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智能傳感器獨立接口的設(shè)計

2009/7/31 0:00:00

摘要 IEEE 1451.2協(xié)議是一種網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器接口標(biāo)準(zhǔn)。IEEE 1451.2協(xié)議規(guī)定智能傳感器由網(wǎng)絡(luò)適配器和智能傳感器接口模塊兩部分構(gòu)成。傳感器獨立接口是智能傳感器接口模塊和網(wǎng)絡(luò)適配器的接口，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)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(xié)議的網(wǎng)絡(luò)適配器和智能傳感器接口模塊之間的傳感器獨立接口設(shè)計，以及現(xiàn)場試驗情況。
關(guān)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(xiàn)場總線技術(shù)的智能傳感器得到了迅速發(fā)展。由于現(xiàn)場總線種類很多，智能傳感器接口紛繁復(fù)雜。20世紀90年代末，IEEE陸續(xù)推出了IEEE 1451協(xié)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(xié)議已經(jīng)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(lǐng)域。

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

　　本文在介紹IEEE 1451.2協(xié)議的基礎(chǔ)上，詳細介紹了在實現(xiàn)同步相量測量的電力系統(tǒng)傳感器網(wǎng)絡(luò)中的傳感器獨立接口（Transducer Independent Interface ，TII）電路的設(shè)計方案。

1 IEEE 1451.2傳感器接口規(guī)范簡介

　　IEEE 1451協(xié)議族定義了一系列的標(biāo)準(zhǔn)智能傳感器接口。IEEE 1451.2協(xié)議提出了一種數(shù)字化點到點的智能接口模塊到網(wǎng)絡(luò)適配器的有線傳輸接口方案。

　　IEEE 1451.2協(xié)議通過定義TII通信協(xié)議、時序和電氣規(guī)范，確?？煽康臄?shù)據(jù)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(xié)議規(guī)定了采樣觸發(fā)機制和2種數(shù)據(jù)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(xiàn)即插即用，這在軟件上通過傳感器電子數(shù)據(jù)表單實現(xiàn)，硬件上要求接口具有熱插拔能力。

2 TII接口電路設(shè)計

　　基于上述標(biāo)準(zhǔn)，TII接口的硬件要求具備兩項功能：一是要基于現(xiàn)有的微處理器總線實現(xiàn)數(shù)據(jù)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(xiàn)

　　SPI（Serial Peripheral Interface）是一種四線同步串行接口，廣泛應(yīng)用于微處理器和EEPROM、Flash、實時時鐘、A/D轉(zhuǎn)換器、數(shù)字信號處理器、數(shù)字信號解碼器等低速外圍設(shè)備之間的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shè)置SPCK頻率可以適應(yīng)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(xié)議推薦的6 kbps，這使得基于SPI的TII接口技術(shù)可以滿足更高數(shù)據(jù)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(wǎng)絡(luò)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(zhuǎn)換芯片。在筆者實驗室設(shè)計的電力系統(tǒng)傳感器網(wǎng)絡(luò)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(shù)據(jù)傳輸和電源接線設(shè)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(wǎng)絡(luò)適配器要求智能傳感器接口模塊執(zhí)行一定的任務(wù)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(shù)據(jù)建立時間后從智能傳感器接口模塊讀取數(shù)據(jù)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)適配器要向智能傳感器接口模塊寫數(shù)據(jù)，或者從智能傳感器接口模塊讀數(shù)據(jù)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(dāng)AT89S53通過NIOE_S引腳檢測到NIOE信號有效時，根據(jù)智能傳感器接口模塊的狀態(tài)及時驅(qū)動NACK信號，響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)適配器的讀寫請求。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)適配器收到NACK信號時，開始發(fā)送或者讀取數(shù)據(jù)。IEEE 1451.2協(xié)議要求NIOE信號在數(shù)據(jù)傳輸中一直有效，因此，在數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中，STIM從SPI的移位寄存器里讀出或者寫入數(shù)據(jù)時，都要檢測 NIOE是否有效，以確定數(shù)據(jù)的有效性，以及傳輸是否正在進行。

　　當(dāng)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(zhǔn)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