

Для применения CAN-bus выпускается достаточный набор компонентов — интеллектуальных датчиков, CAN-контроллеров, программных средств и т. д., разработаны стандарты и учебно-методическая литература. Координацию работ в мировом масштабе по разработке и внедрению CAN-технологий осуществляет коммерческая международная организация CAN in Automation (CiA) [68].

Работы по использованию и развитию CAN-технологий проводятся в следующих направлениях:

• разработка промышленных сетей и распределенных систем управления на серийно выпускаемых аппаратах и компонентов CAN-bus;
• разработка встроенных систем управления (Embedded Systems) для массовых объектов — транспортных средств, технологических установок, энергоемких бытовых аппаратов на основе имеющихся спецификаций;
• создание новых интеллектуальных датчиков и других технических средств для CAN-технологий;
• разработка программного обеспечения для CAN-контроллеров и другого заказного ПО. Компоненты для CAN-технологий выпускают известные западные фирмы Bosh GmbH, Siemens AG, Rockwell Automation AB, Motorola GmbH, Toshiba Electronics, Europe GmbH, Philips Semiconductors GmbH и др.

В разработке и внедрении CAN-технологий участвуют отечественные фирмы ООО "Марафон" (г. Москва), ООО "Дейтамикро" (г. Таганрог), ЗАО "ЭлеСи" (г. Томск).

15.4. STEP-технология

Структура стандартов STEP

Построение распределенных АС для проектирования и управления в промышленности, взаимодействующих друг с другом в едином информационном пространстве, составляет основу современных CALS-технологий. В CALS-технологиях необходимо обеспечить единообразное описание и интерпретацию данных, независимо от места и времени их получения в общей системе, имеющей масштабы вплоть до глобальных. Структура проектной, технологической и эксплуатационной документаций, языки ее представления должны быть стандартизованными. Тогда становится реальной успешная работа над общим проектом разных коллективов, разделенных во времени и пространстве и использующих разные CAE/CAD/CAM-системы. Одна и та же проектная документация может быть использована многократно в разных проектах, а одна и та же технологическая документация — в разных производственных условиях, что существенно сокращает и удешевляет общий цикл проектирования и производства, а также упрощает эксплуатацию систем.

Эти цели поставлены при разработке стандартов STEP. К их разработке под эгидой ISO привлечен ряд ведущих специалистов фирм в разных отраслях промышленности. Совокупность стандартов STEP составляет основу CALS-технологий.

Единообразная форма описаний данных о промышленной продукции обеспечивается введением в STEP языка Express, инвариантного к приложениям. Стандарты STEP не отрицают, а развивают методику информационного моделирования IDEFIX и предполагают возможность совместного использования с методикой функционального проектирования IDEF0 и рядом других международных стандартов (например, со стандартами ISO P_Lib, Mandate, SGML, CDBF и др.).

В STEP используются следующие основные понятия:

• ААМ (Application Activity Model) — функциональная модель IDEF0 для определенного приложения;
• ARM (Application Requirements Model) — модель данных, представленная обычными средствами приложения;
• AIM (Application Interpreted Model) — ARM-модель, переведенная в STEP-представление;
• АР (Application Protocol) — прикладной протокол, описание приложения на языке Express;
• SDAI (Standard Data Access Interface) — программный интерфейс к источникам данных (репозиториям) прикладных систем (в том числе к библиотекам моделей CAD/CAM-систем) с переводом моделей в STEP-файлы; используется в STEP-средах для организации обменов между приложениями через общую базу данных STEP.

STEP состоит из ряда томов. Тома имеют свои номера N и обозначаются как "часть N" или ISO 10303-N.

Приведем краткую характеристику следующих основных групп томов.

1. Том ISO 10303-1 — вводный стандарт, описывающий структуру всей совокупности томов и основные принципы STEP. В этом стандарте вводится ряд терминов, используемых в других стандартах, например, таких, как продукт, приложение, проектные данные, модель, модели ААМ, AIM, ARM, прикладной протокол, интегрированный ресурс, элемент функциональности.
2. Части 11…14 — методы описания.
3. Части 21...29 — методы реализации.
4. Части 31...39 — основы тестирования моделей.
5. Части 41...50 — интегрированные основные ресурсы.
6. Части 101...108 — интегрированные прикладные ресурсы.
7. Части 201...236 — прикладные протоколы.
8. Части 301...336 — абстрактные тестовые наборы.
9. Части 501...520 — прикладные компоненты.

Методы описания

Первая группа документов — тома 11...19 — отведена для описания диалектов языка Express.

N = 11: Express language reference manual. Основное руководство по языку Express. Содержит также описания расширения Express-C базового языка и графического варианта языка Express-G. Базовый язык приспособлен для описания и передачи статических свойств объектов приложений, т. е. параметров структур и ограничений. Поэтому Express-C включает средства описания динамических свойств объектов (добавлено описание событий и транзакций). Для наглядности представления языковых конструкций в Express предусмотрены графические средства изображения моделей, в качестве которых может использоваться специальное дополнение Express-G (графический Express). Express-G — язык диаграмм, напоминающий язык описания информационных моделей в методике IDEF1X.

N = 12: Express-I Language Reference Manual Express-I — расширение языка, предназначенное для описания отдельных экземпляров данных.

N = 14: Express-X — дополнение к языку Express, применяемое для описания соответствий между типами данных в заданной исходной Express-схеме и создаваемыми новыми ее вариантами (views); в качестве views могут использоваться форматы с описанием того же множества сущностей, что и в Express-схеме, формат IGES.

Предлагаются и другие дополнения, относящиеся к следующим диалектам языка Express:

• Express-M: Mapping definition language — язык, аналогичный Express-X, для описания соответствий между сущностями и атрибутами некоторых моделей, представленных в виде схем на языке Express. Например, этими схемами могут быть два разных прикладных протокола, имеющих частично общие данные, или две схемы одного приложения, но созданные разными лицами (при отсутствии соответствующего АР). Одна схема есть схема-источник, другая — целевая схема. Целевых схем может быть несколько при одной схеме-источнике. Предложения Express-M транслируются на язык С, результирующая программа представляет собой совокупность обращений к функциям базы данных SDAI в STEP-среде. Другими словами, транслятор относится к системе SDAI, определяемой в протоколе ISO 10303-22, a Express-M можно рассматривать как язык 4GL для обращений к функциям базы данных SDAI;
• Express-P: Process definition language — язык диаграмм для представления процессов, методов и коммуникационных структур;
• Express-V: язык, предназначенный для получения ARM-представлений из АIМ-моделей, другими словами, для описания процедур поиска экземпляров Express-объектов, отвечающих заданным условиям, и доступа к ним, например при создании новых ARM. Эти создаваемые ARM-представления обычно не требуют столь всестороннего описания приложения, как в AIM, и потому могут быть существенно проще. В Express-V имеются:
  • схема-источник (AIM); обычно это прикладной протокол, например АР203;
  • схема-цель, задающая сущности, которые должны быть в создаваемой частной модели;
  • схема отображения нужных сущностей из источника в цель. На языке Express-V описываются условия (в виде клонов WHEN) такого отображения. Берется подходящая уже существующая AIM как источник, все совпадающие объекты переводятся в ARM, далее описываются оригинальные объекты. Дополнительной возможностью реализаций Express-V является обратное отображение специфики создаваемой ARM в исходную AIM с целью развития прикладных протоколов.

Для возможности применения языка Express должны быть разработаны методы реализации (Implementation Methods), которые могут быть представлены средствами файлового взаимодействия, построением БД, интерфейсом с языками программирования.

Методы реализации

Вторую группу (тома 21...29) называют "Методы реализации", она служит для межпрограммного информационного обмена между прикладными системами в STEP-среде. Предусмотрены межпрограммные связи с помощью обменного файла и доступа к БД.

N=21: Clear Text Encoding of the Exchange Structure (physical transfer file format); стандарт устанавливает правила оформления обменного файла. Обменный файл играет в STEP важную роль; если собственно на языке Express определены сущности, то именно в обменном файле задаются экземпляры этих сущностей. Прикладные программы для связи со STEP-средой должны читать и генерировать обменные файлы.

N=22: Standard Data Access Interface Specification; содержит описание SDA1 — системы представления данных и доступа к данным конкретных прикладных систем (чаще всего это CAD/CAM-системы). Данные, участвующие в межпрограммных связях, образуют SDAI-модели. В SDAI-системе предусматривается компилятор кода, конвертирующего эти модели в SDAI-базу данных, а также функции обращения к этой базе данных. Возможно непосредственное построение прикладных систем, работающих с SDAI-базой данных.

Тома 23...29 устанавливают правила обращения к данным в SDAI-базе данных на языках программирования C++, С, Java, на языке передачи данных в системах распределенных вычислений IDL, языке разметки XML.

Контрольные вопросы и упражнения

1. Что называют CALS-технологиями?
2. Что положено в основу CALS-технологий?
3. Что предусмотрено в CALS-системах?
4. Какие возможности дает применение CALS-технологий?
5. Поясните структурную схему проблематики CALS-технологий.
6. Как понимается "виртуальное производство"?
7. Что понимают под информационной интеграцией CALS-систем?
8. Какие направления научно-технического прогресса способствуют интенсивному развитию CALS-технологии?
9. В чем заключается вторая часть определения CALS — "поддержка жизненного цикла"?
10. Что является целью применения CALS-технологий как инструмента организации и информационной поддержки всех участников создания производства и пользования продуктом?
11. Что объединяет в себе стратегия CALS?
12. Как решаются вопросы защиты информации в CALS-технологии?
13. Как используются технологии беспроводной связи?
14. Что включают в себя CAN-технологии?
15. В каких направлениях проводятся работы по использованию и развитию CAN-технологий?
16. Перечислите основные понятия STEP-технологии.