A phát hiện xung đột, huỷ bỏ bức điện
PS CPUPLC v ới giao
PS CPU Cảm biến/cơ cấu chấp hành PLC PS CPU PS CPU Cảm biến/cơ cấu chấp hành
PLC với giao diện bus trường
PS CPU PLC với giao PLC với giao
diện AS-i
Vào/ra phõn tỏn
Hỡnh 2.18.Ghộp nối cảm biến và cơ cấu chấp hành số với AS-i a) Nối điểm - điểm cổ điển b) Bus trường với vào/ra phõn
tỏn
Cấu trỳc của một mạng AS-i cú thể lựa chọn tuỳ ý theo yờu cầu kỹ thuật cũng như đặc điểm vị trớ và phạm vi đi dõy, vỡ thế việc thiết kế cấu hỡnh và thực hiện dự ỏn trở nờn dễ dạng. Vớ dụ, cú thể chọn cấu trỳc đường thẳng (Daisy- chain hay Trunk-line/dropline), hoặc cấu trỳc cõy như một mạng cung cấp điện bỡnh thường. Cỏc thành viờn tham gia cú thể được phõn bố đều trờn đường truyền, hoặc cú thể sắp xếp theo nhúm và ghộp nối qua đường trục hoặc đường nhỏnh. Khụng giống như cỏc hệ thống khỏc cú cấu trỳc bus, AS-i khụng yờu cầu sử dụng trở đầu cuối.
Trong một mạng AS-i cú một trạm chủ duy nhất đúng vài trũ kiểm soỏt toàn bộ họat động giao tiếp trong mạng, như được minh hoạ trờn hỡnh 3.26. Trạm chủ này cú thể là một mỏy tớnh điều khiển như PLC, PC hay CNC, hoặc cú thể là một bộ nối bus trường (fieldbus Coupler). Trong trường hợp trạm chủ là một bộ nối bus trường, nú cú nhiệm vụ chuyển đổi giao thức giữa một đoạn bus trường (vớ dụ PROFIBUS-DP) với mạng AS-i. Cỏc trạm tớ cũn lại cú thể là một module tớch cực ghộp nối với tối đa 4 bộ cảm biến hoặc cơ cấu chấp hành thụng thường, hoặc chớnh là một cảm biến/cơ cấu chấp hành cú tớch hợp giao diện AS-i (Trạm tớ) được nối trực tiếp hay qua một bộ chia với đường truyền.
Chiều dài tổng cộng của cỏp truyền cho phộp tối đa là 100một. Với cỏc khoảng cỏch lớn hơn, cần sử dụng một bộ lặp (repeater) hoặc bộ mở rộng (extender). Số trạm tớ tối đa trong một mạng là 31, tương ứng với tối đa 124 thiết bị (mỗi trạm tớ ghộp nối được tối đa 4 thiết bị). Cú nghĩa là, thực hiện truyền hai chiều sẽ cho phộp một trạm chủ quản lý tối đa 124 kờnh vào số và 124 kờnh ra số. Tốc độ truyền được quy định là 167 kBit/s, tương đương với thời gian bit là 6s.
Trờn hỡnh 2.19 là sơ đồ một cấu hỡnh mạng AS-i tiờu biểu, sử dụng cỏc sản phẩm của hàng Siemens. Một bộ điều khiển khả trỡnh S7-300 với module CP 342-2 đúng vai trũ là trạm chủ. Mỗi module tớch cực chứa cỏc vi mạch Slave-ASIC cú thể ghộp nối với 4 cảm biến/cơ cấu chấp hành thụng thường. Ngược lại,
AS-i Master (PC, PLC, CNC, …) Nguồn DC Bộ chia S/A AS-i Slave Bộ nối tớch cực
S/A S/A S/A S/A S/A S/A S/A S/A S/A
Cảm biến/cơ cấu chấp hành thụng
thường
Cảm biến/cơ cấu chấp hành là AS-i Slave
một module thụ động chỉ cú vai trũ là một bộ chia kờnh cho cỏc thiết bị cú tớch hợp vi mạch giao diện mạng.
Về cỏp truyền, AS-i quy định hai loại là cỏp dẫn điện thụng thường (cỏp trũn) và cỏp AS-i đặc biệt (cỏp dẹt). Trong khi cỏp trũn thụng thường dễ kiếm và giỏ thành thấp, thỡ loại cỏp dẹt cú ưu điểm là dễ lắp đặt. Đường kớnh lừi dõy phải là 1,5mm để đỏp ứng yờu cầu cung cấp dũng một chiều tối thiểu 2A (24V DC).
2.5.3 Cơ chế giao tiếp
AS-i họat động theo cơ chế giao tiếp chủ /tớ. Trong một chu kỳ bus, trạm chủ thực hiện trao đổi với mỗi trạm tớ một lần theo phương phỏp hỏi tuần tự (polling). Trạm chủ gửi một bức điện cú chiều dài 14bit, trong đú cú chứa 5bit địa chỉ trạm tớ và 5 bit thụng tin (dữ liệu đầu ra hoặc mó gọi hàm) chờ đợi trạm tớ này trả lời nội dung trong một khoảng thời gian được định nghĩa trước. Bức điện trả lời của cỏc trạm tớ cú chiều dài 7bit, trong đú cú 4 bit thụng tin (dữ liệu đầu vào hoặc kết quả thực hiện hàm). Vỡ khoảng cỏch truyền dẫn tương đối nhỏ, trong khi tốc độ truyền cố định là 167 kBit/s nờn thời gian một chu kỳ bus phụ thuộc hoàn toàn vào số lượng trạm tớ ghộp nối. Tuy tốc độ truyền khụng lớn, nhưng thời gian một chu kỳ bus tối đa được đảm bảo khụng lớn hơn 5mss (với 31 trạm tớ).
Cơ chế giao tiếp chủ-tớ của AS-i một mặt cho phộp thực hiện vi mạch ghộp nối cho cỏc trạm tớ rất đơn giản, dẫn đến giỏ thành thực hiện thấp, mặt khỏc tạo ra độ linh hoạt của hệ thống. Trong trường hợp xảy ra sự cố nhất thời trờn bus, trạm chủ cú thể gửi lại riờng từng bức điện mà nú khụng nhận được trả lời, chứ khụng cần thiết phải chờ lặp lại cả một chu trỡnh.
Hỡnh 2.20. Vớ dụ cấu hỡnh mạng AS-i với bộ điều khiển PLC S7-300 và modunle giao diện CP 342-2 (Siemens)
Bờn cạnh cỏc bức điện dữ liệu định kỳ, trạm chủ cũng cú thể gửi kốm cỏc thụng bỏo khỏc mà khụng gõy ảnh hưởng đỏng kể tới thời gian chu kỳ bus. Trong tổng cộng 9 loại thụng bỏo cú hai loại phục vụ truyền dữ liệu và tham số, hai loại dựng để đặt địa chỉ trạm tớ, năm loại được sử dụng để nhận dạng và xỏc định trạng thỏi cỏc trạm tớ.
2.5.4 Cấu trỳc bức điện.
Cỏc bức điện của AS-i được xõy dựng trờn nguyờn tắc đơn giản, giảm thiểu cỏc thụng tin bổ trợ để tăng hiệu suất sử dụng đường truyền. Thực tế, tất cả cỏc bức điện gửi từ trạm chủ (thuật ngữ AS-i: Lời gọi) cú chiều dài cố định là 14bit và tất cả cỏc bức điện đỏp ứng từ cỏc trạm tớ (thuật ngữ AS-i: trả lời) đều cú chiều dài cố định là 7 bit. Cấu trỳc của chỳng được minh hoạ trờn hỡnh 2.21
… 0 CB A4A3A2A1A0I4 I3 I2 I1 I0 P 1 0 S3 S2 S1 S0 P 1 …
Giữa lời gọi của trạm chủ và trả lời của trạm tớ cần một khoảng thời gian nghỉ dài từ 3-8 thời gian bớt. Bit điều khiển trong phần đầu lời gọi của trạm chủ ký hiệu loại thụng bỏo dữ liệu, tham số, địa chỉ hoặc lệnh gọi. AS-i phõn biệt 9 loại lệnh gọi, như được minh hoạ trờn hỡnh 3.22.
Trao đổi dữ liệu 0 0 A4 A3 A2 A1 A0 0 D3 D2 D1 D0 P 1
Đặt tham số 0 0 A4 A3 A2 A1 A0 0 P3 P2 P1 P0 P 1 Đặt địa chỉ 0 0 0 0 0 0 0 A4 A3 A2 A1 A0 P 1 Reset trạm tớ 0 1 A4 A3 A2 A1 A0 1 1 1 0 0 P 1 Xoỏ địa chỉ mặc định 0 1 A4 A3 A2 A1 A0 0 0 0 0 0 P 1 Đọc cấu hỡnh vào/ra 0 1 A4 A3 A2 A1 A0 1 0 0 0 0 P 1 Đọc mó căn cước 0 1 A4 A3 A2 A1 A0 1 0 0 0 1 P 1
Lời gọi (trạm chủ) Nghỉ Trả lời (trạm tớ)
Bớt đầu (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Bớt điều khiển
Địa chỉ trạm tớ Thụng tin cho trạm tớ
Bớt chẵn lẻ
Bớt cuối Bớt đầu Bớt cuối
Bớt chẵn lẻ
Thụng tin trả lời
Đọc trạng thỏi 0 1 A4 A3 A2 A1 A0 1 1 1 1 0 P 1
Đọc và xoỏ trạng thỏi 0 1 A4 A3 A2 A1 A0 1 1 1 1 1 P 1
Hỡnh 2.22. Cấu trỳc cỏc lệnh gọi từ trạm chủ AS-i
2.5.5 Mó hoỏ bớt
Như trong phần 1.7 đó đề cập, trong việc lựa chọn một phương phỏp mó hoỏ bit cần chỳ ý một số yếu tố liờn quan tới lĩnh vực ứng dụng cụ thể như khả năng đồng tải nguồn, dải tần tớn hiệu mạng, thụng tin đồng bộ nhịp và khả năng phối hợp kiểm lỗi. Trong khi cỏp hai dõy sử dụng cho AS-i cú đặc tớnh suy giảm mạnh theo tần số tăng, cũng như độ bức xạ nhiễu trong mụi trường cụng nghiệp cần phải giảm thiểu thỡ việc hạn chế dải tần của tớn hiệu đúng vai trũ đặc biệt quan trọng. Bờn cạnh đú, do yờu cầu đơn giản và hiệu suất của cỏc bức điện, nờn khả năng tự đồng bộ nhịp và phối hợp phỏt hiện lỗi cũng cần được quan tõm.
Từ cỏc lý do nờu trờn, một phương phỏp mó hoỏ bớt mới được đưa ra – phương phỏp điều chế xung xoay chiều APM (Alternate Pulse Modulation). APM cú thể xem như sự kết hợp giữa hai phương phỏp AFP (Alternate Flanks Pulse) và mó Manchester (Xem phần 2.7). Hỡnh 2.22 minh hoạ nguyờn lý làm việc của phương phỏp này.
Một dóy bit cần gửi trước hết được biến đổi sang mó Manchester, với mục đớch tạo thụng tin đồng bọ nhịp và trung hoà sự xuất hiện của cỏc bit 1 và 0. Dũng điện tương ứng từ bộ phỏt nhờ tỏc dụng của cỏc cuộn cảm trong mạch cỏch ly dữ liệu sẽ tạo ra mức tớn hiệu điện ỏp như mong muốn trờn đường
truyền. Một sườn lờn của dũng tạo một xung điện ỏp õm và ngược lại, mỗi sường xuồng của dũng tạo một xung điện ỏp dương trờn đường truyền. Về phớa bờn nhận, cỏc xung õm và dương của tớnh hiệu điện ỏp sẽ được phỏt hiện. Dựa vào khoảng cỏch xuất hiện cỏc xung, bộ thu cú thể phõn biệt cỏc bớt 1 hoặc 0 và tỏi tạo dóy bit nguồn.
Do cỏc xung điện ỏp được tạo ra cú dạng gần giống hỡnh sin, cú nghĩa là dải tần của tớn hiệu rất hẹp và tần số của tớn hiệu tương đương với tần số nhịp bus, tỏc động bức xạ nhiễu ra bờn ngoài được giảm thiểu. Bờn cạnh đú, mầu diễn biến đặc biệt của tớn hiệu trờn đường truyền một mặt giỳp bờn nhận cú thể tại tạo nhịp và mặt khỏc cú thể phỏt hiện lừi trong một số trường hợp nhất định. Hơn thế nữa, sự thay đổi tuần tự giữa cỏc xung õm và dương sẽ làm triệt tiờu dũng một chiều ngoài mong muốn, tạo khả năng xếp chồng dũng nuụi cung cấp cho cỏc thiết bị. Cú thể nhận thấy, phương phỏp này phối hợp được cỏc ưu điểm của mó Manchester và AFP, thoả món cỏc yờu cầu như đó bàn trờn đõy.
2.5.6 Bảo toàn dữ liệu
AS-i sử dụng cỏc bức điện rất ngắn và yờu cầu hiệu suất sử dụng cỏc bức điện rất cao, vỡ vậy khụng thực hiện chức năng bảo toàn dữ liệu ở lớp 2 như đa số cỏc hệ thống bus khỏc. Thay vào đú, lớp 1 chịu trỏch nhiệm hoàn toàn trong việc kiểm tra lỗi, dựa vào bớt chẵn/lẻ kết hợp với phương phỏp mó hoỏ bit hợp lý. Trước hết, trong một chu kỳ bit (6s) tớn hiệu trờn đường truyền được bộ thu lấy mẫu 16 lần. Theo phương phỏp điều chế APM mụ tả ở phần trờn, trong mỗi chu kỳ bớt phải cú một hoặc hai xung và cỏc xung kế tiếp phải đảo chiều. Chỉ cỏc tớn hiệu cú dạng này mới được cụng nhận và giải mó trở lại, ngược lại sẽ được coi là nhiều và bị loại bỏ. Tiếp theo, mỗi bức điện đều cú chiều dài cố định, cú bớt đầu, bớt cuối và được ngăn cỏch bằng một thời gian nghỉ, vỡ vậy một số sai lệch nhất định trong tớnh hiệu cũng sẽ được phỏt hiện. Cuối cựng, nội dung thụng tin sử dụng trong mỗi bức điện (chủ hoặc tớ) được kiểm tra bằng một bớt chẵn lẻ.
Mặc dự theo lý thuyết thỡ khoảng cỏch Hamming của phương phỏp bit chẵn /lẻ chỉ là 2, nhưng tỉ lệ lỗi cũn lại (xỏc xuất một bức điện bị lỗi khụng phỏt hiện được) được đỏnh giỏ là rất thấp. Vớ dụ, ngay cả khi tỉ lệ bit lỗi là 0.0012 (tức khoảng 200 lỗi/s) thỡ khoảng cỏch trung bỡnh giữa hai lần lỗi của cỏc bức điện trạm chủ lớn hơn 10 năm.
Mỗi bức điện bị lỗi sẽ phải gửi lại. Vỡ lý do cỏc bức điện ngắn nờn việc gửi lại cỏc bức điện lỗi chỉ gõy ảnh hưởng đỏng kể tới thời gian chu kỳ bus khi tỉ lệ bit lỗi rất lớn. Vớ dụ với 31 trạm tớ, trong trường hợp truyền khụng cú lỗi thỡ trong một chu kỳ bus cú 33 bức điện kể cả 2 bức điện thụng bỏo tham số được trao đổi. Thời gian chu kỳ bit sẽ là:
33 x 25 bit x 6s/bit = 4.95 ms.
Nếu xuất hiện trung bỡnh một bức điện bị lỗi và phải gửi lại trong mỗi chu kỳ, cú nghĩa là vào khoảng 200 lỗi trong một giõy, thỡ chu kỳ bit sẽ kộo dai:
34 x 25 bit x 6s/bit = 51 ms.
Trong trường hợp mười bức điện bị lỗi phải gửi lại trong một chu kỳ, thời gian chu kỳ bus sẽ là: 43 x 25 bit x 6s/bit = 6.45 ms.
2.5.7 Ghi chỳ và tài liệu tham khảo
Sau khi hợp tỏc phỏt triển AS-i vào năm 1994 thành cụng kết thỳc, việc quản lý giỏm sỏt chuẩn, chứng nhận hợp chuẩn, định nghĩa cỏc profiles và hỗ trợ cỏc nhà sản xuất cũng như sử dụng được chuyển sang hiệp hội AS International Association. Trong quỏ trỡnh phỏt triển tiếp tục, một số hạn chế trong chuẩn AS-i cũ được xoỏ bỏ. Vớ dụ, nhiều sản phẩm AS-i cũng cho phộp truyền dữ liệu tương tự qua cỏc bức điện ngắn, hoặc cho phộp cỏc bộ cung cấp nguồn 6-8A thay cho 2A như trước đõy.
Tuy nhiờn, trong việc lựa chọn hệ thống mạng truyền thụng, cần chỳ ý nhược điểm cơ bản của AS-i là chủng loại thiết bị trờn thị trường cú thể nối mạng được bị hạn chế. Nếu như hệ thống cần cỏc thiết bị cảm biến và chấp hành tương tự thụng thường, thỡ đương nhiờn phải cần thờm một hệ thống bus thứ hai.