瑞薩電子ASI4U-V5芯片解決方案

概要

如今，工業(yè)自動化設備需要處理比以往更多的數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)的設備僅側重于實際任務所需的數(shù)據(jù)，而當今的設備還要處理用于配置、診斷、警報、參數(shù)化等用途的輔助數(shù)據(jù)。為此，我們需要新的通信系統(tǒng)來滿足這些不同級別的信息需求。Actuator-Sensor-Interface version 5（執(zhí)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(tǒng)系統(tǒng)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(tǒng)，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(tǒng)成本。ASI4U-V5芯片解決方案為ASi-5提供了一體化系統(tǒng)解決方案，確保提供簡單的集成選項，在ASi-5規(guī)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(jié)，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(yè)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(chuàng)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(fā)聯(lián)盟還為IC提供了經過驗證的固件。由于開發(fā)人員無需處理ASI4U-V5芯片的內部細節(jié)，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(shù)據(jù)僅通過數(shù)字I/O傳輸至芯 片，然后再通過ASi-5協(xié)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(shù)據(jù)。每個周期最多可以交換32個字節(jié)的數(shù)據(jù)，這樣可以實現(xiàn)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(tǒng)ASi實施是ASi-5規(guī)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(fā)團隊決定在ASi-3通道以上的頻譜中傳輸ASi-5數(shù)據(jù)。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(shù)據(jù)，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(zhí)行中，ASi-5數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)從主機傳輸?shù)綇臋C，然后再將數(shù)據(jù)由從機傳輸?shù)街鳈C。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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，每個數(shù)據(jù)通道采用循環(huán)冗余校驗（CRC）進行保護，這樣可以有效發(fā)現(xiàn)錯誤。所有進程數(shù)據(jù)傳輸同時在三個通道上發(fā)生。接收器必須在至少兩個通道上接收到相同的數(shù)據(jù)，才會將進程數(shù)據(jù)識別為有效（2oo3保護）。另外一種保護手段是每個符號連續(xù)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(shù)據(jù)傳輸，防止外部干擾?？偠灾?，這樣可以實現(xiàn)穩(wěn)定的數(shù)據(jù)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(wǎng)絡節(jié)點的數(shù)據(jù)速率

如果每個周期要傳輸16位以上的I/O數(shù)據(jù)，可通過通道捆綁和復用來實現(xiàn)。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(jié)。除了循環(huán)數(shù)據(jù)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(xié)商的。此外，AMC實現(xiàn)了很多新機制，例如診斷和參數(shù)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?？蛻糁恍鑼Ｗ⒂诟鱾€應用的正確連接，從而輕松地集成ASi-5收發(fā)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(shù)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(shù)轉換器后，一個數(shù)字模塊會對信號進行解調，并將已解調數(shù)據(jù)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(fā)檢測器會檢測到，并標記產生的錯誤數(shù)據(jù)。使用上文描述的機制，通?？梢越鉀Q這個問題。

內部CPU會接管所有后續(xù)處理步驟。在相反方向上，發(fā)送也通過類似方式實施。CPU將要發(fā)送的數(shù)據(jù)存儲在內部存儲器中。調制器單元通過數(shù)字方式調制信號，然后將數(shù)據(jù)值傳輸?shù)紸POS中的模數(shù)轉換器。后續(xù)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(shù)據(jù)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(tǒng)正常工作，必須將相應的配置存儲在 ASI4U-V5器件的閃存中?！昂喴讖恼尽钡乃刑囟▽傩远伎梢酝ㄟ^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(jié)的進程數(shù)據(jù)。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(tài)LED指示燈。

結論

ASi-5提供豐富的功能來支持工業(yè)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(shù)化、診斷和警報。它采用的傳輸技術非常先進，而且極其穩(wěn)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(shù)據(jù)。緊湊節(jié)能的設計有利于開發(fā)尺寸更小的設備。統(tǒng)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(xiàn)了現(xiàn)有系統(tǒng)的簡易擴展。除了芯片、固件和開發(fā)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。