AS?i总线技术及其接口的设计

摘 ； 要： AS?i总线可以解决现有工业现场总线走线复杂、连接不便的的问题。为了扩展控制器对AS?i接口的兼容，论述了AS?i的特点并且设计了AS?i通信接口来实现控制器与AS?i网络通信的功能。根据现行GB/T18858.2?2012的规定，选用PIC16F916作为CPU，AS?i 4I?GE?MT作为通信转换接口芯片，实现了控制器与AS?i网络通信的功能。试验表明，该方案设计的接口可与各AS?i模块进行通信。

关键词： AS?i； 现场布线； 通信接口； GB/T18858.2?2012

中图分类号： TN911?34 ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； 文献标识码： A ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； 文章编号： 1004?373X（2014）23?0025?03

Abstract： The technology of AS?i can solve the difficulty of wiring in industrial field. To extend the compatibility of the controller with AS?I， the characteristics of AS?i are described in this paper. The communication interface of AS?i was designed to rea?lize the function that the controller communicates with other slaves via AS?i. Based on GB/T18858.2?2012， PIC16F916 was chosen as CPU and AS?i4I?GE?MT as communication converting interface chip to realize the functions of the network communication of controller with AS?i. The testing results show that the interface designed in this paper can communicate with other AS?i mo?dules properly.

Keywords： AS?I； field wiring； communication interface； GB/T18858.2?2012

0 ； 引 ； 言

在工业现场，最初的布线方式为并行走线，但是随着生产对象越来越复杂，所需检测、控制的点越来越多，若采取并行走线的方式，需要大量的线材并且不易于后期维护。AS?i总线采用两线制的底层通信系统，可以很好地解决上述问题，极大地简化安装布线和后期维护工作，并且可以和多种总线相连，从而构成工业控制系统。与其他总线相比，具有走线简洁方便、安装快捷等优点。

1 ； AS?i系统简介

AS?i（Actuator Sensor Interface）是传感器/执行器接口的缩写，属于底层设备级的总线系统，是一种用来在控制器（主站Master）和传感器/执行器（从站Slave）之间双向交换信息的主从结构监控网络。

1.1 ； AS?i系统总体结构

AS?i总线的总体结构如图1所示。来自控制器或者上层总线的数据经AS?i主站转换为AS?i特有的信号，与AS?i其他从站进行通信，AS?i电源提供稳定的电源并且提高整个网络的抗干扰能力。根据现行GB/T18858.2?2012标准，AS?i系统是由单个主站和最多62个从站组成的一个主从通信系统，每个从站都有自己特定的地址，它以非易失性的方式存储在从站内嵌的EEPROM中。主站可以更改每个连入AS?i网络的从站的地址，0作为初次加入AS?i网络从站的默认地址，以易失性存储方式存储。

<；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼12t1.tif>；

图1 AS?i系统结构

AS?i采用曼彻斯特Ⅱ型编码技术，这种编码技术的特点是数据自身带时钟信号，从而保证了AS?i两线制传输的可能。信号的调制采用交变脉冲调制方式，呈sin2形式的信号波形。如图2所示，原始序列首先转换为曼彻斯特Ⅱ型编码结构，进而在通信芯片的端口产生相应的电流信号，电流信号经过调制器在电缆上转换为sin2形式的信号波形，在信号接收端通过接收器重新建立原始序列。AS?i支持任意拓扑结构，如环型、树型、星型拓扑结构，各个模块都可以在网络的任何位置连入。AS?i传输距离是100 m，在有中继器的情况下可以拓展到300 m，在一般场合已完全能满足需求。

<；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼12t2.tif>；

图2 AS?i信号的调制

AS?i主从站之间通信采用特有的两芯黄色扁平电缆进行通信。该扁平电缆采用绝缘穿刺技术，将连接件针头按压入可以做到即插即用，而且扁平电缆的橡胶有自愈性，即使经过多次插拔后绝缘保护等级仍能达到IP67。但这并不表示AS?i必须采用扁平电缆，传统的通信电缆也能保证正常通信。

AS?i标准电源包括直流电源、对称电路以及去耦电路三个部分。它为整个总线系统提供电源，形成电压信号并排除一般模式下的噪声。

1.2 ； AS?i的技术特点

1.2.1 ； AS?i工作模式

AS?i的工作模式分为普通模式和扩展地址模式，普通模式下系统最多可以连接31个从站。为了增加更多的从站，在现行的GB/T18858.2?2012中增加了扩展地址模式，在不改变系统整体结构的情况下，通过调整报文编码结构使得系统做多可以接挂62个从站。

1.2.2 ； AS?i通信规则

AS?i的通信方式分为单次事件处理和组合事件处理。单次事件处理类型包括数据交换、写参数、地址分配等12种类型。由于每单个从站响应只包含4位信息，当涉及到多位数据传输的时候需要通过组合事件处理的方式传输。组合事件处理就是由多个单次事件组成，不包含旧的版本的话，组合事件处理类型一共有12种，分别对应16位输入或输出、串行通信现场设备等情况，基本上可以适应各种不同的情况。

AS?i的位时间定义为6 μs，从而计算得出波特率约为167 Kb/s。

AS?i指令时序如图3所示。

<；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼12t3.tif>；

图3 AS?i指令时序

主站请求：1位起始位，5位地址，5位信息，1位奇偶校验，1位结束位，共14位。

从站响应：1位起始位，4位信息，1位奇偶校验，1位结束位，共7位。

其中主站暂停时间约为16 μs，从站暂停时间为9～12 μs，一次完整的通信过程时间约为152 μs。每次通信过程主站发送4位数据并采集从站响应的4位数据，计算得数据传输效率约为32%。

1.2.3 ； 从站描述文件

根据国标GB/T18858.2?2012，为了提高执行器和传感器的互换性和系统的高度灵活性，通过片内EEPROM存储的十六进制的I/O码、ID码、ID2码来形成从站描述文件，从而确定一个从站的类型，不同的类型针对不同的工业现场情况。格式为S?[I/O码].[ID码].[ID2码]，其中ID2码为可选，例如S?7.4或S?B.A.5。

2 ； AS?i接口的设计

2.1 ； 硬件部分

2.1.1 ； 选型

CPU及晶振：由于AS?i的工作方式为轮询，所以需要不间断地占用CPU对信号端口进行扫描，因此AS?i接口需要单独占用一个CPU。目前常用的单片机类型有51系列，PIC，AVR，MPS430等，但由于AS?i的位时间是6 μs，51系列一个指令周期需要12个时钟周期，在运行速度上很难达到要求。作为AS?i端口的CPU，需要非易失性存储器存储如预期从站列表之类的系统数据，以便下次上电使用；在引脚数量选择上面，需要有两个引脚作为AS?i命令的接收发送端，预留20个引脚作为与上行总线通信和其他功能扩展如数码管显示、LED指示灯等。综合以上考虑选择PIC16F916作为本设计的CPU。PIC16F916是28引脚IC，具有3个I/O端口，最高频率可达20 MHz并且内置256 B E2PROM，该芯片满足上述要求。

PIC16F916有内部RC振荡器来提供时钟源，并且相比于外部晶振，具有更高的的可靠性和抗干扰能力。但是内部RC振荡器精度不够高，由于与PIC参与AS?i指令的生成，对晶振精度有较高的要求，所以采用外部晶振。在晶振频率的选择上，由于AS?i的位时间为6 μs并且采用曼彻斯特编码，即要求相应端口每3 μs产生一次电平变化，这就要求端口点评翻转周期大不能超过3 μs，并且要求在出从站暂停期间可以进行异常程序跳转。PIC单片机一个机器周期等于四个时钟周期，由于采用RISC指令集，除了程序跳转类指令都是一个指令周期，8 MHz晶振的情况下执行一条指令仅需05 μs，足以实现上述功能。

AS?i接口芯片的选择：AS?i的接口芯片有SAP5，A2SI，AS?i4U三个系列。其中A2SI不支持3.0的协议，SAP5多了安全从站功能，但这个功能对于本文并不需要，所以选定AS?i4U。AS?i4U芯片是ZMDI公司专门为AS?i生产的通信接口芯片，28引脚封装，可作为AS?i通信主站或者从站，具有数种片上数据预处理功能，符合GB/T18858.2?2012标准。

2.1.2 ； 部件

（1） 对称和去耦电路

由于AS?i4U芯片的引脚AS?i+，AS?i?产生的是电流信号，并且为获得高抗干扰能力，在不外接AS?i专用电源的情况下需要给AS?i接口设计对称和去耦电路，其作用是将电流信号转换成电压信号，构成终端电阻，使总线对地对称，去除噪声。

（2） 滤波模块

由于是两线制工作，信号线与电源线共用，所以需要考虑在AS?i4U的电源引脚加滤波模块。由于AS?i工作频率在50～300 kHz之间并且产生的是电流信号，要达到较好的滤波效果需要电容值比较大，采用电容倍增器进行滤波。

（3） 上行部分

为排除CPU与上行总线通信引起的干扰，需要增加光隔模块；需要注意的是由于AS?i传输速率为167 Kb/s，低速光隔无法满足需求。型号为6N135的高速光耦，具有体积小、寿命长、抗干扰性强、隔离电压高、高速度、与TTL逻辑电平兼容等优点，可以满足AS?i传输速度的要求。

（4） 降压稳压电路

由于AS?i工作在24 V左右，而PIC16F916许用工作电压范围为2～5.5 V，需要降压稳压模块。降压稳压部分选用常用的LM7805即可，需要注意的是LM7805散热不好，在PCB布线的时候将其与其他功耗原件分隔开来。若是对电压稳定性要求比较高，CPU工作电流不大散热要求比较严格的情况下可以选用LM431。

2.2 ； 软件部分

软件部分程序流程图如图4所示。

<；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼12t4.tif>；

图4 程序流程图

2.2.1 ； 程序初始化

单片机初始化：国标GB/T18858.2?2012规定起始位是1，由于AS?i采用曼彻斯特编码，即应该是负跳变，所以端口的初始状态应该是1，并且将各相关寄存器也设定为合适的值。

AS?i从站初始化：当整个AS?i网络从断电状态切换到上电状态时，网络内的从站处于未激活状态，这时从站是无法正常工作的。从站需要接收一个WPAR指令以激活从站，所以AS?i从站初始化函数需要从PIC内置的EEPROM读取出从站列表并进行激活。

2.2.2 ； 数据采集

指令的生成：由于AS?i主站命令为14位并且包含从站地址和信息，每个命令随着地址和信息的不同而不同，为了增强本AS?i接口的适用性，假设上位机不具备AS?i指令的生成和解析功能，这就需要有主站命令生成函数和从站回复解析函数，并且还要有奇偶位生成和判定函数，只有具备以上函数才能完成正常的AS?i指令的收发。由于命令的发送和接收都需要精准的时序，所以为使汇编语言编程更加方便准确，采用函数内嵌汇编语言的方式进行编程。

工作模式：AS?i有两种工作模式，一种是普通的轮询方式，但是这种方式下各个AS?i从站的数据输入和输出不是同时进行的。为了能让一定数量从站的I/O操作同时进行，AS?i规定了一种叫做同步数据I/O的工作模式。同步数据I/O流程如下：在保持主从站之间正常通信准则不变情况下，将从站接收到的DEXG作为触发条件，此时接收到命令的从站不会更新I/O，直到主站以地址升序方式轮询完整个AS?i系统；当主站再次发送具有最低地址的DEXG命令时，触发全部从站同时进行I/O操作。

2.2.3 ； 状态的更新

当程序进行完轮询之后，需要进行程序运行状态的更新操作如从站列表的更新，从站对应I/O数据的更新，发送需要上传给上层控制系统的数据，接收并处理从上层控制系统发送来的数据，生成相应的命令，更新CPU状态以及进行系统错误自检。

2.2.4 ； 异常处理

程序的异常处理都经由异常处理入口进入相应处理函数进行处理，如主从站暂停时间过长、数据结构异常、从站报警、低电压报警、上层网络通信异常等各种异常情况都需要进行相应的处理。

3 ； 结 ； 论

经过上述方法设计出的AS?i总线通信接口，已成功和AS?i从站进行通信，且具有抗干扰能力。本文考虑到了工业现场的各种因素，采用单独CPU处理通信功能，不占用上层网络处理器的资源，实用性强；软件程序充分考虑了异常情况的发生，与AS?i规约相应的错误自检功能相结合，可以很好地处理通信错误并有较强的实时性。

参考文献

[1] 陈一雷.AS?i总线的研究和系统设计[D].北京：清华大学，2002.

[2] 王俊杰.一种新型的现场设备级监控网络：AS?i总线[J].冶金自动化，2000，24（3）：18?22.

[3] 彭宽平.AS?Interface接口技术及应用[J].控制工程，2004，11（6）：28?31.

[4] 全国低压电器标准化技术委员会.GB/T 18858.2?2012低压开关设备和控制设备控制器：设备接口（CDI） 第2部分：执行器传感器接口（AS?i）[S].北京：中国标准出版社，2012.

[5] 谢锋然.PIC单片机原理及程序设计[M].北京：清华大学出版社，2013.

[6] Anon. AS?i bus operated sensors and actuators [C]// Procee?dings of Advances in Intelligent Systems. ； Amsterdam， Netherlands： IOS Press， 1997： 56?62.

[7] 郑旭.AS?i最简单的网络解决方案[J].仪器仪表标准化与计量，2004（3）：31?34.