Aktuální vydání

celé číslo

07

2020

Řízení distribučních soustav a chytrá města

Měření a monitorování prostředí v budovách a venkovním prostředí

celé číslo

Přichází ASi-5 – nová varianta osvědčené sběrnice AS-Interface vhodná pro chytré továrny

Na loňském veletrhu SPS představila společnost Renesas odborníkům své hardwarové řešení pro implementaci nové verze sběrnice AS-Interface: ASi-5. Integrované obvody již pracují v prvních zařízeních, kam byly v uplynulém roce nainstalovány partnery firmy Renesas.

 

Společnost Renesas přispěla k vývoji standardu ASi-5 a jeho technické implementace do polovodičového čipu svými znalostmi a zkušenostmi v oboru metod přenosu dat a vývoje polovodičových součástek. Zvláště pro zpracování analogových signálů na čipu bylo implementováno vysoce robustní moderní řešení s velkou mírou inovací.

Kromě samotného integrovaného obvodu ASI4U-V5 k němu aliance vývojářů sběrnice ASi-5 (sdružených v AS-International) poskytuje i verifikovaný firmware. To výrazně zjednodušuje implementaci ASi-5, protože vývojáři se vůbec nemusí zabývat tím, jak čip ASI4U-V5 uvnitř funguje. Všechny funkce sběrnice jsou zahrnuty ve firmwaru. Firmware pokrývá oba dva druhy implementace jednotek slave, jak je definuje standard ASi-5. V jednotkách simple slave (jednoduchý slave) jsou prostřednictvím digitálních I/O a následně protokolem ASi-5 do čipu přenášena jen provozní data.

Pro jednotky complex slave (komplexní slave) funguje integrovaný obvod jako sério­vé rozhraní periferie SPI (Serial Pheripheral Interface). V jednom cyklu se přenese až 32 bajtů, což umožňuje realizovat i složité úlohy a rozšiřuje možnosti ASi-5. Firmám, které by se zajímaly o implementaci jednotky master, poskytne Renesas specifickou zákaznickou podporu.

Renesas dodává integrované obvody ASI4U-V5 v 64pinovém pouzdru QFN (9 × × 9 mm, rozteč 0,5 mm). Příkon je v typických úlohách přibližně 0,5 W. Rozsah pracovních teplot je –40 až +85 °C. Renesas dodává též referenční obvody. Vzorky integrovaných obvodů a referenční desky jsou již vývojářům k dispozici.

 

Motivace vývoje sběrnice ASi-5

Standard ASi-3 se stal obecně známým a používaným. Jenže vývoj techniky vyžadoval učinit další krok a soustředit se na novou generaci standardu ASi, která by splňovala požadavky průmyslu 4.0. Ačkoliv se standard Asi-3 v praxi dobře ujal, s trendem implementovat do snímačů a akčních členů stále více inteligence vzrostly také požadavky na provozní sběrnice a těm již původní standard nevyhovoval. Zaprvé a především sběrnice Asi-3 postrádala jednoduchou možnost asynchronní komunikace, která by umožnila doplnit funkce, jako jsou autodiagnostika, správa událostí nebo dynamická parametrizace. V současné době mnozí uživatelé požadují kromě binárních dat také přenos analogových hodnot. Vývojáři se zaměřili též na jednoduchou integraci s komunikačním standardem IO-Link.

Pro splnění všech těchto požadavků je třeba přenášet v jednom komunikačním cyklu velký objem dat a přitom udržet sběrnici z uživatelského pohledu co nejjednodušší. Současně je důležitá i neomezená zpětná kompatibilita se standardem ASi-3. Cílem bylo, aby nová generace ASi rovněž podporovala kratší doby cyklu, delší kabely a více připojených zařízení. Tento článek ukazuje, jak aliance vývojářů standardu AS-International, podporovaná různými akademickými institucemi, standard vyvíjela, simulovala a navrhovala různá řešení, až byla nakonec vytvořena specifikace ASi verze 5.

 

Specifikace ASi-5

Přenos dat

Pro zajištění kompatibility s ASi-3 na stejném kabelu se tým vývojářů rozhodl přenášet data ASi-5 ve frekvenčním pásmu nad kanálem ASi-3. ASi-3 používá pro sekven­ční výměnu dat metodu časového multiplexu s dobou cyklu 5 ms a na sběrnici je možné připojit maximálně 31 jednotek slave (popř. s adresováním A/B 62 jednotek slave). Sběrnice ASi-3 pracuje ve frekvenčním pásmu 50 až 500 kHz. Data podle standardu ASi-5 jsou (v současné implementaci) modulována mezi 2 až 8 MHz (obr. 1). Používá se ortogonální frekvenční multiplex. To znamená, že frekvenční pásmo je rozděleno do mnoha podpásem, z nichž každé se používá pro přenos jednotlivých datových streamů.

V ASi-5 mají tato frekvenční pásma šířku 58,59 kHz. V běžném provozu je pro ASi-5 k dispozici 136 těchto kanálů. V každém z uvedených kanálů se pro přenos dat používá metoda časového multiplexu. Nejprve se 1,2 ms přenášejí data od jednotky master do jednotek slave a potom data z jednotek slave do jednotky master. Jako metoda modulace se používá DQPSK (Differential Quadrature Phase Shift Keying, diferenciální kvadraturní modulace s fázovým posuvem). Při použití DQPSK se v jednom přenášeném symbolu přenášejí dva bity.

Na obr. 2 je ukázána struktura rámce, který je přenášen každou 1,2 ms v každém aktivním komunikačním kanálu. Nejprve posílá master zkušební sekvenci. Účelem zkušební sekvence je synchronizace s jednotkami slave. Signál se extrahuje využitím autokoleračních metod, které umožňují synchronizaci jednotek slave s masterem s přesností (jitter) 10 ns. Zkušební sekvence také poskytuje možnost odhadnout útlum v jednotlivých kanálech při komunikaci mezi jednotkami master a slave. Podle toho potom může každý slave nastavit citlivost vstupu svého přijímacího modulu. Vzájemný vztah mezi přijímací a přenosovou cestou dovoluje odvodit optimální zesílení přenosové cesty.

Zkušební sekvence je následována referenčním symbolem QPSK. Tento symbol neobsahuje žádnou informaci, ale nastavuje referenční hodnoty pro následující symboly, jejichž interpretace závisí na rozdílu oproti referenčnímu symbolu. Poté je odesláno čtrnáct datových symbolů. Po ochranné době začínají jednotky slave vysílat data k masteru. Rovněž zde po referenčním symbolu následuje čtrnáct datových symbolů. 

Vynikající imunita proti rušení

Pro ochranu rámce je využíváno 8 bitů, takže v každém cyklu a v každém datovém kanálu je možné obousměrně efektivně přenášet 20 bitů. Každý proces přenosu dat současně obsadí tři kanály. Přijímač, aby provozní data uznal za platná, musí přijmout shodná data minimálně ve dvou kanálech (ochrana 2oo3). Dalším zabezpečením je to, že každý symbol je přenášen postupně dvakrát. To zvyšuje imunitu proti krátkodobému elektromagnetickému rušení. Pro ochranu dat před externím rušením se tedy používají tři rozdílné metody. To vše vede k tomu, že přenos dat je stabilní, a to i za značně nepříznivých podmínek. 

Konfigurace sítě podle požadavků systému

V 1,2ms cyklu lze využít až 24 logických přenosových kanálů. To znamená, že lze adresovat až 24 jednotek slave. Jestliže je třeba připojit více jednotek slave, mohou s využitím funkce časového multiplexu sdílet stejné přenosové frekvence. Díky tomu lze dosáhnout doby cyklu 2,5 ms, 3,8 ms nebo 5,0 ms a připojit 48, 72 nebo 96 jednotek slave. Na obr. 3 je ukázáno, jak jednotky Slave 1 až 4 sdílejí přenosový kanál v cyklu 5 ms, přičemž každá jednotka slave zabírá v kanálu subcyklus 1,2 ms. Transportní kanál zde pro zjednodušení vystupuje jako logický datový kanál, tzn. že nejsou znázorněny redundance. 

Flexibilně konfigurovatelná rychlost přenosu dat pro daný uzel sítě

Jestliže se má v jednom cyklu přenášet více než 16 bitů I/O dat, lze toho dosáhnout spojením několika kanálů (channel bundling) a multiplexem. Metodou channel bundling se propojí několik kanálů do jednoho subcyklu. Multiplex dovoluje propojit několik kanálů v několika subcyklech. Tímto způsobem lze v jednom cyklu přenést až 32 bajtů. Například v obr. 3 zabírá jednotka Slave 5 osm přenosových kanálů.

Kromě cyklických dat je k dispozici také asynchronní kanál AMC (Asynchronous Mana­gement Channel). Tento kanál sdružuje čtyři nosné frekvence pro komunikaci a je navržen s pětinásobnou redundancí. AMC tak celkem zabírá dvacet nosných frekvencí. Počáteční aktivace jednotek slave je vyjednána prostřednictvím AMC. AMC navíc umožňuje realizovat mnoho nových funkcí, které ASi-3 neměla, jako diagnostiku a nastavování parametrů.          

ASI4U-V5 – integrovaný obvod pro ASi-5

Všechny funkce ASi-5 jsou namapovány přímo v integrovaném obvodu ASI4U-V5. Vnitřní složitost čipu je abstrahována firmwarem vyvinutým aliancí vývojářů standardu ASi-5. Znamená to, že se uživatelé mohou koncentrovat na správné propojení s odpovídající aplikací, usnadňující integraci transceiveru ASi-5. Na obr. 4 jsou schematicky zobrazena možná propojení čipů v typických aplikacích.

Firmware je interně uložen v trvalé paměti čipu. Aplikačně závislé konfigurace ASi-5 jsou výrobcem snímače nebo zařízení uloženy prostřednictvím rozhraní JTAG (Joint Test Action Group) ve vyhrazené oblasti programovatelné paměti flash a interpretovány společně s firmwarem.

Signály ASi-5 na lince jsou do interního bloku APOS (Analog, Power and Oscillator) přivedeny prostřednictvím oddělovacího transformátoru. Transformátor s propojením na jednotky slave má převodový poměr 4 : 1 a v konfiguraci master 1,6 : 1. V bloku APOS je v přijímací části prostřednictvím různých stupňů zesílení a signálových filtrů vytvářen signál pro vysoce přesný AD převodník. Po AD převodníku následuje digitální blok pro demodulaci signálu a uložení dat získaných demodulací do vnitřní paměti. Detektor šumových impulzů detekuje stav, kdy je dráha přijímače zahlcena vnějším rušením, takže vyhodnocená data mohou být chybná. Za běžného stavu lze tuto situaci napravit již zmíněnými ochrannými mechanismy.

Všechny další kroky zpracování přebírá interní CPU. V opačném směru je postup vysílání analogický. CPU ukládá data, která mají být odeslána, do interní paměti. Modulační jednotka digitálně moduluje signál a přenáší data hodnot na AD převodník v APOS. Další cesta signálu vede přes impedan­ční měnič a filtr do linkového budiče, který přenáší signály na linku ASi.

Napájecí napětí je odvozeno od napětí 24 až 30 V linky ASi. Interní regulátor napětí LDO (Low Drop-Out) v čipu navíc generuje čtyři další napětí.

Na obr. 4 jsou znázorněny různé možnosti připojení aplikací. V jednotce simple slave jsou prostřednictvím GPIO k odpovídající aplikaci přímo připojena provozní data až 22 I/O. Rozhraní GPIO (General Purpose Input/Output) je přímo propojeno s příslušným přenosovým kanálem ASi-5. Pro celkovou funkci systému je třeba jen uložit odpovídající konfiguraci do paměti flash zařízení ASI4U-V5. Všechny funkce jednotky simple slave mohou být konfigurovány prostřednictvím konfiguračních sektorů na čipu. Za provozu aplikace nepožaduje, aby softwarové komponenty adresovaly zařízení ASI4U-V5. To velmi zjednodušuje implementaci jednotky simple slave.

Druhým typem jednotek slave jsou complex slave, u nichž je rozhraním aplikace rozhraní SPI čipu. Avšak i u jednotek complex slave je komplexnost zařízení uzavřena ve firmwaru. V jednotkách complex slave může být v jednom cyklu přenášeno až 32 bajtů provozních dat. Ve srovnání s jednotkou simple slave je zde možné rozhraním SPI obsloužit diagnostiku a spravovat události. Rozhraní LED nezávisle ovládá stavové LED ve shodě se standardem. 

Implementace ASi-5

S integrovaným obvodem ASI4U-V5 poskytuje firma Renesas komponentu, která omezuje úsilí potřebné pro integraci rozhraní ASi-5 na minimum. Implementace přenosu dat jednotek complex slave je optimálně distribuována mezi hardwarové a firmwarové komponenty. V aplikaci využívající simple slave dostává čip jen provozní data. Integrovaný obvod má kompaktní, energeticky úsporný design. Jednotný firmware zaručuje interoperabilitu komponent ASi-5, zatímco zpětná kompatibilita s ASi-3 umožňuje snadné rozšiřování stávajících instalací. 

Knut Dettmer, Renesas Electronics (Překlad redakce. Grafika AS-International (1) a Renesas)

Obr. 1. Frekvenční pásma sběrnice ASi-3 a ASI-5

Obr. 2. Struktura rámce ASi-5

Obr. 3. Více jednotek slave, delší doba cyklu: Slave 1 až Slave 4 sdílejí jeden přenosový kanál s cyklem 5 ms, v němž má každý slave k dispozici subcyklus 1,2 ms; přenosovým kanálem je zde myšlen logický kanál, pro zjednodušení není uvažována redundance; Slave 5 znázorňuje propojení osmi kanálů (channel bundling), aby bylo možné v jednom cyklu o délce 1,2 ms přenášet 32 bajtů

Obr. 4. Firmware ulehčuje implementaci ASi-5