ASI总线的信号传输系统

现场总线技术一 2。，2 ASI总线的信号传输系统 王 俊 杰 (清 华大学 自动化系 北京 100084) 摘 要 ASI总线系统由主站、从站和传输系统 3部分组成，而传辅乐统叉由两芯ASI电缆、ASI电源和数据解耦 电路构成。本文重点介绍了ASI信号的调制过程．ASI电源和数据的解耦原理以及ASI报文结构和访问方式。 煳一 椭 4sI 、居 ；诵 Signal transmission system of ASI ， w ng J 一rP 3 j‘ (Depart⋯t。f Au㈣at】。n．T∞ ghua u[¨Yerslty Be】J_ g 100084) ‘f Abstract ASI system consists of the n)aster the slave and the t ransmission system The trattsmissiott sys- tern is made up of the two-wire ASI cable．ASI power supply and the data decouplirtg circuit This paper locus- es 0]2 the modulation process of ASI signals．ASI power supply．data decouplittg．ASI message structure arm aCCeSS mode Key words ASI trattsmission system ；modulation process：data decoupling、message structure ASI(Actuator-Sensor Interface)是用于在控 制器(主站)和传感器／执行器(从站)之间进行双 向、多站点数字通信的总线阿络，它由主站、从站、 传输系统 3部分组成，而传输系统又由两芯传输 电缆、ASI电源和数据解耦电路构成。 l 传输电缆 ASI总线推荐使用的电缆型号为 CENELEC 或 DIN VDE 0281ICENE．90]，并 且 要 标 明 HO5vv．F2×1 5，这是一种两芯、横截面积为 1、5 m 的柔性电源线，它既便宜叉随处可见。另 一 种是具有相同电特性的ASI专用扁平电缆，它 在安装上非常方便。困为ASI电缆既要传输信号 又要提供电源，所以在选择电缆时必须注意两个 方面的技术指标：第一是通信频谱特性，第二是直 流阻抗特性。在认为有较大干扰的情况下，则需 要选择使用屏蔽电缆，如型号为 (N)YMH— CY一02×1．5的电缆，但它也必须满足规定的频谱 特性要求。特别要注意的是屏蔽层在 ASI电源端 只能接地，而不能接在 ASI+和 ASI 端。 ASI电源的电压为 29，5～3l 5 VDC，每个 从站 向传感器／执行器提供的电源电压为 24 VDC(十10％或 15％)。在一个 ASI总线系统 中，ASI电源可给 31个从站提供的最大电流为2 A，因此每个从站平均消耗的电流为 65 mA。如果 从站带动的执行器功率较大，所需电流大于 65 mA时，则必须外接辅助电源。整个系统允许在 ASI电缆上的最大压降为3 V，因此电缆的横截 面积不能小于 1．5 m ，这样才能保证阿络中每 个从站都能得到规定的电压值。 ASI电缆的等效电路模型如图1所示，它分 为两芯电缆和带屏蔽层两芯电缆两种模型。图中 电阻(R )、电容(C )、电感(L )和电导(G )值为 ASI电缆的等效参数。传输速率为 167 Kb／s时， 两芯电缆总的极限参数范围为：R =20～50 rnl2／ m，L =2(10-- 600 nH／m ，C ：35～70 pF／m ．G =l～3 s／ 在同佯的传输速率 带屏蔽层的 两芯电缆的极限参数为：R =10 m0／m，L 。 =800 nH／m，G 300 pF／m． 15 uS／m。 ASI电缆的复数阻抗与传输速率之间的关系 对系统的响应特性具有十分重要的意义。在传输 速率为 167 Kb／s时，阻抗为 80-120 0，而低于 或高于 167 Kb／s时，阻抗会迅速下降，因此当采 收稿目期：199~11．26 修改稿收到日期：2000-06-27 王俊杰 男 1946年生 教授 主要从事 自动橙测技术、智能化仪 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 、现场总线网络技术的研究与开发。 20‘ Metallargical Indastry Automation 2000 N0 s 维普资讯 http://www.cqvip.com ASi总线的信号传输系统 用167 Kb／s的传输速率时，。将得到最大 信号幅 值。 ASI 屏蔽层 (b】带屏蔽层的阿芯电缆 围 1 ASI电缆等效电路模型 AS【+ 屏蔽层 2 信号调制过程 ASI信号在传输前要进行调制，采用什么调 制方法要考虑诸多的因素。例如附加在电源电压 上的传输信号必须是交变的；主站和从站之间的 双向通信要求双方都能够产生简单、有效和节省 发送端 接收端 时间的窄带传输信号；使用非屏蔽电缆时不应有 太多的干扰等等。ASI信号的调制采用交变脉冲 调制方式(APM)，这是一种在基频进行调制的串 行通信方式，如图 2所示。 主站发出的请求信号位序列首先转换为能执 行相位变换的位序列，即曼彻斯特Ⅱ编码，这样就 产生了相应的传输电流。当传输电流通过电感元 件时会产生电压突变，就产生了请求信号电压。 每一个增加的电流产生一个负电压脉冲，而每一 个减小的电流产生一个正电压脉冲，通过这种方 法从站很容易得到请求信号。因为信号是叠加在 电源上的，所以信号电压有时会大于从站的电源 电压。在从站内并不需要电感元件，这就使得智 能型传感器／执行器上的带有 Slave Chip元件的 一 体化从站电路更小、更简单、更经济。在从站中 接收电缆上的请求信号电压并转化为初始的位序 列，就完成了一次主站向从站的请求信号的转换 过程。 信号传输的电压脉冲被设计成正弦平方波方 式，但要考虑到低频干扰的影响，通过选择台适的 传输波形可以提高可靠性。经过这种调制后的信 制]! !n !匝 蝙 r] 厂]厂 b △凸 △ 《 1氪眯冲 n．n n 萎。正脉冲 n n n 正脉冲 lI ll lJ 旗 ． — — - 一 — - J L — _ J L 一 码值 习! !厂r]![ 围 2 交变脉冲调制(APM) 号在规定的拓扑结构中，每两位脉冲信号的间隔 只有 6,us。 3 电源和数据解耦 图 3表示的是 ASI电源和与之相连的数据 解耦电路，ASI电源可以提供 29．5～31 6 VDC 电压，完全满足国际电工委员会(IEC)对安全隔 离低电压的技术要求，最大可输出2 A电流，并具 有可靠的短路过载保护。数据解耦电路由两个 50 H的电感和两个 39 0的电阻相互并联组成，通 冶金自动化 Z000年第5期 过电感可以将传输信号的电流脉冲转变为电压脉 冲，同时它还具有防止数据传输频率信号经过电 源而造成短路的作用，两个电阻代表了阿络的边 界终端。为使电路信号噪声最低，必须采用高对 称性的电路结构，图 3中的两个电容 和两个 电感 L应完全相等，接地点要可靠接地，若采用 屏蔽电缆，屏蔽层也应接到地上。如果 2 A电流仍 不能满足从站的要求，就必须采用带有辅助电源 的从站模式或使用带有附加电源的中继器。 · 2l· 维普资讯 http://www.cqvip.com 现场总线技术 初 地 数据解耦电路 固 3 ASI电源和数据解耦电路 4 访问方式和报文 ASI总线系统为主从结构，采用请求一应答 的访问方式。主站先发出一个请求信号，信号中 包括从站的地址。接到请求的从站会在规定的时 间内给予应答，在任何时间只有 1个主站和最多 31个从站进行通信。一般访问方式有两种：一种 是带有令牌传递的多主机访问方式；另一种是 CSMA／CD方式．它带有优先级选择和帧传输过 程。而 AsI的访问方式比较简单，为了降低从站 的费用、提高灵活性，一方面在不增加传输周期的 条件下尽量包括更多的参数和信息，另一方面传 输周期的时间应能自动调整，例如系统中只有 6 个从站时，传输周期为 1 ms，而有31个从站时周 期约为5 ms。如果在网上有短暂的干扰时．主站 没有收到从站的应答信号或收到的是错误无效的 信号时，主站可以重发信息而无需重复整个传输 周期。 ASI总线的总传输速率为 167 Kb／s，它包括 所有功能上必要的暂停。允许的网络传输速率为 53．3 Kb／s，从这一点看它的传输效率为 32％，与 其它现场总线系统相比，这个数值较好。但在电 磁干扰的环境下应采取进一步措施，以保证数据 传输的可靠性。 一 个 ASI报文由主站请求、主站暂停、从站 应答和从站暂停 4个环节组成，如图4所示。所有 的主站请求都是 H位，从站应答为 7位，每一位 的时间长度为6 s。主站暂停最少为3位，最多为 主站请求 主站暂停 从站应答 从站暂停 翔Ⅲ翔Ⅲ[Ⅱ田皿 ER 。ST E日 。 ST 固 4 AS1总线的报文结构 1O位。如果从站是同步的话，在主站3位暂停后 从站就可以发送应答信号 如果不是同步信号， 那么从站就必须在5位暂停后发送应答信号，因 为在这段时间内从站会在接收到完整有效的请求 信号后监测主站的暂停情况，看看是否还会有其 它信息。但是如果主站在 10个暂停位后没有接收 到从站的应答信号的起始位，主站会认为不再有 应答信号而发出下一个地址的请求信号。从站的 暂停只有 1位或 2位的时间。 在ASI报文中主站请求由以下具体信息组 成： 成 ST 起始位 SB 控制位 A0～ 从站地址位 Io～I{ 信息位 PB 奇偶校验位 结束位 主站请求开始。0为有 效．i为无效。 数据／参数／地址位或命 令位．0为数据／参 数／ 地址位，1为命令位。 被访问的从站 地址 (5 位)。 要传输的信息 (5位)， 请求类型。 在主站请求信息中不包 括结束位为 1的各位总 和必须是偶数。 请求结束，0为无 效．1 为有效。 在ASI报文中从站应答由以下具体信息组 ST 超始位 Io～I3 信息位 PB 奇偶校验位 EB 结束位 从站应答开始，0为有 效，1为无效。 要传输的信息(4位)， 应答类型。 在从站应答信息中不包 括结束位为1的各位总 和必顽是偶数。 应答结束，0为无效，1 为有效。 5 主站请求和从站应答 在ASI主从结构中，主站所发出的报文在系 统数据交换中占有重要的地位。主站的请求报文 共有 9种：(1)数据交换 要求从站把测量数据上 传给主站，而主站叉可以把控制指令下达给从 站c(2)写参数 设置从站功能，如传感器的测量 范围、激活定时器、在多传感器系统中改变测量方 法等。(3)地址分配 只有当从站地址为00H时 才有效。从站接到这个请求后，用 06H回答 表示 已收到了主站的正确请求，从站从此就可以在这 个新地址被呼叫了，同时把这个新地址存储在从 Metallurgical Industry Automation 2000 No 5 维普资讯 http://www.cqvip.com ASI总线的信号传输系统 站的EEPROM 中，这个过程大约需要 15 Ills c这 种方式使主站可以对运行中损坏后重新置换的从 站自动进行原有地址的设置。(4)复位 把被呼 叫的从站地址恢复到初始状态，从站用 06H回 答，整个过程需 2 ms。(5)删除操作地址 暂时把 被呼叫的从站地址改为00H，这个报文一般和“地 址分配”报文一起使用。当新地址确定后，从站用 06H回答。如果使用指令“Reset—ASI—Slave”就可 以恢复原地址。(6)读 I／O配置。(7)读 ID编码 从站的I／o设置和 ID编码在出厂时已经确定， 不能改变。(6)、(7)结合使用的目的是确定从站 的身份。(8)状态读取 读取从站状态缓冲器中的 4个数据位，以获得在寻址和复位过程中出现的 错误信息。(9)读出状态和状态删除 读出从站 状态缓冲器的内容，然后删除 在以上9种主站请求报文中，数据和参数的 传输有两种，设置和改变从站地址的有两种，对从 站进行识别和查询的有5种。表 1列出的是主站 9种报文的名称和内窖。 表 1 主站9种报文的名称和内容 6 传输故障特征 如果在非屏蔽 电缆上进行高速 ASI传输通 信，那么电磁兼容性(EMc)问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 就非常重要了。 发射干扰和现场的场强幅射干扰都不应超过欧洲 标准 EN55011给出的极限值，ASI系统的抗干扰 能力在 IEC801文件中已有详细的说明。大量的 ASI系统测试数据表明，由于传输信号采用了正 弦平方波，因此 ASI系统的发射干扰保持在 IEC 的规定值以下。ASI系统对于静态放电在 26 M～ 1 GHz频率范围内的电磁高速瞬间干扰的抵抗能 力可达到 3级。在最坏的情况下，通信将出现故 障，但系统具有检测功能并可以对报文进行重 发。因为是短信息，重发不会增加周期时间，只有 在报文发生严重错误时，才会增加报文的周期长 度。当位传输错误率在 70 b／s时，系统周期大约 为5 ms；如果错误率再高一点，周期时间变化不 大，ASI仍能保持它所有的功能。只有误差超过 5 000 b／s时，正常的数据传输才难以维持。 当ASI电缆被切断时 (如错误短接或故障断 开)，主站将不能访问位于断点另一侧的从站，而 位于主站一侧的从站仍可以被主站呼叫。通过管 冶金直动化 2000年第 5期 理服务程序主站能够诊断和发出故障信号，但前 提是数据解耦电路和电源这时应在同一侧，否则 系统就会完全瘫痪 如果在 ASI系统中没有使用 中继器，那么当电源发生故障时，ASI系统将停止 工作，有关故障的信息也不会得到。但如果使用 了中继器，因中继器可以向网络供电，那么电源故 障的影响就会减小，系统将维持部分功能。 ASI总线的传输系统是连接网络系统中主 站、从站、电源、控制器、传感器／执行器的通路和 桥梁。报文信号在传输系统中要经过多次的变换 和恢复，并要抵抗各种外界的干扰以保证准确、快 捷、可靠的信息交换，它是 ASI总线系统中重要 的组成部分。 参 考 文 献 l W em er R Kriesel，Otto W Madelung AS-Ittterfa⋯ Th Act㈣ Stn∞r-Interface for Automation 2rid revised and expanded edition 【sl】Carl HanKer Verlag Mtinchen Wien． 1999 2 王俊杰 ．一种新型的现场设备级监控网络——AsI总线 冶 盒自动化．2000．24(3)：18～22 (编辑 沈黎额) · 23· 维普资讯 http://www.cqvip.com