专业的AS-i总线技术讲解：AS-i的工作模式及通信过程
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AS-i简介
执行器/传感器接口简称AS-i总线，AS-i总线是一种用来在控制器(主站)和传感器/执行器(从站)之间双向交换信息的总线网络系统，针对的是工厂控制中最底层的位式传感器和执行器。
下面进入正题，请对AS-i还不够了解的朋友们百度关于它的基础知识，小编就不在此多作解释啦！
AS-i工作模式简介
1.AS-i的工作阶段
(1)离线阶段
离线阶段又称为初始化模式，在该阶段设置主站的基本状态，模块上电后或重新启动时被初始化，在初始化期间，所有从站输入和输出数据的映像被设置为0（未激活）。
(2)启动阶段
在启动阶段，主要检测AS-i电缆上连接有哪些从站以及他们的型号。厂家制造AS-i从站时通过组态数据，将从站型号永久地保存在从站中，主站可以请求上传这些数据。状态文件中包含了AS-i从站的I/O从站分配情况和从站的类型（ID代码），主站将检测到从站存放在检测到的从站表中。
(3)激活阶段
在激活阶段，主站检测到AS-i从站后，通过发送特殊的呼叫激活这些从站。
主站处于组态模式时，所有地址不为0的从站被激活，在这一模式，可以读取实际值并将他们作为组态数据保存。
主站处于保护模式时，只有存储在主站组态中的从站被激活，如果在网络上发现的实际组态不同于期望的组态，主站将显示出来。主站把激活的从站存入被激活的从站表中。
2.工作模式
启动阶段结束后，AS-i主站切换到正常循环工作模式。
(1)数据交换阶段
在正常模式下，主站将周期性地发送输出数据给各从站，并接收他们返回时应答的报文，即输入数据，如果检测出传输过程中出现错误，主站将重复发出询问。
(2)管理阶段
在这一阶段，处理和发送下述可能用到的控制应用任务：将4个参数位发送给从站，例如设置门限值、改变从站的地址。
(3)包含（inclusion）阶段
在这一阶段，新加入的AS-i从站将被更新到主站已检测到的从站列表中，如果他们的地址不为0，将被激活。主站如果出于保护模式，只有储存在主站期望组态中的从站可以被激活。
3.AS-i的寻址模式
(1)标准寻址模式
AS-i的节点（从站）地址为5位二进制数，每一个标准从站占一个AS-i地址，最多可以连接31个从站，地址0仅供产品出厂时使用，在网络中应改用别的地址。每一个标准AS-i从站可以接收4位数据或发送4位数据，所以一个AS-i总线网段最多可以连接124个二进制输入点和124个输出点，对31个标准从站的典型轮询时间为5ms，因此AS-i适用于工业过程开关量高速输入输出的场合。
(2)扩展的寻址模式
在扩展的寻址模式中，两个从站分别作为A从站和B从站，使用相同的地址，这样使可寻址从站的最大个数增加到62个。由于地址的扩展，使用扩展寻址模式时每个从站的二进制输出减少到3个，每个从站最多4点输入和3点输出。一个扩展的AS-i主站可以操作186个输出点和248个输入点。使用扩展寻址模式时对从站的最大轮询时间为10ms。
AS-i通信过程详解
除了硬件电路，AS-i主机的通信原理和数据流程主要是建立在通信协议之上的。AS-i通信协议把主机的通信过程分为四层结构：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。传输物理层描述的是主机与AS-i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的传输信号不受各种干扰的影响。传输控制层主要负责主机与从机交换报文的管理工作，执行相应的指令以实现其他层与该层的数据交换。执行控制层则完成控制信息的处理和自动执行地址分配。主机接口层是和执行控制层之间命令传送的接口。
1.传输系统
AS-i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。两线制非屏蔽铜质电缆用作AS-i中的传输介质，其有很好的防水防尘特性，防护要求达到IP67。
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AS-i总线系统中重要的组成部分。信号以电压信号方式传送，为了满足传送的安全性，信号频率不能太高，以防止信号扩散，而且非屏蔽双芯电缆只适用于低频范围。
AS-i子网的电缆用于处理数据传输以及为传感器和执行器分配辅助电能。AS-i子网使用电气总线，AS-i不支持光和无线网络。AS-i接口可以作为子网连接到更高级别的总线系统，网关用于将两个网络相互连接。
2.信号调制过程
AS-i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。AS-i信号的调制采用交变脉冲调制方式(APM，Alternating Pulse Modulation)，这是一种在基频进行调制的串行通信方式。
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，并被转换为曼彻斯特编码，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，通过选择合适的传输波形可以提高可靠性。经过这种调制后的信号在规定的拓扑结构中，每两位脉冲信号的间隔只有6μs。
3.电源和数据解耦
AS-i电源可以与之相连的数据解耦电路提供DC 29.5~31.6V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，最大可输出电流为2A，并具有可靠的短路过载保护。AS-i在对称的、非接地条件下工作。为了达到EMC要求，要求网络尽可能平衡。在平衡网络中，屏蔽线要接地，在AS-i网络中也只允许该点接地。
数据解耦电路由两个50uH的电感和两个39Ω的电阻并联组成(如下图所示)，通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，两个电阻代表了网络的边界终端。为使电路信号噪声最低，必须采用高对称性的电路结构，两个电容和两个电感应完全相等，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2A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或使用带有附加电源的中继器。
在数据收发过程中，发送装置所传输的数据按顺序被转换成曼彻斯特码，然后经过正弦二次方信号脉冲调制，被平滑调制成电流信号，解耦装置最终会把电流信号转化为电压信号供接收装置接收。
APM是在曼彻斯特码的电平发生跳变时才产生脉冲，即在上跳变时产生一个正向正弦二次方脉冲，在下跳变时产生一个负向正弦二次方脉冲，解耦装置在最后把电流信号转换成所有装置都能接收的电压信号。当电流通过解耦装置内的电感元件时会产生电压突变，增加的电流产生负向电压信号，减少的电流产生正向电压信号。接收装置再按照相反的过程进行解码，将电压信号转换成原始数据。主站发出的请求信号经过编码转换为可以执行相位变换的位序列，从而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，每一个减小的电流产生一个正电压脉冲，通过这种方法得到请求信号。从站接受AS-i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请求信号的转换过程。
4.访问方式和数据报文
AS-i总线系统为主从结构，采用请求-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。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。
AS-i总线的总传输速率为167kbit/s，它包括所有功能上必要的暂停。允许的网络传输速率为53.3kbit/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。
(1)AS-i总线报文结构
如下图所示，一个AS-i报文由主站请求、主站暂停、从站应答和从站暂停四个环节组成。所有的主站请求都是14位，从站应答为7位。主站暂停最少为3位，最多为10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，看看是否还会有其他信息。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。
(2)AS-i主站请求报文格式如下图所示。
在AS-i报文中主站请求由以下具体信息组成，如下表所示。
(3)AS-i从站应答报文格式如下图所示。
(4)主站请求的报文种类
在AS-i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（见下表），具体如下：
1)数据交换：要求从站把测量数据上传给主站，而主站又可以把控制指令下达给从站。
2)写参数：设置从站功能。
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站的EEPROM中，这个过程大约需要15ms。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2ms。
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—AS-i-Slave”就可以恢复原地址。
6)读I/O配置：从站的I/O设置在出厂时已经确定，不能改变，与ID编码可确定从站的身份。
7)读ID编码：从站的ID编码在出厂时已经确定，不能改变，与I/O设置可确定从站的身份。
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。
(5)传输检测与故障
通过上述的传输规则，可以获得非常高的传输安全性。任何情况下，都可以检测1个，2个或3个错误，甚至对4、5个错误的检测，也能够达到99．9999％的正确率。这也是因为主站在每个循环周期内对所有从站进行访问，可以及时地探测到从站的故障。
主站对于从站地址错误故障，通过和最初的地址列表对比，可以检测到地址是否正确。大量的AS-i系统测试数据表明，由于传输信号采用了正弦平方波，因此AS-i系统的发射干扰保持在IEC的规定值以下。AS-i系统对于静态放电在26MHz~1GHz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70bit/s时，系统周期大约为5ms；如果错误率再高一点，周期时间变化不大，AS-i仍能保持它所有的功能。只有误差超过5000bit/s时，正常的数据传输才难以维持。
(6)AS-i接口服务
AS-i服务支持通过循环数据传输与分布式执行器和传感器进行直接通信。控制程序访问分布式设备的方式与集中式I/0设备访问的方式相同。对传感器和执行器进行寻址的方式与对集中式I/0设备进行寻址的方式相同，即通过直接I/0访问或过程映像交换进行访问。主站将循环读取输入数据并写入输出数据。而且可以非循环地交换参数和诊断数据。此外，主站还可以更改从站的地址(如果从站支持)。AS-i通过自动重复传输数据和附加校验方法(每字符奇偶位和特殊信号形状)，可以进一步提高数据完整性和准确性。
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选自《S7-300/400系列PLC应用设计指南》
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