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智能傳感器獨立接口的設計

2009/7/31 0:00:00

摘要 IEEE 1451.2協議是一種網絡化智能傳感器接口標準。IEEE 1451.2協議規(guī)定智能傳感器由網絡適配器和智能傳感器接口模塊兩部分構成。傳感器獨立接口是智能傳感器接口模塊和網絡適配器的接口，實現網絡適配器對智能傳感器接口模塊的控制和兩者之間的通信。本文介紹滿足IEEE 1451.2協議的網絡適配器和智能傳感器接口模塊之間的傳感器獨立接口設計，以及現場試驗情況。
關鍵詞 IEEE 1451.2 TII 熱插拔 UCC3918 智能傳感器

引言

　　20世紀80～90年代，基于各種現場總線技術的智能傳感器得到了迅速發(fā)展。由于現場總線種類很多，智能傳感器接口紛繁復雜。20世紀90年代末，IEEE陸續(xù)推出了IEEE 1451協議族，提出了統(tǒng)一的傳感器接口和傳感器的自描述模型，解決了智能化傳感器的兼容性、互換性和互操作性等問題。該協議已經用于壓力監(jiān)測、石油液位監(jiān)測、蔬菜大棚環(huán)境監(jiān)測等諸多領域。

　　IEEE 1451.2（transducer to microprocessor communication protocols and transducer electronic data sheet formats）是IEEE 1451協議族中的數字式點對點有線傳輸標準。只要網絡適配器（NCAP）和智能傳感器模塊（STIM）遵守IEEE 1451.2標準，不論測控網絡采用何種網絡標準，各廠家生產的智能傳感器接口模塊都可以實現相互兼容，從而方便地加入已有的測控網絡中。因此，符合 IEEE 1451.2協議的傳感器獨立接口是此類測控網絡的重要環(huán)節(jié)。

　　本文在介紹IEEE 1451.2協議的基礎上，詳細介紹了在實現同步相量測量的電力系統(tǒng)傳感器網絡中的傳感器獨立接口（Transducer Independent Interface ，TII）電路的設計方案。

1 IEEE 1451.2傳感器接口規(guī)范簡介

　　IEEE 1451協議族定義了一系列的標準智能傳感器接口。IEEE 1451.2協議提出了一種數字化點到點的智能接口模塊到網絡適配器的有線傳輸接口方案。

　　IEEE 1451.2協議通過定義TII通信協議、時序和電氣規(guī)范，確保可靠的數據傳輸。傳感器獨立接口是一個10線的接口，按功能可分為4組，如表1所列。

表1 傳感器獨立接口信號列表[1]

　　通信協議規(guī)定了采樣觸發(fā)機制和2種數據傳輸方式：字節(jié)讀/寫、幀讀/寫。IEEE 1451.2規(guī)定智能傳感器接口模塊必須實現即插即用，這在軟件上通過傳感器電子數據表單實現，硬件上要求接口具有熱插拔能力。

2 TII接口電路設計

　　基于上述標準，TII接口的硬件要求具備兩項功能：一是要基于現有的微處理器總線實現數據傳輸；二是要具備支持熱插拔的浪涌電流控制功能。

2.1 基于SPI和GPIO的TII實現

　　SPI（Serial Peripheral Interface）是一種四線同步串行接口，廣泛應用于微處理器和EEPROM、Flash、實時時鐘、A/D轉換器、數字信號處理器、數字信號解碼器等低速外圍設備之間的數據傳輸。SPI有主控和被控兩種工作模式，一個主控器件可以連接多個被控器件。數據傳輸在主控器件的SPI時鐘信號SPCK控制下，按照高位在前、低位在后的順序按位傳輸。SPI的傳輸速度完全由主控器件的SPCK控制，通過設置SPCK頻率可以適應各種不同工作頻率的智能傳感器接口模塊。模塊的SPI接口傳輸速率高達1.5 Mbps，遠遠高于協議推薦的6 kbps，這使得基于SPI的TII接口技術可以滿足更高數據傳輸速率的要求。

　　圖1給出了TII的接口電路圖。左邊是智能傳感器接口模塊（STIM），右邊是支持熱插拔功能的網絡適配器（NCAP）。其中，GPIO是微處理器的通用輸入輸出引腳，SN74ALVC164245為雙向5～3.3 V電平轉換芯片。在筆者實驗室設計的電力系統(tǒng)傳感器網絡中，上述兩個模塊分別采用了芯片AT89S53和AT91SAM9261。圖中還給出了兩者之間的數據傳輸和電源接線設計方案。

圖1 TII接口電路圖

　　相對傳感器不同的工作模式，TII接口也有多種傳輸模式。下面僅以傳感器模式為例對其工作過程予以介紹：網絡適配器要求智能傳感器接口模塊執(zhí)行一定的任務時，首先向智能傳感器接口模塊寫入通道地址和命令，然后用NTRIG信號觸發(fā)動作，等待一個數據建立時間后從智能傳感器接口模塊讀取數據。當網絡適配器要向智能傳感器接口模塊寫數據，或者從智能傳感器接口模塊讀數據時，首先發(fā)送NIOE信號，即拉低SPI_SS。由于NIOE信號線同時連接到 SPI_SS和NIOE_S引腳上，所以NIOE信號同時也選通了AT89S53的SPI。當AT89S53通過NIOE_S引腳檢測到NIOE信號有效時，根據智能傳感器接口模塊的狀態(tài)及時驅動NACK信號，響應網絡適配器的讀寫請求。當網絡適配器收到NACK信號時，開始發(fā)送或者讀取數據。IEEE 1451.2協議要求NIOE信號在數據傳輸中一直有效，因此，在數據傳輸的過程中，STIM從SPI的移位寄存器里讀出或者寫入數據時，都要檢測 NIOE是否有效，以確定數據的有效性，以及傳輸是否正在進行。

　　當向STIM寫入通道命令和通道地址后，NCAP就要通過NTRIG信號觸發(fā)命令所要求的動作。電力系統(tǒng)同步相量測量要求采樣的時間精度高達1 μs[2]，為了保證動作執(zhí)行的時間準確性，NTRIG信號同時接入STIM里的多個傳感器或者執(zhí)行器件。如圖2所示，一個智能