پروتکل مودباس برای کنترل درایو از راه دور

پروتکل مودباس یکی از متداول‌ترین پروتکل‌های مخابراتی برای ارتباط از راه دور با درایو است. با استفاده از مودباس می‌توان درایو را از راه دور کنترل کرد و مقادیر آن را خواند. در مقاله‌ی پیش رو، طرز کار و مزایای پروتکل مودباس را بررسی می‌کنیم.

ارتباط سریال

همه ما اسم ارتباط سریال را شنیده‌ایم و به احتمال زیاد با آن کار کرده‌ایم. اتصالات USB روی سیستم‌های رایانه‌ای همه ما از ارتباط سریال برای اتصال به ماوس، کیبورد یا حافظه‌های جانبی بهره می برند. با وجود این که وایرلس و بلوتوث کم‌کم جای پای خودشان را به‌عنوان جانشین کابل‌ها محکم می‌کنند، اما همچنان منطق ارتباط، از نوع سریال باقی مانده است.

وقتی مساله کار با درایو باشد بسیاری از کاربران علاقمندند از اتصالات ترمینالی ساده برای کنترل درایو استفاده کنند. اتصالات ترمینالی ساده راه حل مناسبی برای زیرساخت های کوچک است و تنظیم و عیب یابی آن نیز آسان است، اما در زیرساخت های پیچیده تر ارتباطات سریال اهمیت بیشتری دارند، چرا که ما می‌توانیم بسیاری از کابل ها را جایگزین و تنظیمات و دستورات را تنها با استفاده از یک لپتاپ اعمال کنیم. تقریبا همه درایوها دارای قابلیت ارتباط سریال روی خود هستند، در نتیجه استفاده از این نوع ارتباط معمولا چندان هزینه‌بر نخواهد بود.

ارتباط سریال در درایو

با توجه به اینکه پروتکل مودباس نوعی ارتباط سریال به حساب می‌آید، بد نیست بدانیم که ارتباط سریال در درایو چگونه عمل می‌کند؟ در بیانی ساده، ارتباط سریال به معنای ارسال رشته ای از پالس های صفر و یک به درایو است تا درایو آن ها را برای خود تفسیر کند، عمل مورد نظر را انجام دهد و احیانا پاسخی را ارسال کند. برای انجام این کار ما نیاز به مجموعه قوانینی داریم که معنای این صفر و یک ها را تعریف کند و بگوید که هر کس چه چیزی را می تواند بفرستد و چه زمانی اجازه این کار را دارد؛ در غیر این صورت همه سیگنال ها به هم می‌ریزند! همچنین باید تصمیم بگیریم که چه ساختاری برای سیگنال خود ایجاد کنیم تا دقیقا به محل مورد نظر ارسال گردد.

سخت افزار ارتباط سریال

تعیین سخت افزار مورد نیاز برای تعیین مجموعه قوانین مورد نیاز اصلا سخت نیست. می توان از وایرلس یا کابل های فیبر نوری استفاده کرد، اما برای کارهای صنعتی سطح پایین تر معمولا از کابل های ساده و سیگنال های پورت رایج RS485 استفاده می شود. RS485 یک پورت استاندارد است که برای کاربردهای نویزدار در صنعت مورد استفاده قرار می‌گیرد. شکل زیر نشان می دهد که چگونه سیگنال ها در دو کابل جای خود را از لحاظ ولتاژ بین صفر تا 5 ولت مرتبا عوض می کنند.

ساختار مذکور خاصیت ضد نویز بالایی دارد، اما در عین حال باید اطمینان حاصل کنید که زمین در کل سیستم مشترک است. برای زمین کردن می توانید از کابل های شیلد دار بهره ببرید و در تمام نقاط مورد نظر یا گره ها (nodes) شیلد کابل را زمین کنید. در یک سیستم سریال به هر تجهیز آدرس پذیر یک گره می گویند.

بررسی پروتکل های مخابراتی

بعد از آشنایی با ارتباط سریال، باید تصمیم بگیریم که می خواهیم از چه پروتکلی استفاده کنیم. یکی از راه‌هایی که پیش رویمان قرار دارد تعریف کردن سیستمی از مستر و اسلیوها است. همیشه مستر یک گفت و گو را آغاز می کند و اسلیو پاسخ می دهد. درک این سیستم آسان است و ارتباط با تمامی اسلیوها را میسر می سازد. بسیاری از سیستم های مخابراتی صنعتی از این سیستم بهره می برند. در این سیستم هیچگاه تداخلی در ارسال پیغام به وجود نمی آید، یعنی مستر همواره ارسال کننده و اسلیو ها پاسخ دهنده اند.

اما در ارتباط های مبتنی بر اترنت (سیستمی که برای اینترنت نیز مورد استفاده قرار می گیرد)، تداخل نیز امکان پذیر است. یعنی هر چیزی روی سیستم می تواند برای خودش سیگنالی ارسال کند؛ اگر تداخلی وجود داشته باشد، ارسال متوقف و دوباره انجام می شود. اترنت به منظور دستیابی به سرعت های بسیار بالا بهبود پیدا کرده است و بسترهای ارتباطی مختلفی همچون فیبر نوری، وایرلس و کابل های رایج اترنت برای آن وجود دارند. سیستم های اترنت به دلیل کاربرد گسترده شان در محاسبات و در نتیجه توسعه تکنولوژی و کاهش قیمتشان، محبوبیت بالایی پیدا کرده اند. اما برای چنین سیستمی در هر گرهی یک روتر مورد نیاز است تا تداخل ها را شناسایی و کنترل کند.

اترنت در برابر مستر-اسلیو

با وجود سریع بودن، اترنت متغیر با زمان است. یعنی ممکن است نیاز به زمان کم یا زیادی برای دسترسی به یک باس مخابراتی و ارسال سیگنالتان داشته باشید. این در حالیست که در یک سیستم مستر اسلیو، مستر کنترل تمام و کمالی از لحاظ زمانی دارد که برای کنترل ماشین های پیچیده اهمیت بالایی دارد.

سیستم Canbus (کنباس سیستمی است که برای کاربردهای داخل اتومبیل می باشد و در حال حاضر در صنعت نیز مورد استفاده قرار می‌گیرد) امکان اولویت بندی سیگنال ها را فراهم می کند؛ شما ممکن است باس ارتباطی را در اختیار داشته باشید، اما یک سیگنال با اولویت بالاتر می تواند آن را از اختیار شما خارج کند. این مسأله زمانی اهمیت دارد که بخواهید از آن در سیستم های ترمزگیری (مثلا در آسانسورها) بهره ببرید.

انواع پروتکل های مخابراتی

پس در هر حال شما باید از پروتکلی استفاده کنید که سیگنال ها در آن بدون خرابی جابجا شوند. ما باید تعیین کنیم که هر کدام از سیگنال ها چه معنایی دارند. البته می توان هر سیستم ارتباط سریال دلخواهی را تولید کرد، اما استفاده از یک سیستم آماده موجود، کار را برای پیدا کردن نرم افزار و سخت افزار مناسب راحتتر می کند. چند سال پیش بود که چند کمپانی پیشرو در این حوزه تصمیم گرفتند استانداردهایی برای این سیگنال ها تعریف کنند و آن را برای استفاده سایرین همگانی کنند. این سیستم ها را به عنوان سیستم های آزاد یا فیلدباس می شناسند. مثال هایی از این نوع سیستم ها پروفی باس، کنباس، دیوایس نت، بکنت و مودباس هستند، اغلب این سیستم ها در حال حاضر دارای نوع اترنت نیز هستند.

اغلب سیستم های فیلدباس با تعیین سخت افزار شروع می شوند که معمولا RS485 است؛ اما اترنت و فیبر نوری نیز در حال افزایش است. پس از تعیین سخت‌افزار نوبت انتخاب پروتکل است. اغلب مستر-اسلیو مورد استفاده قرار می گیرد اما برای استفاده از اترنت، سیستم های تداخل با نواحی تعریف شده برای تعیین زمان باید مورد استفاده قرار بگیرند. در نهایت، باید یک ساختار تلگرام تعریف شود، یک بلوک داده که اطلاعات را حمل می کند.

پروتکل مودباس؛ یکی از سیستم‌های رایج فیلدباس

خب بیاید با هم دو نمونه را بررسی کنیم. پروتکل مودباس یک سیستم فیلدباس بسیار رایج و محبوب است که از سخت افزار RS485 و سیستم مستر-اسلیو بهره می برد. شکل زیر ساختار پایه تلگرام را نشان می دهد.

در ابتدا و انتهای تلگرام فضایی وجود دارد. 8 بیت اول آدرس مقصد را تعریف می کنند. از آنجا که تنها 8 بیت اختصاص دارند، تعداد محدودی گره در شبکه قابل دسترسی هستند. سپس یک کد تابع وجود دارد؛ در ساده ترین حالت این کد 03 به معنی خواندن یا 06 به معنی نوشتن است. سپس دیتا وجود دارد؛ این دیتا می تواند مقدار یک پارامتر، یک نقطه تنظیم، یا هر چیز دیگری باشد. در پایان نیز یک سری بیت های چک کننده وجود دارند که وظیفه تعیین صحت و سلامت کل تلگرام را بر عهده دارند.

روش کار پروتکل مودباس

روش کار پروتکل مودباس به این شکل است که مستر در پیغامی از اسلیو می خواهد که اطلاعاتی را بنویسد یا بخواند، و اسلیو نیز اطلاعات را برمی‌گرداند یا دیتا ها را مطابق دستور می نویسد. مستر یا اسلیو دیتا های رجیستر ها را به عنوان مقادیر پارامترها یا اندازه گیری ها (همچون فرکانس خروجی و جریان بار) و غیره تفسیر می کند. یک تلگرام اترنت ساختار پیچیده تری دارد که در شکل زیر مشاهده میشود اما اطلاعات پایه تفاوتی ندارند.

حال ما یک مبدا و آدرس MAC مقصد (که برای هر دستگاهی در دنیا منحصر به فرد است!)، یک جفت کلمه که نوع سیگنال را تعیین می کنند و در نهایت پاکت دیتا را در اختیار داریم. در پایان نیز یک چک‌سام وجود دارد تا از صحت سیگنال اطمینان حاصل کند. سرعت اترنت برای ارسال داده‌های زیاد بسیار ایده‌آل است. اما عیب بزرگ شبکه اترنت این است که در هر گره یک روتر نیاز است. سیستم های اترنت صنعتی بین نواحی سیگنال استاندارد کانال های کوتاهی در زمان تعریف می کنند. سیستم از این کانال‌ها برای کنترل وابسته به زمان استفاده می کند. این به مشتقات فیلدباس همچون پروتکل مودباس TCP و پروفی باس اجازه می دهد که از مزایای فراوان اترنت در محیط صنعتی بهره ببرند.

سیستم های مخابراتی مبتنی بر فیلدباس در صنعت بسیار پرکاربرد هستند. سیستم های جا افتاده ای همچون مودباس، کنباس و پروفی باس در حال حاضر رشدی برابر با 7% در سال دارند اما اترنت صنعتی با نرخ 20% رشد می‌کند. درایوهای اینورتک به صورت پیشفرض با سیستم های مخابراتی مودباس، کنباس و بکنت کار می کنند و در صورت نیاز می توانند با اضافه شدن یک آداپتور کوچک قابلیت ارتباط با سایر پروتکل ها را نیز داشته باشند.