工業(yè)自動(dòng)化總線(xiàn)系統(tǒng)-ASI總線(xiàn)
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時(shí)間：2016-12-15
來(lái)源：網(wǎng)絡(luò)
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ASI（Actuator-Sensor-Interface）是執(zhí)行器-傳感器-接口的英文縮寫(xiě)，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(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，它屬于現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)（Fieldbus）下面底層的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。一個(gè)ASI總線(xiàn)系統(tǒng)通過(guò)它主站中的網(wǎng)關(guān)可以和多種現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)（如FF、Profibus、CANbus）相連接。ASi主站可以作為上層現(xiàn)場(chǎng) 總線(xiàn)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)服務(wù)器，在它的下面又可以?huà)旖右慌鶤Si從站。ASi總線(xiàn)主要運(yùn)用于具有開(kāi)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(kāi)關(guān)以及溫度、壓力、流量、液位開(kāi)關(guān)等。執(zhí)行器可以是各種開(kāi)關(guān)閥門(mén)，電/氣轉(zhuǎn)換器以及聲、光報(bào)警器，也可以是繼電器、接觸器、按鈕等低壓開(kāi)關(guān)電器。當(dāng)然 AS-i總線(xiàn)也可以連接模擬量設(shè)備，只是模擬信號(hào)的傳輸要占據(jù)多個(gè)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(hào)外，同時(shí)還提供工作電源。
ASI總線(xiàn)功能
在ASi總線(xiàn)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(xiàn)在許多方面采取了抗干擾措施。在接收數(shù)據(jù)時(shí)，必須進(jìn)行錯(cuò) 誤檢驗(yàn)，此方法十分有效，出錯(cuò)誤后信息可以重發(fā)。另外如系統(tǒng)部件出現(xiàn)故障時(shí)主站會(huì)很快檢測(cè)到故障信息，并自動(dòng)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(shí)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(shí)刻用戶(hù)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(xiàn)傳輸速率
在ASi總線(xiàn)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?yàn)閳?bào)文較短，如若在有一個(gè)主站和31個(gè)從站的系統(tǒng)中，ASI的通信周期大約為5ms，也就是說(shuō)主站在5ms內(nèi)就可以對(duì)31個(gè)從站輪流訪(fǎng)問(wèn)一遍。
ASI總線(xiàn)應(yīng)用
ASi總線(xiàn)是一個(gè)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(chǎng)總線(xiàn)進(jìn)行通信時(shí)，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_(kāi)關(guān)量，所以它的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，用戶(hù)僅需關(guān)心數(shù)據(jù)格式、傳輸率和參數(shù)配置等。
ASI總線(xiàn)推薦使用的電纜型 號(hào)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(xiàn)，它既便宜又隨處可見(jiàn)。另一種是具 有相同電特性的ASI專(zhuān)用扁平電纜，它在安裝上非常方便。因?yàn)锳SI電纜既要傳輸信號(hào)又是要提供電源，所以在選擇電纜時(shí)必須注意兩個(gè)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(hào)為（N）YMHCY-02x1.5的電纜，但它也必須滿(mǎn) 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(gè)從站向傳感器/執(zhí)行器提供的電源電壓 VDC（+10[%]或-15[%]）。在一個(gè)ASI總線(xiàn)系統(tǒng)中，ASI電源可給31個(gè)從站提供的最大電流為2A，因此每個(gè)從站平均消耗的電流為 65mA。如果從站帶動(dòng)的執(zhí)行器功率較大，所需電流大于65mA時(shí)，則必須外接輔助電源。整個(gè)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(gè)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(shí)，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(duì)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(shí)，阻抗為80-120Ω，而低于或高于167Kb/s時(shí)，阻抗會(huì)迅速下降，因此當(dāng)采用167Kb/s的傳輸速率時(shí)，將得到最大的信號(hào)幅值。
2 信號(hào)調(diào)制過(guò)程
ASI信號(hào)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(hào)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(jiǎn)單、有效和節(jié)省時(shí)間的窄帶傳輸信號(hào)；使用非屏蔽電纜時(shí)不應(yīng)有太多的干擾等等。ASI信號(hào)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(qǐng)求信號(hào)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(guò)電感元件時(shí)會(huì)產(chǎn)生電壓突變，就產(chǎn)生了請(qǐng)求信號(hào)電壓。每一個(gè)增加的電流產(chǎn)生一個(gè)負(fù)電壓脈沖，而每一個(gè)減小的電流產(chǎn)生一個(gè)正 電壓脈沖，通過(guò)這種方法從站很容易得到請(qǐng)求信號(hào)。因?yàn)樾盘?hào)是疊加在電源上的，所以信號(hào)電壓有時(shí)會(huì)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(jiǎn)單、更經(jīng)濟(jì)。在從站中接收電纜上的請(qǐng)求信號(hào)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(qǐng)求信號(hào)的轉(zhuǎn)換過(guò) 程。
信號(hào)傳輸?shù)碾妷好}沖被設(shè)計(jì)成正弦平方波方式，但要考慮到低頻干擾的影響，通過(guò)選擇合適的傳輸波形可以提高可靠性。經(jīng)過(guò)這種調(diào)制后的信號(hào)在規(guī)定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，每?jī)晌?strong>脈沖信號(hào)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(mǎn)足國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）對(duì)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(guò)載保護(hù)。數(shù)據(jù)解耦電路由兩個(gè)50μH的電感和兩個(gè)39Ω的電阻相互并聯(lián)組成，通過(guò)電感可以將傳輸信號(hào)的電流脈 沖轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷好}沖，同時(shí)它還具有防止數(shù)據(jù)傳輸頻率信號(hào)經(jīng)過(guò)電源而造成短路的作用，兩個(gè)電阻代表了網(wǎng)絡(luò)的邊界終端。為使電路信號(hào)噪聲最低，必須采用高對(duì)稱(chēng)性 的電路結(jié)構(gòu)，兩個(gè)電容CE和兩個(gè)電感L應(yīng)完全相等，接地點(diǎn)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(mǎn)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(fǎng)問(wèn)方式和報(bào)文
ASI總線(xiàn)系統(tǒng)為主從結(jié)構(gòu)，采用請(qǐng)求-應(yīng)答的訪(fǎng)問(wèn)方式。主站先發(fā)出一個(gè)請(qǐng)求信號(hào)，信號(hào)中包括從站的地址。接到請(qǐng)求的從站會(huì)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)給予應(yīng)答，在任 何時(shí)間只有1個(gè)主站和最多31個(gè)從站進(jìn)行通信。一般訪(fǎng)問(wèn)方式有兩種：一種是帶有令牌傳遞的多主機(jī)訪(fǎng)問(wèn)方式；另一種是CSMA/CD方式，它帶有優(yōu)先級(jí)選擇 和幀傳輸過(guò)程。而ASI的訪(fǎng)問(wèn)方式比較簡(jiǎn)單，為了降低從站的費(fèi)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(shí)間應(yīng)能自動(dòng)調(diào)整，例如系統(tǒng)中只有6個(gè)從站時(shí)，傳輸周期為1ms，而有31個(gè)從站時(shí)周期約為5ms。如果在網(wǎng)上有短暫的干擾時(shí)，主站沒(méi)有收到從站的應(yīng) 答信號(hào)或收到的是錯(cuò)誤無(wú)效的信號(hào)時(shí)，主站可以重發(fā)信息而無(wú)需重復(fù)整個(gè)傳輸周期。
ASI總線(xiàn)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(diǎn)看它的傳輸效率為32[%]，與其它現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)系統(tǒng)相比，這個(gè)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(gè)ASI報(bào)文由主站請(qǐng)求、主站暫停、從站應(yīng)答和從站暫停4個(gè)環(huán)節(jié)組成。所有的主站請(qǐng)求都是 14位，從站應(yīng)答為7位，每一位的時(shí)間長(zhǎng)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(huà)，在主站3位暫停后從站就可以發(fā)送應(yīng)答信號(hào)。 如果不是同步信號(hào)，那么從站就必須在5位暫停后發(fā)送應(yīng)答信號(hào)，因?yàn)樵谶@段時(shí)間內(nèi)從站會(huì)在接收到完整有效的請(qǐng)求信號(hào)后監(jiān)測(cè)主站的暫停情況，看看是否還會(huì)有其 它信息。但是如果主站在10個(gè)暫停位后沒(méi)有接收到從站的應(yīng)答信號(hào)的起始位，主站會(huì)認(rèn)為不再有應(yīng)答信號(hào)而發(fā)出下一個(gè)地址的請(qǐng)求信號(hào)。從站的暫停只有1位或2 位的時(shí)間。
在ASI報(bào)文中主站請(qǐng)求由以下具體信息組成：
ST 起始位 主站請(qǐng)求開(kāi)始，0為有效，1為無(wú)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(fǎng)問(wèn)的從站地址（5位）。
I0～I(xiàn)4 信息位 要傳輸?shù)男畔ⅲ?位），請(qǐng)求類(lèi)型。
PB 奇偶校驗(yàn)位 在主站請(qǐng)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(qǐng)求結(jié)束，0為無(wú)效，1為有效。
在ASI報(bào)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(kāi)始，0為有效，1為無(wú)效。
I0～I(xiàn)3 信息位 要傳輸?shù)男畔ⅲ?位），應(yīng)答類(lèi)型。
PB 奇偶校驗(yàn)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(wú)效，1為有效。
5 主站請(qǐng)求和從站應(yīng)答
在ASI主從結(jié)構(gòu)中，主站所發(fā)出的報(bào)文在系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換中占有重要的地位。主站的請(qǐng)求報(bào)文共有9種：
（1）數(shù)據(jù)交換 要求從站把測(cè)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(xiě)參數(shù) 設(shè)置從站功能，如傳感器的測(cè)量范圍、激活定時(shí)器、在多傳感器系統(tǒng)中改變測(cè)量方法等。
（3）地址分配 只有當(dāng)從站地址為00H時(shí)才有效。從站接到這個(gè)請(qǐng)求后，用06H回答，表示已收到了主站的正確請(qǐng)求，從站從此就可以在這個(gè)新地址被呼叫了，同時(shí)把這個(gè)新地 址存儲(chǔ)在從站的EEPROM中，這個(gè)過(guò)程大約需要15ms。這種方式使主站可以對(duì)運(yùn)行中損壞后重新置換的從站自動(dòng)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(gè)過(guò)程需2ms。
（5）刪除操作地址 暫時(shí)把被呼叫的從站地址改為00H，這個(gè)報(bào)文一般和“地址分配”報(bào)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(shí)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(gè)數(shù)據(jù)位，以獲得在尋址和復(fù)位過(guò)程中出現(xiàn)的錯(cuò)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(qǐng)求報(bào)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(duì)從站進(jìn)行識(shí)別和查詢(xún)的有5種。表1列出的是主站9種報(bào)文的名稱(chēng)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(wèn)題就非常重要了。發(fā)射干擾和現(xiàn)場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)輻射干擾都不應(yīng)超過(guò)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(shuō)明。大量的ASI系統(tǒng)測(cè)試數(shù)據(jù)表明，由于傳輸信號(hào)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(duì)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(jí)。在最 壞的情況下，通信將出現(xiàn)故障，但系統(tǒng)具有檢測(cè)功能并可以對(duì)報(bào)文進(jìn)行重發(fā)。因?yàn)槭嵌绦畔?，重發(fā)不會(huì)增加周期時(shí)間，只有在報(bào)文發(fā)生嚴(yán)重錯(cuò)誤時(shí)，才會(huì)增加報(bào)文的 周期長(zhǎng)度。當(dāng)位傳輸錯(cuò)誤率在70b/s時(shí)，系統(tǒng)周期大約為5ms；如果錯(cuò)誤率再高一點(diǎn)，周期時(shí)間變化不大，ASI仍能保持它所有的功能。只有誤差超過(guò) 5000b/s時(shí)，正常的數(shù)據(jù)傳輸才難以維持。
當(dāng)ASI電纜被切斷時(shí)（如錯(cuò)誤短接或故障斷開(kāi)），主站將不能訪(fǎng)問(wèn)位于斷點(diǎn)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(guò)管理服務(wù)程序主站能夠診斷和發(fā)出故障信號(hào)，但前提是數(shù)據(jù)解耦電路和電源這時(shí)應(yīng)在同一側(cè)，否則系統(tǒng)就會(huì)完全癱瘓。如果 在ASI系統(tǒng)中沒(méi)有使用中繼器，那么當(dāng)電源發(fā)生故障時(shí)，ASI系統(tǒng)將停止工作，有關(guān)故障的信息也不會(huì)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(huì)減小，系統(tǒng)將維持部分功能。
ASI總線(xiàn)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(bào)文信號(hào)在傳輸系統(tǒng)中要經(jīng)過(guò)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(xiàn)系統(tǒng)中重要的組成部分。
評(píng)論