工業(yè)自動化總線系統(tǒng)-ASI總線
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ASI（Actuator-Sensor-Interface）是執(zhí)行器-傳感器-接口的英文縮寫，它是一種用在控制器（主站）和傳感器/執(zhí)行器（從站）之間雙向交換信息的總線網(wǎng)絡(luò)，它屬于現(xiàn)場總線（Fieldbus）下面底層的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。一個ASI總線系統(tǒng)通過它主站中的網(wǎng)關(guān)可以和多種現(xiàn)場總線（如FF、Profibus、CANbus）相連接。ASi主站可以作為上層現(xiàn)場 總線的一個節(jié)點服務(wù)器，在它的下面又可以掛接一批ASi從站。ASi總線主要運(yùn)用于具有開關(guān)量特征的傳感器和執(zhí)行器系統(tǒng)，傳感器可以是各種原理的位置接近 開關(guān)以及溫度、壓力、流量、液位開關(guān)等。執(zhí)行器可以是各種開關(guān)閥門，電/氣轉(zhuǎn)換器以及聲、光報警器，也可以是繼電器、接觸器、按鈕等低壓開關(guān)電器。當(dāng)然 AS-i總線也可以連接模擬量設(shè)備，只是模擬信號的傳輸要占據(jù)多個傳輸周期。必須注意的是在連接主站和從站的兩芯電纜上除傳輸信號外，同時還提供工作電源。
ASI總線功能
在ASi總線不同的應(yīng)用情況下，功能可靠包含下列內(nèi)容，首先是通信數(shù)據(jù)的可靠性方面，ASi總線在許多方面采取了抗干擾措施。在接收數(shù)據(jù)時，必須進(jìn)行錯 誤檢驗，此方法十分有效，出錯誤后信息可以重發(fā)。另外如系統(tǒng)部件出現(xiàn)故障時主站會很快檢測到故障信息，并自動與發(fā)生故障的從站切斷通信聯(lián)系，通知操作人員 故障地址，以便及時進(jìn)行維修。主站還具備網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行監(jiān)視功能，在任何時刻用戶都能得到系統(tǒng)中所有從站當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)的完整資料。
ASI總線傳輸速率
在ASi總線系統(tǒng)中，主站和從站之間采用了串行雙向數(shù)字通信方式。因為報文較短，如若在有一個主站和31個從站的系統(tǒng)中，ASI的通信周期大約為5ms，也就是說主站在5ms內(nèi)就可以對31個從站輪流訪問一遍。
ASI總線應(yīng)用
ASi總線是一個主從系統(tǒng)，主站和所有的從站可雙向交換信息，當(dāng)主站與上層現(xiàn)場總線進(jìn)行通信時，主站擔(dān)當(dāng)了AS-i和上層網(wǎng)絡(luò)信息交換的出入口，因ASi主要傳輸?shù)氖情_關(guān)量，所以它的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)比較簡單，用戶僅需關(guān)心數(shù)據(jù)格式、傳輸率和參數(shù)配置等。
ASI總線推薦使用的電纜型 號為CENELEC或DIN VDE 0281[CENE-90]，并且要標(biāo)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(shù)指標(biāo)：第一 是通信頻譜特性，第二是直流阻抗特性。在認(rèn)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（N）YMHCY-02x1.5的電纜，但它也必須滿 足規(guī)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+和ASI-端。
ASI電源的電壓為29.51-31.5VDC，每個從站向傳感器/執(zhí)行器提供的電源電壓 VDC（+10[%]或-15[%]）。在一個ASI總線系統(tǒng)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(zhí)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(tǒng)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(wǎng)絡(luò)中每個從站都能得到規(guī)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(dǎo)（G’）值為ASI電纜的等效參數(shù)。傳輸速率為167Kb/s時，兩芯電纜總的極限參數(shù)范圍為：R’=20-50mΩ /m，L’=200-600nH/m，C’=35-70pF/m，G’=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(shù) 為：R’s=10mΩ/m，Ls’=800nH/m，Cs’=300pF/m，Gs’=15μS/m。
ASI電纜的復(fù)數(shù)阻抗與傳輸速率之間的關(guān)系對系統(tǒng)的響應(yīng)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(dāng)采用167Kb/s的傳輸速率時，將得到最大的信號幅值。
2 信號調(diào)制過程
ASI信號在傳輸前要進(jìn)行調(diào)制，采用什么調(diào)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(chǎn)生簡單、有效和節(jié)省時間的窄帶傳輸信號；使用非屏蔽電纜時不應(yīng)有太多的干擾等等。ASI信號的調(diào)制采用交變脈沖調(diào)制方式（APM），這是一種在基頻 進(jìn)行調(diào)制的串行通信方式。
主站發(fā)出的請求信號位序列首先轉(zhuǎn)換為能執(zhí)行相位變換的位序列，即曼徹斯特II編碼，這樣就產(chǎn)生 了相應(yīng)的傳輸電流。當(dāng)傳輸電流通過電感元件時會產(chǎn)生電壓突變，就產(chǎn)生了請求信號電壓。每一個增加的電流產(chǎn)生一個負(fù)電壓脈沖，而每一個減小的電流產(chǎn)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(nèi)并不需要電感元件，這就使得 智能型傳感器/執(zhí)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(jīng)濟(jì)。在從站中接收電纜上的請求信號電壓并轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換過 程。
信號傳輸?shù)碾妷好}沖被設(shè)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(jīng)過這種調(diào)制后的信號在規(guī)定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，每兩位脈沖信號的間隔只有6μs。
3 電源和數(shù)據(jù)解耦
ASI電源和與之相連的數(shù)據(jù)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(shù)要 求，最大可輸出2A電流，并具有可靠的短路過載保護(hù)。數(shù)據(jù)解耦電路由兩個50μH的電感和兩個39Ω的電阻相互并聯(lián)組成，通過電感可以將傳輸信號的電流脈 沖轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷好}沖，同時它還具有防止數(shù)據(jù)傳輸頻率信號經(jīng)過電源而造成短路的作用，兩個電阻代表了網(wǎng)絡(luò)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(jié)構(gòu)，兩個電容CE和兩個電感L應(yīng)完全相等，接地點要可靠接地，若采用屏蔽電纜，屏蔽層也應(yīng)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。
4 訪問方式和報文
ASI總線系統(tǒng)為主從結(jié)構(gòu)，采用請求-應(yīng)答的訪問方式。主站先發(fā)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(guī)定的時間內(nèi)給予應(yīng)答，在任 何時間只有1個主站和最多31個從站進(jìn)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(jī)訪問方式；另一種是CSMA/CD方式，它帶有優(yōu)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(shù)和信息，另一方面?zhèn)鬏斨?期的時間應(yīng)能自動調(diào)整，例如系統(tǒng)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(wǎng)上有短暫的干擾時，主站沒有收到從站的應(yīng) 答信號或收到的是錯誤無效的信號時，主站可以重發(fā)信息而無需重復(fù)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(wǎng)絡(luò)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(xiàn)場總線系統(tǒng)相比，這個數(shù)值較好。但在電磁干擾的環(huán)境下應(yīng)采取進(jìn)一步措施，以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?br /> 一個ASI報文由主站請求、主站暫停、從站應(yīng)答和從站暫停4個環(huán)節(jié)組成。所有的主站請求都是 14位，從站應(yīng)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(fā)送應(yīng)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(fā)送應(yīng)答信號，因為在這段時間內(nèi)從站會在接收到完整有效的請求信號后監(jiān)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(yīng)答信號的起始位，主站會認(rèn)為不再有應(yīng)答信號而發(fā)出下一個地址的請求信號。從站的暫停只有1位或2 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(shù)據(jù)/參數(shù)/地址位或命令位，0為數(shù)據(jù)/參數(shù)/地址位，1為命令位。
A0～A4 從站地址位 被訪問的從站地址（5位）。
I0～I(xiàn)4 信息位 要傳輸?shù)男畔ⅲ?位），請求類型。
PB 奇偶校驗位 在主站請求信息中不包括結(jié)束位為1的各位總和必須是偶數(shù)。
EB 結(jié)束位 請求結(jié)束，0為無效，1為有效。
在ASI報文中從站應(yīng)答由以下具體信息組成：
ST 起始位 從站應(yīng)答開始，0為有效，1為無效。
I0～I(xiàn)3 信息位 要傳輸?shù)男畔ⅲ?位），應(yīng)答類型。
PB 奇偶校驗位 在從站應(yīng)答信息中不包括結(jié)束位為1的各位總和必須是偶數(shù)。
EB 結(jié)束位 應(yīng)答結(jié)束，0為無效，1為有效。
5 主站請求和從站應(yīng)答
在ASI主從結(jié)構(gòu)中，主站所發(fā)出的報文在系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換中占有重要的地位。主站的請求報文共有9種：
（1）數(shù)據(jù)交換 要求從站把測量數(shù)據(jù)上傳給主站，而主站又可以把控制指令下達(dá)給從站。
（2）寫參數(shù) 設(shè)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(tǒng)中改變測量方法等。
（3）地址分配 只有當(dāng)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(yùn)行中損壞后重新置換的從站自動進(jìn)行原有地址的設(shè)置。
（4）復(fù)位 把被呼叫的從站地址恢復(fù)到初始狀態(tài)，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(dāng)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(fù)原地址。（6）讀I/O配置。讀ID編碼 從站的I/O設(shè)置和ID編碼在出廠時已經(jīng)確定，不能改變。
（7）結(jié)合使用的目的是確定從站的身份。
（8）狀態(tài)讀取 讀取從站狀態(tài)緩沖器中的4個數(shù)據(jù)位，以獲得在尋址和復(fù)位過程中出現(xiàn)的錯誤信息。
（9）讀出狀態(tài)和狀態(tài)刪除 讀出從站狀態(tài)緩沖器的內(nèi)容，然后刪除。
在以上9種主站請求報文中，數(shù)據(jù)和參數(shù)的傳輸有兩種，設(shè)置和改變從站地址的有兩種，對從站進(jìn)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(nèi)容。
6 傳輸故障特征
如果在非屏蔽電纜上進(jìn)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(fā)射干擾和現(xiàn)場的場強(qiáng)輻射干擾都不應(yīng)超過歐洲標(biāo)準(zhǔn) EN55011給出極限值，ASI系統(tǒng)的抗干擾能力在IEC801文件中已有詳細(xì)的說明。大量的ASI系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)表明，由于傳輸信號采用了正弦平方波， 因此ASI系統(tǒng)的發(fā)射干擾保持在IEC的規(guī)定值以下。ASI系統(tǒng)對于靜態(tài)放電在26M-1GHz頻率范圍內(nèi)的電磁高速瞬間干擾的抵抗能力可達(dá)到3級。在最 壞的情況下，通信將出現(xiàn)故障，但系統(tǒng)具有檢測功能并可以對報文進(jìn)行重發(fā)。因為是短信息，重發(fā)不會增加周期時間，只有在報文發(fā)生嚴(yán)重錯誤時，才會增加報文的 周期長度。當(dāng)位傳輸錯誤率在70b/s時，系統(tǒng)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(shù)據(jù)傳輸才難以維持。
當(dāng)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(cè)的從站，而位于 主站一側(cè)的從站仍可以被主站呼叫。通過管理服務(wù)程序主站能夠診斷和發(fā)出故障信號，但前提是數(shù)據(jù)解耦電路和電源這時應(yīng)在同一側(cè)，否則系統(tǒng)就會完全癱瘓。如果 在ASI系統(tǒng)中沒有使用中繼器，那么當(dāng)電源發(fā)生故障時，ASI系統(tǒng)將停止工作，有關(guān)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(wǎng)絡(luò)供電， 那么電源故障的影響就會減小，系統(tǒng)將維持部分功能。
ASI總線的傳輸系統(tǒng)是連接網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中主站、從站、電源、控制器、傳感器/執(zhí)行器的通路和橋梁。報文信號在傳輸系統(tǒng)中要經(jīng)過多次的變換和恢復(fù)，并要抵抗各種外界的干擾以保證準(zhǔn)確、快捷、可靠的信息交換，它是ASI總線系統(tǒng)中重要的組成部分。
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