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工業自動化總線系統-ASI總線

ASIActuator-Sensor Interface)是用于在控制器(主站)和傳感器/執行器(從站)之間進行雙向、多站點數字通信的總線網絡,它由主站、從站、傳輸系統3部分組成,而傳輸系統又由兩芯傳輸電纜、ASI電源和數據解耦電路構成。

傳輸電纜

  ASI總線推薦使用的電纜型號為CENELECDIN VDE 0281[CENE-90],并且要標明HO5VV-F2x1.5,這是一種兩芯、橫截面積為1.5mm2的柔性電源線,它既便宜又隨處可見。另一種是具有相同電特性的ASI專用扁平電纜,它在安裝上非常方便。因為ASI電纜既要傳輸信號又是要提供電源,所以在選擇電纜時必須注意兩個方面的技術指標:第一是通信頻譜特性,第二是直流阻抗特性。在認為有較大干擾的情況下,則需要選擇使用屏蔽電纜,如型號為(NYMHCY-02x1.5的電纜,但它也必須滿足規定的頻譜特性要求。特別要注意的是屏蔽層在ASI電源端只能接地,而不能接在ASI+ASI-端。

  ASI電源的電壓為29.51-31.5VDC,每個從站向傳感器/執行器提供的電源電壓 VDC+10[%]-15[%])。在一個ASI總線系統中,ASI電源可給31個從站提供的最大電流為2A,因此每個從站平均消耗的電流為 65mA。如果從站帶動的執行器功率較大,所需電流大于65mA時,則必須外接輔助電源。整個系統允許在ASI電纜上的最大壓降為3V,因此電纜的橫截面積不能小于1.5mm2,這樣才能保證網絡中每個從站都能得到規定的電壓值。

  ASI電纜的等效電路模型,分為兩芯電纜和帶屏蔽層兩芯電纜兩種模型。電阻(R’)、電容C’)、電感(L’)和電導(G’)值為ASI電纜的等效參數。傳輸速率為167Kb/s時,兩芯電纜總的極限參數范圍為:R=20-50mΩ /mL=200-600nH/mC=35-70pF/mG=1-3μS/m。在同樣的傳輸速率下,帶屏蔽層的兩芯電纜的極限參數為:Rs=10mΩ/mLs=800nH/mCs=300pF/mGs=15μS/m

  ASI電纜的復數阻抗與傳輸速率之間的關系對系統的響應特性具有十分重要的意義。在傳輸速率為167Kb/s時,阻抗為80-120Ω,而低于或高于167Kb/s時,阻抗會迅速下降,因此當采用167Kb/s的傳輸速率時,將得到最大的信號幅值。

信號調制過程

  ASI信號在傳輸前要進行調制,采用什么調制方法要考慮諸多的因素。例如附加在電源電壓上的傳輸信號必須是交變的;主站和從站之間的雙向通信要求雙主都能夠產生簡單、有效和節省時間的窄帶傳輸信號;使用非屏蔽電纜時不應有太多的干擾等等。ASI信號的調制采用交變脈沖調制方式(APM),這是一種在基頻進行調制的串行通信方式。

  主站發出的請求信號位序列首先轉換為能執行相位變換的位序列,即曼徹斯特II編碼,這樣就產生了相應的傳輸電流。當傳輸電流通過電感元件時會產生電壓突變,就產生了請求信號電壓。每一個增加的電流產生一個負電壓脈沖,而每一個減小的電流產生一個正電壓脈沖,通過這種方法從站很容易得到請求信號。因為信號是疊加在電源上的,所以信號電壓有時會大于從站的電源電壓。在從站內并不需要電感元件,這就使得智能型傳感器/執行器上的帶有Slave Chip元件的一體化從站電路更小、更簡單、更經濟。在從站中接收電纜上的請求信號電壓并轉化為初始的位序列,就完成了一次主站向從站的請求信號的轉換過程。

  信號傳輸的電壓脈沖被設計成正弦平方波方式,但要考慮到低頻干擾的影響,通過選擇合適的傳輸波形可以提高可靠性。經過這種調制后的信號在規定的拓撲結構中,每兩位脈沖信號的間隔只有6μs

電源和數據解耦

  ASI電源和與之相連的數據解耦電路,ASI電源可以提供29.5-31.6VDC電壓,完全滿足國際電工委員會(IEC)對安全隔離低電壓的技術要求,最大可輸出2A電流,并具有可靠的短路過載保護。數據解耦電路由兩個50μH的電感和兩個39Ω的電阻相互并聯組成,通過電感可以將傳輸信號的電流脈沖轉變為電壓脈沖,同時它還具有防止數據傳輸頻率信號經過電源而造成短路的作用,兩個電阻代表了網絡的邊界終端。為使電路信號噪聲最低,必須采用高對稱性的電路結構,兩個電容CE和兩個電感L應完全相等,接地點要可靠接地,若采用屏蔽電纜,屏蔽層也應接到地上。如果2A電流仍不能滿足從站的要求,就必須采用帶有輔助電源的從站模式或使用帶有附加電源的中繼器。

訪問方式和報文

  ASI總線系統為主從結構,采用請求-應答的訪問方式。主站先發出一個請求信號,信號中包括從站的地址。接到請求的從站會在規定的時間內給予應答,在任何時間只有1個主站和最多31個從站進行通信。一般訪問方式有兩種:一種是帶有令牌傳遞的多主機訪問方式;另一種是CSMA/CD方式,它帶有優先級選擇和幀傳輸過程。而ASI的訪問方式比較簡單,為了降低從站的費用、提高靈活性,一方面在不增加傳輸周期的條件下盡量包括更多的參數和信息,另一方面傳輸周期的時間應能自動調整,例如系統中只有6個從站時,傳輸周期為1ms,而有31個從站時周期約為5ms。如果在網上有短暫的干擾時,主站沒有收到從站的應答信號或收到的是錯誤無效的信號時,主站可以重發信息而無需重復整個傳輸周期。

  ASI總線的總傳輸速率為167Kb/s,它包括所有功能上必要的暫停。允許的網絡傳輸速率為53.3Kb/s,從這一點看它的傳輸效率為32[%],與其它現場總線系統相比,這個數值較好。但在電磁干擾的環境下應采取進一步措施,以保證數據傳輸的可靠性。

  一個ASI報文由主站請求、主站暫停、從站應答和從站暫停4個環節組成。所有的主站請求都是 14位,從站應答為7位,每一位的時間長度為6μs。主站暫停最少為3位,最多為10位。如果從站是同步的話,在主站3位暫停后從站就可以發送應答信號。如果不是同步信號,那么從站就必須在5位暫停后發送應答信號,因為在這段時間內從站會在接收到完整有效的請求信號后監測主站的暫停情況,看看是否還會有其它信息。但是如果主站在10個暫停位后沒有接收到從站的應答信號的起始位,主站會認為不再有應答信號而發出下一個地址的請求信號。從站的暫停只有1位或位的時間。

  在ASI報文中主站請求由以下具體信息組成:

  ST 起始位 主站請求開始,0為有效,1為無效。

  SR 控制位 數據/參數/地址位或命令位,0為數據/參數/地址位,1為命令位。

  A0A4 從站地址位 被訪問的從站地址(5位)。

  I0I4 信息位 要傳輸的信息(5位),請求類型。

  PB 奇偶校驗位 在主站請求信息中不包括結束位為1的各位總和必須是偶數。

  EB 結束位 請求結束,0為無效,1為有效。

  在ASI報文中從站應答由以下具體信息組成:

  ST 起始位 從站應答開始,0為有效,1為無效。

  I0I3 信息位 要傳輸的信息(4位),應答類型。

  PB 奇偶校驗位 在從站應答信息中不包括結束位為1的各位總和必須是偶數。

  EB 結束位 應答結束,0為無效,1為有效。

5主站請求和從站應答

  在ASI主從結構中,主站所發出的報文在系統數據交換中占有重要的地位。主站的請求報文共有9種:

1)數據交換要求從站把測量數據上傳給主站,而主站又可以把控制指令下達給從站。

2)寫參數設置從站功能,如傳感器的測量范圍、激活定時器、在多傳感器系統中改變測量方法等。

3)地址分配只有當從站地址為00H時才有效。從站接到這個請求后,用06H回答,表示已收到了主站的正確請求,從站從此就可以在這個新地址被呼叫了,同時把這個新地址存儲在從站的EEPROM中,這個過程大約需要15ms。這種方式使主站可以對運行中損壞后重新置換的從站自動進行原有地址的設置。

4)復位把被呼叫的從站地址恢復到初始狀態,從站用06H回答,整個過程需2ms

5)刪除操作地址暫時把被呼叫的從站地址改為00H,這個報文一般和“地址分配”報文一起使用。當新地址確定后,從站用06H回答。如果使用指令“Reset-ASI- Slave”就可以恢復原地址。(6)讀I/O配置。讀ID編碼從站的I/O設置和ID編碼在出廠時已經確定,不能改變。

7)結合使用的目的是確定從站的身份。

8)狀態讀取讀取從站狀態緩沖器中的4個數據位,以獲得在尋址和復位過程中出現的錯誤信息。

9)讀出狀態和狀態刪除讀出從站狀態緩沖器的內容,然后刪除。

  在以上9種主站請求報文中,數據和參數的傳輸有兩種,設置和改變從站地址的有兩種,對從站進行識別和查詢的有5種。表1列出的是主站9種報文的名稱和內容。

傳輸故障特征

  如果在非屏蔽電纜上進行高速ASI傳輸通信,那么電磁兼容性(EMC)問題就非常重要了。發射干擾和現場的場強輻射干擾都不應超過歐洲標準 EN55011給出極限值,ASI系統的抗干擾能力在IEC801文件中已有詳細的說明。大量的ASI系統測試數據表明,由于傳輸信號采用了正弦平方波,因此ASI系統的發射干擾保持在IEC的規定值以下。ASI系統對于靜態放電在26M-1GHz頻率范圍內的電磁高速瞬間干擾的抵抗能力可達到3級。在最壞的情況下,通信將出現故障,但系統具有檢測功能并可以對報文進行重發。因為是短信息,重發不會增加周期時間,只有在報文發生嚴重錯誤時,才會增加報文的周期長度。當位傳輸錯誤率在70b/s時,系統周期大約為5ms;如果錯誤率再高一點,周期時間變化不大,ASI仍能保持它所有的功能。只有誤差超過 5000b/s時,正常的數據傳輸才難以維持。

  當ASI電纜被切斷時(如錯誤短接或故障斷開),主站將不能訪問位于斷點另一側的從站,而位于主站一側的從站仍可以被主站呼叫。通過管理服務程序主站能夠診斷和發出故障信號,但前提是數據解耦電路和電源這時應在同一側,否則系統就會完全癱瘓。如果ASI系統中沒有使用中繼器,那么當電源發生故障時,ASI系統將停止工作,有關故障的信息也不會得到。但如果使用了中繼器,因中繼器可以向網絡供電,那么電源故障的影響就會減小,系統將維持部分功能。

  ASI總線的傳輸系統是連接網絡系統中主站、從站、電源、控制器、傳感器/執行器的通路和橋梁。報文信號在傳輸系統中要經過多次的變換和恢復,并要抵抗各種外界的干擾以保證準確、快捷、可靠的信息交換,它是ASI總線系統中重要的組成部分。

 

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