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Haute Ecole d’Ingénierie et de Gestion du Canton de VaudCH-1400 Yverdon-les-Bains
© Copyright 2003-2004-2005-2006 Bernard Schneider
Bus de terrain
AS-Interface
iAi – Bernard Schneider(Sources : J.-P. Merisse, IRA Arles ; Bussysteme – G. Schnell – Ed. Vieweg ; H. Scheitlin, FH Soleure)
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AS-Interfaceorigine, normalisation, utilisationcouche physique
topologiemédiacodagedébit et distance
couche lienaccès au busdétection d’erreurs
couche applicationprofils
réalisationhardware et software
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Historiqueen 1991, un groupe de 11 fabricants européens de capteurs et actionneurs définissent un bus dédicacé à la communication avec les actionneurs et capteursAS-Interface est normalisé CEI 60947-5
Utilisationincontestés pour les actionneurs et capteurs simples (surtout tout ou rien)
simplicité, faibles coûts, multi-vendeurconsidéré comme un complément aux autres bus
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Couche physique – médiacâble plat spécial AS-I
2 fils, non blindés, non torsadés
utilisés pour la communication et l’alimentationforme facilitant l’installationcodage mécanique réduisant le risque de croisementprises « vampire »protection IP67 même après déconnexionpeut être connecté directement au capteur ou à l’actionneur
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Couche physique – médiacâble AS-I
avec des fils de 1,5 mm2 de section, la résistance pour un câble de 100 m est de 2,7 Ωsi 62 périphériques sont répartis régulièrement sur ces 100 m et se partagent les 2 A d’alimentation disponible, la chute de tension est limitée à 3 Vla communication fonctionne sans résistances de terminaison
R’ < 90 mΩ/mL’ = 0,4 … 1,3 µH/mG’ < 5 µS/mC’ < 80 pF/m
Zc = 70 … 140 Ω
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Couche physique – médiacouplages
l’alimentation est fixée à 29,6 à 31,6 VDC , ce qui garantit une tension de 24 VDC au niveau des stations elles peuvent délivrer entre 2 et 8 A selon les modèlesle filtre permet aux émetteurs de moduler la tensionl’émetteur injecte un courant alternatif
BSR20050507_A.des
UDC
alimentation
émetteur
i(t)
récepteur
u(t)
filtre
BSR20050507_A.des
UDC
alimentation
filtre
BSR20050507_A.des
UDC
alimentation
émetteur
i(t)
filtre
BSR20050507_A.des
UDC
alimentation
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Couche physique – médiamodulation
le codage combine les codes Manchester et APM(alternating pulse modulation)
le courant injecté a une forme en sin2, réalisée par un convertisseur A/D
spectre d’émission HF réduit au minimum (CEM !)
le circuit HF étant inductif (filtre), la tension à la forme de la dérivée du courant
t
u/t)
0
0 1 0 0 1 1 0 0+2 V
-2 VBSR20050507_B.des
t
i/t)
0 mA
0 1 0 0 1 1 0 060 mA
t
signal
0
0 1 0 0 1 1 0 0
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Couche physique – médiadébit d’information et distance
la longueur totale d’un système AS-Interface est limitée à 100 m (500 m avec des répéteurs)le débit est fixé à 167 kbit/s, ce qui limite le spectre d’émission HF comme montré ci-dessous
f [MHz]
(source : www.AS-Interface.net)
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Couche physique – topologiecompatible avec toutes les topologies
très grande facilité de câblagetrès grande facilité d’extension
étoilecontroller
Master
Slave
Slave
SlaveSlave
controller
Master
Slave
Slave
Slave
ligne
Master
Slave
Slave
Slave
Slave
Slave
controllerbus
Master
SlaveSlave
SlaveSlave
Slave
Slave
Slave
Slave
controllerarbre
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Couche liaison – accèsprincipe : maître – esclave
le maître appelle chaque station l’une après l’autre, et celles-ci lui répondent à chaque foisil travaille par cycles (polling)
le système supporte jusqu’à 31 stations(62 stations en version étendue)le temps de cycle est de (n +1) x 0,156 ms, où n est le nombre de station
avec 6 stations, le temps de cycle est < 1 ms
master
controller
ToSlave1
Slave1
ToSlave2
Slave2
ToSlave1
Slave1
ToSlave31
Slave31
messagesdu maître
réponses desesclaves
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Couche liaison – accèstélégrammes du maître
longueur fixe – 14 bits
ST = bit de démarrage = 0 (start bit )SB = bit de commande (sélection données de
sortie ou mot de commande asynchrone)A4 … A0 = adresse du destinataireI4 … I0 = données de sortiePB = bit de paritéEB = bit de fin = 1 (end bit )nouvelle spécification 2.11 – 62 stations au lieu de 31le bit I4 est un bit supplémentaire d’adresse… ce qui réduit les sorties à 3 par station
BSR20050507_C.des
SB A4 A3 A2 A1 A0 I4 I3 I2 I1 I0 PB EBt
ST
adresse données
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Couche liaison – accèstélégrammes des esclaves
l’esclave appelé par le maître doit répondre immédiatement, après une pause de 2 à 10 bitsil doit répondre s’il est présent, et ne peut accéder au bus qu’à cette occasion, à l’appel du maîtrela réponse est aussi suivie d’une pause de 2 à 10 bitslongueur fixe – 7 bits
ST = bit de démarrage = 0 (start bit )I3 … I0 = données d’entréePB = bit de paritéEB = bit de fin = 1 (end bit )
BSR20050507_D.des
I3 I2I1 I0 EBt
PBST
données
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Couche liaison – accèsles bits SB et I4 ont des fonctions spéciales
maître esclaveSB A4-A0 I4 I3-I0 I3-I0
Ecriture sorties et lecture entrées
0 adresse 0 sorties entrées
Ecriture et lecture dela configuration
0 adresse 1 nouvelle configuration
nouvelle configuration
Ecriture d'adresse 0 0 nouvelle adresse nouvelle adresse
Reset 1 adresse 1 1100
Forcer l'adresse à 0 1 adresse 0 0000
Lecture configuration 1 adresse 1 0000 configuration
Lecture code ID 1 adresse 1 0001 code ID
Lecture status 1 adresse 1 1110 status
Lecture status etquittance erreur
1 adresse 1 1111 status
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Couche liaison – accèstransmission de données analogiques
des données analogiques peuvent aussi être transmisesla nouvelle spécification 2.11 normalise les stations analogiques avec max. 4 valeurs sur 16 bitschaque valeur est découpée en segments de 3 bits
le bit de poids fort I3 sert au contrôle de séquence il est inversé à chaque nouveau segment (toggling), ce qui permet de les distinguer les uns des autresil faut donc 7 cycles successifs par valeur analogique- 6 segments pour la valeur - 1 segment supplémentaire annonçant le 1er
segmentpour 4 valeurs par station, il faut donc max. 140 msavec l’ancienne spécification, des valeurs de 8 et 12 bit ét i t ibl ll t
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Couche liaison – accèslimites de débit
configuration max. : 124 entrées et 124 sorties TORtemps de cycle max. : 5 ms
nouvelle spécification 2.11si utilisé avec 62 stations
groupe A (31 stations) et groupe B (31 stations)max. 248 entrées et 186 sorties (4 / 3 par station)une station analogique prend la place de 2 stations (occupe la même adresse sur les groupes A et B )une station « ancienne » prend la place de 2 stations (occupe la même adresse sur les groupes A et B )
mais offre une sortie de plus (4 au lieu de 3)temps de cycle max. = 10 msune station analogique
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Couche liaison – contrôle des erreurschaque trame contient un contrôle de paritéAS-Interface contrôle en plus
les niveaux de tensionséquences impulsion positive – impulsion négativetiming des impulsions
en cas d’erreur, le maître répète directement son télégramme (il interrompt donc le cycle)
en cas de 2ème erreur consécutive, le maître répète ànouveau le télégramme, mais dans le cycle suivantmême en cas d’erreur, le temps de cycle est limité
en cas de défaut, les sorties TOR peuventmaintenir la valeur précédenteêtre forcées à 1être forcées à 0
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Couche liaison – contrôle des erreurs
p = probabilité d’erreur sur 1 bitR = probabilité d’erreur non détectée
10-2
10-16
10-14
10-12
10-10
10-8
10-6
10-4
100
10-18
10-5
10-4
10-3
10-2
10-1 0,5
BSR20050508_A.des
p
R
clas
sed’in
tégrit
é I1
classed’intégrité
I2
classed’intégrité
I3A
S-I
nte
rfa
ce
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Mise en œuvreappareils disponibles (plusieurs fabricants)
alimentationsautomates maîtres, jonctions maîtresinterfaces avec autres bus de terrain (amont)modules d’entrées / sortiescapteurs (divers, TOR et analogiques)actionneurs (divers, TOR et analogiques)composants de sécuritérépétiteurs et accessoires
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Mise en œuvreadressage des stations
les stations doivent être ajoutées 1 à 1 au bus, pour permettre leur adressage depuis l’automate amontalternative : fixer l’adresse avec un configurateur, avant de connecter la station au bus
configurationles paramètres P3 … P1 permettent de configurer le périphérique (par exemple la sensibilité d’une barrière lumineuse)
alimentation des sortiescertaines stations offrent une entrée d’alimentation supplémentaire pour les sorties TOR, utilisables pour sécuriser les sorties (arrêt d’urgence inactif)
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Mise en œuvrecomposants électroniques disponibles
un ASIC (AMS 9526) procure toutes les fonctions d’interface bus (avantage : compatibilité garantie)une librairie VHDL semble aussi disponible
aucun µC nécessaire pour des périphériques simples
Mémoirenon volatile
Alimentationinterne
Emetteur
Récepteur
Séquenceur
DonnéesE/S
Paramètres(sorties)
+5 V (35 mA)
O V
D0
D3data-strobe
P0
P3param-strobe
ASI+
ASI-
BSR20050508_B.des
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Avantages et inconvénientsbus de terrain normalisé, sans concurrence
norme indiscutée, pas d’alternative normaliséeinteropérabilité, interchangeabilitéindépendance relative des fournisseurs
câblage efficacesimple à concevoir, à assembler sans erreur, àtestertopologie quelconque, donc adaptable à chaque cas
économiquel’interface avec les capteurs n’est pas compliquée
déterminismeles données sont transmises dans un délai garanti
débittrès limité, relativement lent, en particularité pour l l l