CN212061144U - 一种基于asi总线的扩展系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种基于ASI总线的扩展系统，包括ASI主站以及从站，所述从站包括协议转化模块和MCU模块，其中：协议转化模块用以将ASI总线上的正弦平方模拟信号与MCU模块的数字信号进行相互转换；MCU模块接收外部输入端的信号读入并处理之后，转化成设定的从站响应格式传至协议转化模块。本实用新型通过对ASI总线系统的接口进行扩展，既可以实现串行扩展，也可以实现并行扩展，在外部条件不变的情况下，扩展了输入口的数量，降低了应用的成本。

Description

一种基于ASI总线的扩展系统

技术领域

本实用新型涉及电子电路领域，更具体地说，涉及一种基于ASI总线的扩展系统。

背景技术

ASI(Actuator-Sensor-Interface)是执行器-传感器-接口的英文缩写，它是一种用在控制器(ASI主站)和传感器/执行器(从站)之间双向交换信息的总线网络，它由ASI主站、从站、传输系统3部分组成，属于现场总线 (Fieldbus)下面底层的监控网络系统。

随着总线技术的发展，目前市场上最广泛使用的具有4i\4o的ASI从站模块，仅仅适用于输入和输出节点数量相当的情况，而在实际应用中，当输入节点需求达到多于输出节点时，则难以满足需求。

现有技术中，已有的系统输入节点的扩展方法有使用多地址实现从站扩展，但是多地址实现从站扩展存在如下缺陷：

1.总线可挂的从站数量大量减少，而且增加了总线成本；

2.数据逐个传输在工业环境下极易增加误码率，导致整个数据帧失效。

也有的方案是采用多周期传输的方法进行扩展，但此方法最多只能将端口扩展为16个输入控制节点，且存在很对限制条件如要求反馈等。

因此，如何总线系统的扩展能力，降低成本成为业界需要解决的的一个关键技术问题。

实用新型内容

针对上述关键技术问题，本实用新型公开一种基于ASI总线的扩展系统，包括ASI主站以及从站，所述从站包括协议转化模块和MCU模块，其中：

协议转化模块用以将ASI总线上的正弦平方模拟信号与MCU模块的数字信号进行相互转换；

MCU模块接收外部输入端的信号读入并处理之后，转化成设定的从站响应格式传至协议转化模块。

进一步地，所述协议转化模块与MCU模块之间连接的输入接口为D0(i)、 D1(i)、D2(i)、D3(i)，输出接口为D0(o)、D1(o)、D2(o)、D3(o)。

进一步地，当协议转化模块与MCU模块之间为串行进行扩展通信模式时，其接口为：

D0(i)为串行串行时钟线；

D1(i)为串行串行数据线；

D2(o)为选中线；

其中：

当D2(o)为低电平时，串行时钟线和串行数据线的逻辑关系为：

(1)、当串行时钟线处于低电平，串行数据线也处于低电平时，代表当前传输的为数据“1”；

(2)、当串行时钟线处于低电平，而串行数据线处于高电平时，代表当前传输的为数据“0”；

(3)、当串行时钟线处于高电平，而串行数据线处于低电平时，代表当前为两个传输数据中间的间隔位；

当D2(o)为高电平时，MCU模块不与从站进行通信，串行时钟线与串行数据线均处于高电平，当前无数据传输，处于空闲状态。

进一步地，当协议转化模块与MCU模块之间为并行进行扩展通信模式时，其接口为：

D0(o)：数据选择位0；

D1(o)：数据选择位1；

D2(o)：数据选择位2；

D3(o)：地址选择位；

D0(i)：数据位DI0 DI4 DI8 DI12 DI16 DI20 DI24 DI28；

D1(i)：数据位DI1 DI5 DI9 DI13 DI17 DI21 DI25 DI29；

D2(i)：数据位DI2 DI6 DI10 DI14 DI18 DI22 DI26 DI30；

D3(i)：数据位DI3 DI7 DI11 DI15 DI19 DI23 DI27 DI31；

当数据选择位D0(o)、D1(o)、D2(o)构成的值不同时，将对应的数据位的数据传输至ASI主站。

进一步地，所述MCU模块为stm32f030。

本实用新型通过对ASI总线系统的接口进行扩展，既可以实现串行扩展，也可以实现并行扩展，在外部条件不变的情况下，扩展了输入口的数量，降低了应用的成本。

为了对本实用新型有更清楚全面的了解，下面结合附图，对本实用新型的具体实施方式进行详细描述。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地说明。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例的结构示意图；

图2为本实用新型实施例的通信状态示意图；

图3为本实用新型实施例并行扩展通信的时序流程示意图；

图4为本实用新型实施例串行扩展通信示意图；

图5为本实用新型实施例串行扩展通信的时序流程示意图。

具体实施方式

如图1所示，本实用新型实施例的基于ASI总线的扩展系统包括ASI主站、协议转化模块、MCU模块，所述协议转化模块以及MCU模块构成从站。

其中，协议转化模块负责将ASI总线上的正弦平方模拟信号与MCU 模块的数字信号进行相互转换，使MCU能够通过总线与ASI主站进行数据交互。

MCU模块接收外部输入端的信号读入，本实施例以M个端口表示外部输入端的端口数量，通过MCU处理之后，传至协议转化模块，最后实现与ASI 主站数据进行交互。本实施例中，MCU模块选择以stm32f030来实现，外部输入信号由MCU模块获得后将其组成固定的从站响应格式传给协议转化模块。

本实施例中，MCU模块与协议转化模块有8个数据连接口，共计四个输入口(D0(i)、D1(i)、D2(i)、D3(i))和四个输出口(D0(o)、D1(o)、D2(o)、D3(o))。其中的(i)表示输入，(o)表示输出，其中输入端口用于数据传输，输出端口则用于数据和地址选择。

此外，MCU模块和外部输入节点的数据口进行连接，数据口用于接收外部传感器或者执行器的数据，这些数据通过MCU形成固定格式的串行数据，然后由协议转化模块将串行数据流调制成ASI总线信号通过两根电力线传输给ASI主站。数据口根据接入的传感器或者执行器的不同，可以选择不同的接口，比如接收光信号，则可以接入光耦合器(也称光耦)，本实施例为32个节点的光耦合器。

ASI主站与协议转化模块之间的通信为串行通信，协议转化模块与MCU模块之间的通信为并行通。

如图2所示，当数据通信正常时，一个ASI主站请求被从站收到后，如果数据都正确，从站会将对应的四个数据返回给ASI主站。当从站收到的ASI主站请求不正确时(如校验位不对，或者起始位不对等)，从站就不会返回从站响应。此时ASI主站没有收到从站响应，在第二次发送ASI主站请求时，数据选择位依然是000。

本实用新型实施例既可以实现串行扩展，也可以实现并行扩展，其具体实现方案如下：

串行扩展:

串行扩展将多个数据通过串行的方式形成不同的数据流，在M/4个ASI周期内将完整数据传输给ASI主站。其中，M为4的倍数，在仅需要输入控制节点时，忽略从站的输出控制节点，仅用输入控制节点进行串行数据传输，通过串行时钟线和串行数据线的组合来实现，其端口定义如表1：

位	类型	定义
			D0	i	串行时钟线
D1	i	串行数据线
			D2	o	选中线

(表1)

选中线	时钟	数据	定义
				0	0	0	数据0
0	0	1	数据1
				0	1	0	数据间隔位
1	1	1	空闲位

(表2)

如表1所示，在从站的输入输出的端口中，只使用D0(i)、D1(i)、D2(o)三个端口，其中D0(i)用作串行串行数据线，D1(i)用作串行串行时钟线，D2(o)用于选中线。该方法可在扩展地址与标准地址模式下应用，不使用额外的五个端口，这些位可在其他常规信息位传输中使用。

如表2所示，通过串行时钟线和串行数据线的逻辑搭配，在D2(o)为低电平时，定义出三种情况：

1、当串行时钟线处于低电平，串行数据线也处于低电平时，代表当前传输的为数据“1”。

2、当串行时钟线处于低电平，而串行数据线处于高电平时，代表当前传输的为数据“0”。

3、当串行时钟线处于高电平，而串行数据线处于低电平时，代表当前为两个传输数据中间的间隔位。

在D2(o)为高电平时，MCU模块不与从站进行通信，串行时钟线与串行数据线均处于高电平，当前无数据传输，处于空闲状态。

ASI主站与从站之间同样采用ASI主站请求、从站响应时形式进行通信。 ASI主站通过读取从站的ID对象的第四个字节建立相应长度的输入数据缓存区，下面以M(M为4的倍数)个数据为例。ASI主站先读取从站的ID对象，获得从站准备传输的数据长度M。从站上电后初始化会将所有输出控制节点置为高电平。其后ASI主站一共向从站发送M/4次ASI主站请求，其中在每ASI主站请求中(如并行扩展方法中ASI主站请求格式所述)D2(o)的数据都为0，将从站的选中信号激活，在从站接受完四个数据后会将选中信号关闭(即置为高电平)。在这M/4次ASI主站请求中，从站每次接收到ASI主站请求后都通过串行通信的方式，将四位数据传输至从站的输入缓冲区，然后进行从站响应将数据发送给ASI主站。

长度信息由ASI主站和从站按以下方式进行处理，最多处理64位。需要注意的是处理的数据位数越高，可挂从站的数量就越少，如表3所示。

(表3)

本实用新型实施例的串行通信以M等于12为例说明基于MCU模块的实现方式。

MCU模块共有三个接口与协议转化模块相连接，分别是D2(o)、D0(I)、 D1(I)。其中输入端口用于数据传输，输出端口则用于激活MCU模块，使其开始传输数据。

请参阅图3，图3为本实用新型实施例并行扩展通信的时序流程示意图。

如图3通信流程图中所示，每一个框为一个ASI周期。ASI主站发生请求时，只需要关心D2(o)＝0,其余三个数据可用于其他信息位传输。其余四个(i)端口是将从站返回的从站响应命令返回给ASI主站，一次ASI主站请求后紧接着一次从站响应为一个完整的ASI周期。

当系统启动时，进入初始化状态，按照既定好的M(下面以M＝12为例) 初始化整个系统，使得系统能按照规定好的通信流程图进行。

从站在上电后会进行复位操作，将所有输出控制节点置为高电平。ASI主站在开始运行后会首先读取从站的ID对象，可以在读取的数据中获知该从站的 M为12，然后建立对应的输入数据镜像区，长度为12位。在建立数据镜像区成功后，ASI主站会按照既定通信格式不断向从站发送ASI主站请求命令。

请参阅图4，图4为本实用新型实施例串行扩展通信示意图，在第一个ASI 周期，ASI主站向从站发送请求将选中线置0。在从站接收到ASI主站请求后， D2(o)被置为1，然后串行时钟线和串行数据线开始接收串行数据，数据0101 由最低位开始传输，并且在最后一个数据发送完后，D2(o)会自动置为高电平。在接收到四个串行数据后，从站将其通过从站响应的方式发送给ASI主站。在第二个周期中，传输的数据为1010，由最低位开始传输。在第三个周期中，传输的数据为1100，由最低位开始传输。在ASI主站接收到三个周期发送回来的完整的12位数据后，将其拼接成110010100101，并开始进行下一个周期。

并行扩展：

本实用新型所述ASI总线输入控制节点拓展的方法中的输入节点并行扩展方法，其实现方法是将多个数据通过在不同的时间，形成不同的数据流，在 M/4个ASI周期内将完整数据传输给ASI主站。

本实用新型将并行输入端口的M(小于等于32)个数据分配到多个ASI传输周期，在仅需要输入控制节点时，将多余的从站输出控制节点用于数据选择，输入控制节点用于数据交换功能，通过输出控制节点的时序选择来实现ASI输入控制节点扩展的目的，端口定义如表4：

(表4)

如上表所示，D0(o)、D1(o)、D2(o)用于数据选择位，D0(i)、D1(i)、D2(i)、 D3(i)用于数据通信位。M(M大于4，小于32，并且为4的整数倍)个数据分为M/4组，每组4个进行周期性传输。每组数据通过数据选择位D0(o)、D1(o)、 D2(o)进行处理，数据为D0(i)、D1(i)、D2(i)、D3(i)，将数据扩展为M位(M最大为32)。

D0(o)、D1(o)、D2(o)的组合，可以对应选择不同数据位的数据进行传输，其构成的值不同时，将对应的数据位的数据传输至ASI主站。

当数据选择位000时，代表着传输时序的开始。

若数据选择位为000(Bin)，Bin为位串，则输入位DI0、DI1、DI2、DI3 被传输至ASI主站；

若数据选择位为001(Bin)，则输入位DI4、DI5、DI6、DI7被传输至ASI 主站；

数据选择位为010(Bin)，则输入位DI8、DI9、DI10、DI11被传输至主站；

数据选择位为011(Bin)，则输入位DI12、DI13、DI14、DI15被传输至 ASI主站；

数据选择位为100(Bin)，则输入位DI16、DI17、DI18、DI19被传输至ASI 主站；

数据选择位为101(Bin)，则输入位DI20、DI21、DI22、DI23被传输至ASI 主站；

数据选择位为110(Bin)，则输入位DI24、DI25、DI26、DI27被传输至ASI 主站；

数据选择位为111(Bin)，则输入位DI28、DI29、DI30、DI31被传输至 ASI主站。

如果不需要这么多扩展口，则可以通过减少数据选择位来实现。每减少4 个输入节点，数据选择位减少一个组合。此方法可将4I\4o从站模块扩展到M位 (M大于等于4，小于32，为4的整数倍)输入控制节点从站。

ASI主站请求数据格式如表5：

(表5)

地址位表示了当前接收ASI主站指令的从站的地址，信息位4用于地址修改时指令传输，信息位3用于扩展ASI总线从站数量。在这里只关心信息位2、信息位1、信息位0，分别对应于上述数据位的D2(o)、D1(o)、D0(o)。

从站响应数据格式如表6：

(表6)

在这里只需要关心信息位3、信息位2、信息位1、信息位0分别对应于D3(i)、 D2(i)、D1(i)、D0(i)。

本实施例以M等于32为例说明基于MCU模块的实现方式。当M小于32时，则将后面对应的流程删去，直接跳到初始状态。

请参阅图5，图5为本实用新型实施例串行扩展通信的时序流程示意图。

每一个框相当于一个ASI周期，四个(o)端口是将ASI主站发送的ASI主站请求命令输送给从站，四个(i)端口是将从站返回的从站响应命令返回给ASI主站，一次ASI主站请求后紧接着一次从站响应为一个完整的ASI周期。

当系统启动时，进入初始化状态，按照既定好的M(下面以M＝28为例)初始化整个系统，使得系统能按照规定好的通信流程图进行。

ASI主站在开始运行后会按照既定通信格式不断向从站发送ASI主站请求命令，此时命令中数据选择位组合为000(D0(o)＝0、D1(o)＝0、D2(o)＝0)。从站通过边沿检测将ASI主站发来的数据进行解码，如果数据正确，则返回一个从站响应，返回的四个数据为DI0、DI1、DI2、DI3，然后等待接收下一个ASI 主站请求。此时完成了一个ASI周期。ASI主站收到从站的从站响应后，如果数据正确，则修改新的ASI主站请求里面的数据选择位。在下一个周期中，ASI 主站发送的ASI主站请求命令数据选择位组合为001(D0(o)＝1、D1(o)＝0、 D2(o)＝0)，从站返回四个数据位DI4、DI5、DI6、DI7。根据ASI国际标准，如果从站300ms内没有收到下一个ASI主站请求，或者ASI主站300ms内没有收到下一个从站响应，则进入超时处理环节，系统被复位。状态一直进行直到 ASI主站发来的命令中数据组合为110(D0(o)＝0、D1(o)＝1、D2(o)＝1)，此时从站返回DI24、DI25、DI26、DI27四个数据。下一个请求发过来的数据选择位组合为000标志着开启新一个通信周期。

数据流格式如下(*为根据实际情况而定)

第一轮：

ASI主站请求：

*

*

*

*

*

*

*

*

*

0

0

0

*

*

从站响应：

*

DI3

DI2

DI1

DI0

*

*

第二轮：

ASI主站请求：

*

*

*

*

*

*

*

*

*

0

0

1

*

*

从站响应：

*

DI7

DI6

DI5

DI4

*

*

第三轮：

ASI主站请求：

*

*

*

*

*

*

*

*

*

0

1

0

*

*

从站响应：

*

DI11

DI10

DI9

DI8

*

*

如上述数据流格式，每个ASI周期进行一轮的主从站通信，上位机观察到的完整的数据通过M/4个周期的数据组合而成。

本实施例中，信息位3，也就是D3(o)预留给其他ASI主从站通信模式。

本实用新型通过对ASI总线系统的接口进行扩展，既可以实现串行扩展，也可以实现并行扩展，在外部条件不变的情况下，扩展了输入口的数量，降低了应用的成本。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (5)

1.一种基于ASI总线的扩展系统，包括ASI主站以及从站，其特征在于，所述从站包括协议转化模块和MCU模块，其中：

协议转化模块用以将ASI总线上的正弦平方模拟信号与MCU模块的数字信号进行相互转换；

MCU模块接收外部输入端的信号读入并处理之后，转化成设定的从站响应格式传至协议转化模块。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述协议转化模块与MCU模块之间连接的输入接口为D0(i)、D1(i)、D2(i)、D3(i)，输出接口为D0(o)、D1(o)、D2(o)、D3(o)。

3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，当协议转化模块与MCU模块之间为串行进行扩展通信模式时，其接口为：

D0(i)为串行串行时钟线；

D1(i)为串行串行数据线；

D2(o)为选中线；

其中：

当D2(o)为低电平时，串行时钟线和串行数据线的逻辑关系为：

(1)、当串行时钟线处于低电平，串行数据线也处于低电平时，代表当前传输的为数据“1”；

(2)、当串行时钟线处于低电平，而串行数据线处于高电平时，代表当前传输的为数据“0”；

(3)、当串行时钟线处于高电平，而串行数据线处于低电平时，代表当前为两个传输数据中间的间隔位；

当D2(o)为高电平时，MCU模块不与从站进行通信，串行时钟线与串行数据线均处于高电平，当前无数据传输，处于空闲状态。

4.如权利要求2所述的系统，其特征在于，当协议转化模块与MCU模块之间为并行进行扩展通信模式时，其接口为：

D0(o)：数据选择位0；

D1(o)：数据选择位1；

D2(o)：数据选择位2；

D3(o)：地址选择位；

D0(i)：数据位DI0 DI4 DI8 DI12 DI16 DI20 DI24 DI28；

D1(i)：数据位DI1 DI5 DI9 DI13 DI17 DI21 DI25 DI29；

D2(i)：数据位DI2 DI6 DI10 DI14 DI18 DI22 DI26 DI30；

D3(i)：数据位DI3 DI7 DI11 DI15 DI19 DI23 DI27 DI31；

当数据选择位D0(o)、D1(o)、D2(o)构成的值不同时，将对应的数据位的数据传输至ASI主站。

5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述MCU模块为stm32f030。

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