CN201515389U - 一种AS-i主站模块 - Google Patents

Abstract

一种AS-i主站模块，包括主站单元、接口单元、以太网网关单元和电源电路，主站单元通过接口单元与以太网网关单元连接，电源单元给其余各单元供电；其中，主站单元包括信号转换电路、传输控制器和中央处理器，以太网网关单元包括CPU、网卡电路和串行通信电路。本实用新型集以太网接口和AS-i主站模块于一体，是一种以太网向工业网络的设备层延伸的设计。AS-i主站模块集成了以太网接口，可以与上位PC连接组成小型控制系统，也可以作为网络服务器组成复杂的扩展系统。本实用新型传输速度快，在短时间内就可以完成与所有的从站间的行数据交换；系统开放，采用以太网接口，与其他网络系统的兼容性和互操作性好，为用户节省安装和维护成本。

Description

一种AS-i主站模块

技术领域

本实用新型涉及工业自动化控制领域，适用于大型制造业的各种自动化生产和装配线，是一种带有以太网接口的AS-i主站模块。

背景技术

传统的工业控制应用中，现场设备与控制器之间采用一对一所谓I/O接线方式，传递24VDC或4～20mA信号。这种方式采用多线式连接，监查工作困难，需要大型控制柜来安置I/O卡，安装时间长，成本高。而采用现场总线技术，采用一根电缆通过通信的方式连接所有的现场设备，可以节省硬件成本，使设计、组态、安装、调试简便，系统维护、设备更换和系统扩充更加方便，并且系统的安全、可靠性得到了提高。AS-i就是这样一种用来在控制器(主站)和传感器/执行器(从站)之间双向、多站点数字通信的总线网络系统。AS-i总线系统由主站模块、若干个从站模块和传输系统三部分组成。传输系统由两芯传输电缆、AS-i电源和数据退耦电路构成。AS-i主站模块作为传感器/执行器的通信接口，代替了以往使用PLC的IO接口卡的方式，实现了现场总线系统的诸多优势。AS-i主站模块可以与不同的自动化系统配合使用。根据应用的规模，AS-i主站模块与现场设备之间的连接有两种不同的使用方式。对中小型系统而言，可以把主站模块集成到控制器中，对于复杂的扩展系统，AS-i总线技术同样提供了组成现场总线系统的理想配置，AS-i主站模块可以和现场总线产品集成在一起。但AS-i主站模块与上位机的通讯方面仍有待寻找一种适应性好的方式。

发明内容

本实用新型要解决的问题是：传统PLC用户安装、使用、维护不方便，成本较高，提供一种应用于AS-i系统中的AS-i主站模块，与上位机的通讯方式适应性好。

本实用新型的技术方案为：一种AS-i主站模块，包括主站单元、接口单元、以太网网关单元和电源电路，主站单元通过接口单元与以太网网关单元连接，电源单元给其余各单元供电；其中，主站单元包括信号转换电路、传输控制器和中央处理器，中央处理器通过传输控制器与信号转换电路连接，信号转换电路连接AS-i总线，以太网网关单元包括CPU、网卡电路和串行通信电路，CPU连接接口单元，CPU与网卡电路间通过串行通信电路连接。

本实用新型接口单元为双口RAM。信号转换电路设有电源检测电路，电源检测电路通过光耦隔离器与中央处理器连接，传输控制器为CPLD芯片，信号转换电路与传输控制器之间设有光耦隔离器，传输控制器和中央处理器之间通过一组并行的通道寄存器连接，所述所有光耦隔离器由一DC-DC电路供电，DC-DC电路的输入端连接AS-i总线。本实用新型的中央处理器设有RS232接口。

本实用新型集以太网接口和AS-i主站模块于一体，是一种以太网向工业网络的设备层延伸的设计。AS-i主站模块集成了以太网接口，可以与上位PC连接组成小型控制系统，也可以作为网络服务器组成复杂的扩展系统。本实用新型传输速度快，在短时间内就可以完成与所有的从站间的行数据交换；系统开放，采用以太网接口，与其他网络系统的兼容性和互操作性好，为用户节省安装和维护成本。

附图说明

图1是本实用新型电路原理框图。

图2为本实用新型网关单元示意图。

具体实施方式

如图1，包括主站单元、接口单元、以太网网关单元和电源电路，主站单元通过接口单元与以太网网关单元连接，电源单元给其余各单元供电；其中，主站单元包括信号转换电路、传输控制器和中央处理器，中央处理器通过传输控制器与信号转换电路连接，信号转换电路连接AS-i总线，以太网网关单元包括CPU、网卡电路和串行通信电路。本实用新型接口单元为双口RAM。传输控制器为CPLD芯片，信号转换电路与传输控制器之间设有光耦隔离器，传输控制器和中央处理器之间通过一组并行的通道寄存器连接。中央处理器设有RS232接口。

本实用新型AS-i主站采用的是交变脉冲调制方式APM，中央处理器向外发出信号，序列首先转换为能执行相位变换的位序列：传输控制器和中央处理器之间通过一组并行的通道寄存器连接，中央处理器向传输控制器发送并行数据，传输控制器将该并行数据转换成串行位流，并最终转换成Manchester-II码，通过串行I/O口发送给信号转换电路，这样就产生了相应的传输电流，传输电流通过AS-i电源检测模块时会产生电压突变，就会产生请求信号电压，并将此信号反馈至中央处理器。

信号转换电路通过高速的光电耦合器与传输控制器的I/O接口相连。传输控制器输出的Manchester-II码由信号转换电路转换成正弦平方波叠加到AS-i总线上，信号传输的电压脉冲被设计成正弦平方脉冲(Sin2-pulses)方式，这是考虑到低频干扰的影响，通过选择这种合适的传输波形来提高可靠性。信号转换电路接收从机应答产生的正弦平方波信号，并转换成串行位流，即Manchester-II码形式发送给传输控制器，传输控制器将信号转换电路接收到的Manchester-II码还原成并行应答数据，通过并行通道寄存器发送给中央处理器。这样传输控制器就完成了并行数据到串行数据的转换及串行数据的发送和接收。

中央处理器每隔154μS为传输控制器提供一个主机请求，并对前一个从机响应进行处理。从机响应被正确接收后，传输控制器产生一个标志信号通知中央处理器，引发中央处理器的外部中断。中央处理器完成执行控制层的所有函数功能，包括对从机的自动地址设定、AS-i主机单元的初始化、对从机的检测和激活、和从机的数据交换和系统扩展阶段的功能。中央处理器同时控制接口单元的读写，和以太网网关单元完成数据交换。

中央处理器外部还提供了RS232串行通信接口、FLASH和RAM的扩展。有利于与系统的诊断和人机交互，以及系统的更新和升级。中央处理器外部还设有多只可编程LED指示灯，显示中央处理器运行状态、AS-i总线运行状态、数据收发状态和一些状态错误等信息。

接口单元完成主站单元和以太网网关单元的数据交换。接口单元作为主站单元和以太网网关单元的公共存储区域，为主站和以太网网关单元分别提供了并行数据接口和读写控制。

以太网网关单元为主站单元提供了以太网接口，把AS-i总线数据通过网络传递给更高的控制层。其支持ETHERNET、ARP、IP、ICMP、IGMP、UDP、TCP、ModbusTCP、ModbusRTU等协议。同时以太网网关单元提供基于串口的上位机配置软件，可以设置IP地址、子网掩码、默认网关等信息，提供现场组网所必须的参数设置。

以太网网关单元硬件电路主要CPU、网卡、串口通信电路构成。CPU主要负责对网卡物理层的初始化，包括网卡的复位和寄存器控制。同时CPU通过接口单元与主站单元完成数据的交换。串口通信电路为网关单元提供了一个RS232的标准接口，通过该接口，用户可以连接基于串口的上位机软件，实现参数下载和上载，完成一个友好的人机交互功能。

下面为本实用新型的一个具体实施例。

中央处理器采用ARM7处理器LPC2214。LPC2214基于一个支持实时仿真和跟踪的16/32位ARM7TDMI-S CPU，并带有256K字节嵌入的高速Flash存储器。128位宽度的存储器接口和独特的加速结构使32位代码能够在最大时钟速率下运行。对代码规模有严格控制的应用可使用16位Thumb模式将代码规模降低超过30％，而性能的损失却很小。

网关单元如图2所示，包括CPU、网卡电路和串行通信电路。CPU采用C8051系列的高速Flash型单片机C8051F020，其具有25MIPS的速度、64k字节Flash程序存储空间，同时可以存储非易失性数据，以及4352字节RAM。网卡为超小型封装CP2200。CP2200通过并行的8位地址和8位数据线与CPU C8051F020相连接，与传统51单片机不同的是C8051F020可以提供数据地址非复用的方式，这样提高了CPU访问网卡的速度，以便系统对以太网数据做出高速的响应。CP2200符合IEEE 802.3协议：内置IOMbps以太网物理层器件PHY及媒介接入控制器MAC，可按业界标准的以太网协议可靠地收发信息包数据；具有可编程填充和CRC自动生成功能。同时具有可编程过滤功能：特殊的过滤器，可自动评价、接收或拒收Magic Packet、单播(Unicast)、多播(Multicast)或广播(Broadcast)信息包，以减轻主控单片机的处理负荷。高速率的并行主机接口；支持Intel和M0torola两种。8KB Flash存储器；8192字节非易失性数据存储空间，可对其进行灵活编程；工厂预编程的唯一48位MAC地址。

接口单元采用双口RAM芯片IDT71V321，其提供了2K字节的存储空间。左侧数据线I/OL0～7连接到LPC2214的低八位数据线，左侧地址线A0L0～10连接LPC2214的低位地址线，左侧片选信号连接到LPC2214的BANK1控制信号，左侧的读写和控制信号分别与LPC2214的读写控制信号和I/O口相连。右侧数据线I/OR0～7连接到C8051F020的八位并行数据线，左侧地址线A0R0～10连接C8051F020的低位地址线，左侧片选信号连接到C8051F020的高位地址线，左侧的读写和控制信号分别与C8051F020的读写控制信号和I/O口相连。

传输控制器采用了CPLD芯片XC9536，通过编程设置了带有时钟信号的移位接收寄存器，用于接收信号转换电路通过光耦传输来的AS-i总线的接收时钟信号和数据信号；XC9536的14位并行I/O口可LPC2214的P0口的14个I/O口相连，作为传输控制器和中央处理器的并行数据交换通道。同时也设置了串行发送通道，用于发送通过并行通道转过而来的数据给信号转换电路。

信号转换短路和传输控制器采用高速光电耦合器相连，光电耦合器选用了ACPL-M60L。信号转换电路和控制电路使用电气完全隔离的电源系统。信号转换电路的输入端连接ASI电缆的正、负端，采用DC/DC转换电路，输出DC 5V和24V，该5V为本实用新型的信号转换电路的其它器件提供电源，24V为光电耦合接口的发送端提供电源。主站提供了一路附加的DC24V输入，采用LC滤波电路后，通过LM2575开关转换电路转换为5V，再通过稳压模块转换为3.3V为主站的控制单元和网关单元提供控制电源。同时3.3V电源采用TPS7333产生1.8V电源供电给ARM内核。控制系统采用独立电源可以避免AS-i总线干扰控制系统，同时防止主机的高频信号耦合到AS-i总线上，使总线传输出现错误。

Claims (5)

1.一种AS-i主站模块，其特征是包括主站单元、接口单元、以太网网关单元和电源电路，主站单元通过接口单元与以太网网关单元连接，电源单元给其余各单元供电；其中，主站单元包括信号转换电路、传输控制器和中央处理器，中央处理器通过传输控制器与信号转换电路连接，信号转换电路连接AS-i总线，以太网网关单元包括CPU、网卡电路和串行通信电路，CPU连接接口单元，CPU与网卡电路间通过串行通信电路连接。

2.根据权利要求1所述的一种AS-i主站模块，其特征是接口单元为双口RAM。

3.根据权利要求1或2所述的一种AS-i主站模块，其特征是信号转换电路设有电源检测电路，电源检测电路通过光耦隔离器与中央处理器连接，传输控制器为CPLD芯片，信号转换电路与传输控制器之间设有光耦隔离器，传输控制器和中央处理器之间通过一组并行的通道寄存器连接，所述所有光耦隔离器由一DC-DC电路供电，DC-DC电路的输入端连接AS-i总线。

4.根据权利要求1或2所述的一种AS-i主站模块，其特征是中央处理器设有RS232接口。

5.根据权利要求1或2所述的一种AS-i主站模块，其特征是中央处理器设有RS232接口。

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