概要

如今，工業自動化設備需要處理比以往更多的數據。傳統的設備僅側重于實際任務所需的數據，而當今的設備還要處理用于配置、診斷、警報、參數化等用途的輔助數據。為此，我們需要新的通信系統來滿足這些不同級別的信息需求。Actuator-Sensor-Interface version 5（執行器-傳感器-接口版本5，簡稱Asi-5）有利于建立相應的機制，以滿足這種信息處理需求，同時達到傳統系統的可靠性，提升周期時間性能。由于ASi-5是一種真正的總線系統，因而它在線纜安裝方面有很高的靈活性，從而降低了整體系統成本。ASI4U-V5芯片解決方案為ASi-5提供了一體化系統解決方案，確保提供簡單的集成選項，在ASi-5規范定義的所有模式下支持ASi-5。

本文將探討ASi-5技術的一些細節，概述如何在ASI4U-V5芯片解決方案中實施這種技術。

1關于 ASI4U-V5

瑞薩電子利用其在傳輸方法和半導體技術領域的專業知識，為ASi-5標準制定及其在芯片解決方案中的技術實施做出了貢獻。特別是在模擬技術方面，瑞薩利用大量技術創新，實施了高度可靠的先進技術。除了ASI4U-V5半導體產品之外，開發聯盟還為IC提供了經過驗證的固件。由于開發人員無需處理ASI4U-V5芯片的內部細節，可以極大地簡化ASi-5的實施。所有芯片功能都通過固件集成在一起。該固件涵蓋在ASi-5標準中定義的兩種器件實施（見圖1）。在“簡易從站”模式下，進程數據僅通過數字I/O傳輸至芯 片，然后再通過ASi-5協議傳輸。

相反的，在“復雜從站”模式下，則通過SPI接口為IC傳輸數據。每個周期最多可以交換32個字節的數據，這樣可以實現復雜的應用，并擴展ASi-5的功能。

圖1：ASi-5從站選項

2ASi-5 傳輸功能

① 傳輸技術

兼容傳統ASi實施是ASi-5規范的一個關鍵要求。為了確保在同一線纜上保持與ASi-3的兼容性，開發團隊決定在ASi-3通道以上的頻譜中傳輸ASi-5數據。ASi-3使用時分多路復用方法，在5ms的周期時間內按順序交換數據，最多有31個從機（使用A/B尋址時有62個從機）。ASi-3占用從50kHz至500kHz的頻段。在實際執行中，ASi-5數據在2至8MHz之間的頻率下進行調制。這里使用了正交頻分復用方法。也就是將頻段分成若干個子頻段，每個子頻段用于傳輸單獨的數據流。使用ASi-5技術時，這些頻段之間的間隔為58.59kHz。正常工作條件下，至少有136個通道可用于ASi-5通信。在所有這些通道中，我們使用時分復用方法，首先在1.2ms內將數據從主機傳輸到從機，然后再將數據由從機傳輸到主機。我們使用的這種調制方法稱為差分四相相移鍵控（DQPSK）。使用DQPSK方法時，每傳輸一個符號，要傳輸兩個數據位。

圖2：出色的EMC可靠性

② 出色的EMC可靠性

在每個周期中，要雙向傳輸20位數據，每個數據通道采用循環冗余校驗（CRC）進行保護，這樣可以有效發現錯誤。所有進程數據傳輸同時在三個通道上發生。接收器必須在至少兩個通道上接收到相同的數據，才會將進程數據識別為有效（2oo3保護）。另外一種保護手段是每個符號連續傳輸兩次，這樣可以進一步防止短期電磁干擾。我們采用了上述三種不同方法來保護數據傳輸，防止外部干擾。總而言之，這樣可以實現穩定的數據傳輸，甚至在不利的傳輸條件下也能做到。

圖3：子周期/通道捆綁和復用/抖動

③ 取決于具體應用的總線配置

如圖3所示，在1.2ms周期內可以處理最多24個邏輯傳輸通道。這意味著可對最多24個從機進行尋址。如果要連接更多從機，可以通過時分復用過程，共享相同的傳輸頻率。這樣可以達到2.5ms、3.8ms或5ms的周期時間，最多連接48個、72個或96個從機。

④ 靈活配置每個網絡節點的數據速率

如果每個周期要傳輸16位以上的I/O數據，可通過通道捆綁和復用來實現。通道捆綁可在一個子周期中連接多個通道。使用復用技術，可在多個子周期中連接多個通道。通過這種方式，可在一個周期中交換最多32個字節。除了循環數據之外，還有一個稱為異步管理通道（AMC）的異步通道。這個通道耦合四個載波頻率用于進行通信，提供5倍的冗余。因此AMC占用20個載波頻率。從機的初始激活是通過AMC進行協商的。此外，AMC實現了很多新機制，例如診斷和參數化。

3ASI4U-V5：ASi-5 芯片解決方案傳輸功能

① 功能和接口

ASI4U-V5芯片解決方案滿足了ASi-5的所有要求。客戶只需專注于各個應用的正確連接，從而輕松地集成ASi-5收發器。圖4顯示了典型應用中的芯片連接。

圖4：主要接口和應用示例

固件存儲在芯片內部的非易失性存儲器上。傳感器/器件制造商通過調試接口，將取決于具體應用的ASi-5配置存儲在指定的可編程閃存位置，并由固件相應地進行解析。

線路上的ASi-5信號通過變換器，耦合到芯片內部的模擬、電源和振蕩器模塊（APOS）。在APOS模塊中，高精度模數轉換器的信號通過不同的放大器級和信號濾波器提供給接收器單元。在模數轉換器后，一個數字模塊會對信號進行解調，并將已解調數據存儲在內部存儲器中。當接收路徑因外部干擾而過驅動時，突發檢測器會檢測到，并標記產生的錯誤數據。使用上文描述的機制，通常可以解決這個問題。

內部CPU會接管所有后續處理步驟。在相反方向上，發送也通過類似方式實施。CPU將要發送的數據存儲在內部存儲器中。調制器單元通過數字方式調制信號，然后將數據值傳輸到APOS中的模數轉換器。后續的信號路徑通過阻抗變換器，再到濾波器和線路驅動器，后者在ASi線路上傳輸信號。

電源電壓來自于ASi線路上的24V至30V電壓。此外，還通過芯片中的內部LDO產生另外四個電壓。

在“簡易從站”應用中，最多可有22個I/O數據通過GPIO直接連接到相應的應用。GPIO直接耦合到相應的ASi-5傳輸通道。要讓整個系統正常工作，必須將相應的配置存儲在 ASI4U-V5器件的閃存中。“簡易從站”的所有特定屬性都可以通過片上配置部分進行配置。在工作過程中，應用不需要任何軟件組件來對ASI4U-V5器件進行尋址。這讓“簡易從站”模式非常容易實施。

相反的，在“復雜從站”模式下，應用接口是芯片上的SPI接口。器件上包含了固件，因而非常復雜。在這種模式下，每個周期最多可以傳輸32字節的進程數據。與“簡易從站”相反，它可以通過SPI接口來進 行診斷和事件處理。LED接口按照標準，獨立地控制狀態LED指示燈。

結論

ASi-5提供豐富的功能來支持工業4.0應用。它不僅支持實時通信，還支持各種輔助功能，例如參數化、診斷和警報。它采用的傳輸技術非常先進，而且極其穩定可靠。瑞薩提供的ASI4U-V5器件能夠盡可能地減少ASi-5接口集成的工作量。復雜傳輸方法的實施要分為硬件和固件這兩個部分。在“簡易從站”應用中，僅為芯片提供進程數據。緊湊節能的設計有利于開發尺寸更小的設備。統一固件可以保證 ASi-5器件的互操作性，同時保證與ASi-3的兼容性，實現了現有系統的簡易擴展。除了芯片、固件和開發板之外，瑞薩還提供有關芯片解決方案及其應用的大量文檔。

瑞薩提供的這款芯片采用64引腳QFN封裝（9 x 9 mm，0.5 mm間距），在典型應用中的功耗不足半瓦特。該芯片可在-40°C至85°C的溫度范圍內工作。瑞薩還提供參考電路、IC樣品和入門套件。