2024年1月15日发(作者：)
“AS2i总线技术及其应用”讲座 王俊杰“AS2i总线技术及其应用”讲座第4讲 AS2i主站和通信协议王俊杰(清华大学自动化系,北京 100084) AS2i主站是AS2i总线系统的核心,它由AS2i主机和控制器(如PC,PLC等)组成。向下它要和各个从站之间进行通信,向上通过网关可以和多种现场总线(如Profibus等)进行连接。主机在控制器的协助下,按照AS2i的通信协议与周边从机设备进行数据交换。AS2i使用德国Siemens公司的AS2i产品DP/AS2ILink20E网关,就可以使AS2i直接和Profibus-DP系统连接起来,构成Profibus-DP主站到AS2I主站再到AS2I从站的3层网络监控系统。主机的通信原理和数据流程是建立在主机的硬件电路和通信协议之上的。下面将重点介绍主机的工作原理以及和控制器的连接方式。2 主机的硬件电路AS2i主机的硬件电路包括中央处理器(CPU,80C31)、传输控制器和模拟电路3大部分。其中核心1 主机的性能特点AS2i主机可以看作是智能型传感器/执行器和控部件是中央处理器,用它可完成通信协议中“执行控制层”的功能,并可以与用户界面进行交互。而通信协议中的“传输控制层”对速度有较高的要求,因此它被制作成一个独立的功能单元即传输控制器(专用芯片,PIC16C57)。在通信协议的“传输物理层”中,有多种模制器之间的接口,它代替了以往使用的PLC中I/O卡方式,所有输入/输出信号都要和通信报文中的数据位相匹配,此外主机和控制器配合还要完成相应的诊断功能。由于ASI2i主机结构简单,组建系统时完全可以在控制器和AS2i内置的安装配置工具软件辅助下进行,不再需要高层总线开发时所需要的某些专用开发工具,因此更简单、方便。一旦某个AS2i从站发生故障,它也很容易用一个新的(地址为0)同样型号的从站模块来替代,并且主站会自动给新从站赋址,把故障模块原地址自动写入到新模块中。AS2i总线支持带电拔插功能。AS2i总线可与不同的自动化系统配合使用,根据拟电路,它们也被制作成各种分立的单元,如波形发生器、发送器、接收器和电源等。各种功能模块在中央处理器的控制协调下共同完成主机的功能,主机与控制器(例如PC和PLC)之间采用1k内存的双端口RAM(DP-RAM)实现数据交换。如图1所示。应用的规模,AS2i主机有两种不同的使用方式。对中小型系统而言,由于所需的信号较少,可以把主机集成到控制器中形成AS2I主站,如德国P+F公司的AS2i主站产品VAG-KF-R4,就是把AS2i主机电路和一个小型的PLC集成在一起,形成独立的分散型主从结构的监控系统。对于大型的复杂系统,AS2I总线同样提供了组成现场总线监控网络的理想方案,AS2i主站可以通过网关和其它各种现场总线进行连接,如和Profibus-DP的连接,这样AS2i主站就成为Profibus-DP系统的一个从站,而它的下面又可以带有AS2i的从图1 AS-i主机功能模块图2.1 中央处理器用于执行控制协调工作的中央处理器是单片机μ80C31,在正常操作中处理器每150s为“传输控制层”提供一个主机请求,并对前一个从机的响应进行处理。通信的过程是当从机响应被正确接收后“,传输控制层”将触发一次中断,即向“执行控制层”提供一个主机μ请求。在实际应用中由于最大值150s是不允许达到的,所以“执行控制层”的平均中断时间不能超过μ100s。这就意味着某些连续任务(如数据传输,接收)67站,于是就可以构成大型复杂的分布式监控系统。如
《自动化仪表》第26卷第1期 2005年1月不得不分配到不同的中断服务程序之中。主机的程序处理器有8k的存储空间,程序代码可储存在EPROM或微处理器内部的ROM中。一块1k38位的串行EEPROM可以存储系统中各个从机的配置信息和永久的间歇期内。单极性的正弦平方的电压脉冲通过比较器转变成矩形脉冲,并进入顺序控制器。顺序控制器负责检查各脉冲间相关的周期性位置及其正确状态的延续时间,正负脉冲交替产生,它们与时钟的偏差不得μμs和+1s。顺序控制器恢复了接收信号的超过-015时钟同步性,经过光电隔离并以很低的失真度将其送回主机的数字电路部分,这一恢复使得模拟电路和主机的数字电路之间在更长的距离上的通信成为可能。如果顺序控制器在从机响应中检测到差错,它将发出一个数字信号扰乱原有的差动曼彻斯特编码,这样数字电路中的“传输控制层”就可以将此差错辨认出来。2.4 主机与控制器的连接AS2i主机必须和控制器联接构成AS2i主站,典型性标志位,其与PC的接口则通过1k的双端口RAM来实现,主机可通过这个RAM与“执行控制层”的输入和输出映象区进行信息交流。2.2 传输控制器“执行控制层”的中央处理器和“传输控制层”的传输控制器之间的接口由一组并行的通道寄存器组成。通过对数据加入起始位、终止位和奇偶校验位,并实施差动曼彻斯特编码,传输控制器将报文由内部数据格式转化为AS2i的报文格式后进行发送。在主机报文发送终了时,中央处理器将检查主机暂停的长度,并等待从机响应。收到从机响应后,则将报文的起始位和终止位去除,再执行奇偶校验,最后把正确的响应写入通道寄存器。随后传输控制器向中央处理器发出中断请求信号,主机数据的传输控制通过一块专用芯片PIC16C57得以实现。PIC16C57同样承担出错时的处方式是用一个双端口的RAM,通过IS2i总线来完成主机和PC控制器之间的数据交换。也可以采用快速输入输出口(FIFO)和可编程控制器(PLC)连接,采用何种控制器是要根据实际情况来决定的。无论采用何种硬件连接,软件所要实现的功能是确定的,即在符合通信协议中“传输控制层”的要求下完成数据的交换。理,在从机响应缺失或出错的情况下,它将重复主机呼叫并向“执行控制层”报告。2.3 模拟电路3 通信协议AS2i通信协议把主机的通信过程分为4层结构,模拟电路可用于将数据信号调制成AS2i电缆上的正弦平方(sin2)脉冲信号,并对接收到的从机响应进行预处理。其基本原理如图2所示。即传输物理层、传输控制层、执行控制层和主机接口层。它们分别与ISO/OSI网络参考模型中的物理层、数据链路层、网络层和应用层相对应。各层的对应关系和主要功能如表1中所示。表1 AS-i通信协议各层的主要功能名 称主机接口层执行控制层传输控制层传输物理层功 能主机接口,面向操作者处理控制信息,自动地址分配数据报文传输管理收发脉冲的监控对应的ISO/OSI参考模型应用层 网络层 数据链路层物理层 图2 AS2i主机模拟电路方块图从图2中可以看出这是一个双向信号转换电路,由传输控制器输出端送出的数字信号通过光电耦合隔离器后到达脉冲波形发生电路,形成正弦平方的电压脉冲。这一传输信号再通过三极管的驱动转换成电流的形式,最后由电源解耦电路中的两个差动电感转变为AS2i传输线路所需的交变的正弦平方脉冲电压信号并发射到AS2i线路上去。从AS2i线路上接收到的从机响应的脉冲经由放大器加到两只二极管上,分别将正脉冲和负脉冲导向两条分离的路径。带通滤波器可做得相当窄,产生的超调量也将位于两个极性脉冲683.1 传输物理层“传输物理层”描述的是主机与AS2i电缆的电气连接特性,其作用是监控收发脉冲的状况和保护电缆上的传输信号不受各种干扰的影响。终端连接器的阻抗在不同频率下有不同的阻抗要求,这些要求的目的是采用一定的阻抗负载使信号的失真减到最小。AS2i各终端对地的阻抗要尽量保持一致。值得注意的是AS2i系统的连接导线不可避免地也要象天线一样接收和发射电磁波,也就是说,它的干扰信号是不可能完全消除的。图3表示了“传输物理层”的3个基本功能模PROCESSAUTOMATIONINSTRUMENTATION,Vol.26,No.1,January,2005
“AS2i总线技术及其应用”讲座 王俊杰块:发送器、接收器和比较电路。在发送暂停期间“传输控制层”禁止主机发送器工作,并接管整个AS2i传输线路,此时每一个扰动都将使发送暂停期延长至少1比特的间隔时间。稍领先于从机响应的扰动可能会过早地使主机接收器受到触发,这将导致主机接收器在实际的从机响应之前就接收到一个所谓“合法”的从机响应报文,因此,如果“传输控制层”在从机暂停期间再接收到脉冲的话,就必须丢弃在此之前的从机响应,因为那肯定是图3 AS-i传输物理层模块图一个由干扰引起的假报文。如果“传输控制层”在从机暂停结束之后并未从“执行控制层”接受新的指令,发送暂停期将会延长。在主机配置规定中,正常操作下的发送暂停期最长为2比特的间隔时间,这样便保证了AS2i信号传输的短周期性。如果完整的AS2i周期不大于5ms,则可以将发送暂μ停延长到最大值500s。在系统中延长AS2i周期,将使主机有更多的时间用于完成“执行控制层”的功能。“传输控制层”在每一个AS2i呼叫应答周期内只能完成一次数据传送,只有当“传输控制层”确认前一指令所要求的传送业已完成后“,执行控制层”才能提出下一个请求。这里有两种传输功能的选择:①单处理 当出现从机没有响应或接收到差错信息后,不重复主机呼叫。如果一次传输差错不致影响系统的功能时可使用此方式,而且这种方式可用于寻找新的从机。②多处理 当出现上述两种情况时,再一次重复主机呼叫。这样在不致使从机信号出现大的延迟的前提下,底层发生的单个差错可以立即被纠正。如果传输发生在最小的主机暂停时间终了之后和从机响应进行中的10比特间隔时间之内,并且接收无误,这样的传输才可以算是成功的。10比特的间隔中包括主机呼叫和从机响应所必须的3～5比特时间,以及沿AS2i电缆传输所需的1比特间隔时间,余下的4～从图3中可以看出,发送器把产生的信号经过脉冲整形电路的处理,并与电源的电压耦合后,便形成了AS2i的正弦平方的信号。发送器必须在线路电压低于1415V的时候仍能正常发送报文。而当电源的供应电压过低时,所有的从机都可以通过“ResetSlave”的报文而被重起。图3中含有滞回曲线的模块表示的是比较器,它随时监测AS2i线路上的直流电压,当电压值可以保证每一个从机都工作在可靠的工作状态时,发送“AS2iPowerOn”信号。AS2i电缆上无论是单个响应还是来自不同从机的多个响应都可被主机接收器获取。接收器的幅值容差范围很大,在标准信号幅值的30%上下波动的冲击都不会对主机接收器产生影响。并且系统在任意给定的拓补结构下都有良好的鲁棒特性。从机的响应水平还取决于从机在电缆上的位置。主机必须能检测出线路上不同位置从机的响应,而各个从机则只与同一位置固定的主机进行通信。3.2 传输控制层“传输控制层”负责主机与从机交换报文的管理工作。通过接受指令完成数据交换,同时完成来自“执行控制层”大量原始数据的传输。在向从机发送数据之前,信号按帧的方式组织起来,并加入奇偶校验位。下面是主机呼叫的报文格式:STSBA4A3A2A1A0I4I3I2I1I0PBEB6比特间隔时间用于采用中继器时对信号进行刷新。 其中,ST是起始位为0,SB是控制位,A4～A0是从站地址,I4～I0是数据位,PB是奇偶校验位,EB是结束位为1。主机与从机之间的数据交换过程可以分为主机呼叫、主机暂停、从机响应和发送暂停几个部分,如图4所示。主机暂停是发生在从机接收主机呼叫并加以回答之前,发送暂停是指从机响应后AS2i的闲置时间。图5显示出了传输控制层的工作过程。图5 传输控制层的工作过程 从图5中可以看到,在“传输控制层”中,主机的呼叫首先被进行差动曼彻斯特编码,加入起始位、停止位图4 AS2i报文传输周期和校验位后形成帧,然后发送到AS2i的电缆上。从机69
《自动化仪表》第26卷第1期 2005年1月在接收到主机的呼叫信号后,会向主机发送从机响应信号。主机在接收到AS2i电缆上从机的响应后,将对其进行曼彻斯特解码、起始位停止位的检查和奇偶校验,大部分的差错都可以在曼彻斯特码的检查和校验中被发现并得以改正。在接收从机响应过程中,如果在接收数据报文和校验帧时发现差错(这属于第一次差错),则主机将重复发送数据报文。如果主机接收到的数据报文仍然有差错(这属于第二次差错),该差错会直接被报告给“执行控制层”,后者将对差错进行管理。在主机呼叫传送和从机响应接收期间“,传输控制层”还负责AS2i的上电特征,如果在此期间电压过低,(APF)信息。将向“执行控制层”报告“AS2iPowerFail”的指令以实现其它层与该层间的数据交换。它在初始化、启动和正常操作3种条件下控制AS2i报文序列。系统上电后“,执行控制层”即切换到对主机的初始化操作,而后转至启动操作,以确定AS2i系统上所有运行的从机的工作情况,在随后的正常操作阶段便开始数据的循环交换。除此之外,它还完成用户通过“主机接口层”传来的操作指令。如果从机发生故障必须更换时“,执行控制层”将自动设定传感器和执行器的操作地址,以替换发生故障的旧的从机。“执行控制层”中还有许多系统数据域和列表,用来支持系统的运行。3.4 主机接口层“主机接口层”是用户和“执行控制层”之间命令传递的接口,如德国P+F公司的“ASI控制工具”软件。它把用户的命令或所编写的程序转成“执行控制层”可以识别的指令,因此用户可以象编写汇编语言一样来编写AS2i系统的控制程序。同样也可以使用一些开发工具软件,如VC++、VB、C等,用来编写AS2i系统的应用程序。50%处。此时,既使接收到合法的报文,其数据也是非法的。在低电压的条件下“,传输控制层”还必须保证对报文的接收和发送,尽管在这种情形下已无法实现合法的从机响应,但仍允许“执行控制层”对所有从机进行重启。3.3 执行控制层“执行控制层”位于“传输控制层”之上,执行相应(上接第66页) 在△I轴上的刻度值是最大电流增量的百分值。下面还标了△I值和I值,即电流的最大增量△Imax是16mA,而I是电流表上的示值,△I与I相差一个零位电流(4mA)。不论△P、F的最大值是多少,图示的关系不变。以设计最大流量为3t/h,最大差压为40kPa为例,信号转换过程中的具体数值见图2。图3 流量显示表盘在校验积算仪时一般将量分成4段5点,差压的电流信号与流量的对应关系如图4所示,可根据需要,参照图示方法任意划分段、点。图4 电流信号与流量的对应关系用孔板检测流量,技术成熟,精度高,经久耐用,图2 转换数据虽然其测量系统的非线性给实际操作带来不便,但在掌握了四象限信号转换图后,还是能运用自如的。 收稿日期:2003-12-15。作者陈国荣,男,1956年生,1992年毕业于东南大学,工程师;主要研究方向为计量技术与自动控制,在有关杂志上发表论文3篇。专门与孔板配套的差压变送器,其显示流量的表盘是非线性刻度,如图3所示。现为了便于比较,在表盘的外围添加了差压变送器输出电流刻度的示意图。电流△I是线性刻度,流量F是非线性刻度,与△I是开方关系,F∝△I1/2。当表头中的电流为I=8m/A时,△I是4mA,占△Imax的25%,指针指向满量程的70PROCESSAUTOMATIONINSTRUMENTATION,Vol.26,No.1,January,2005
