采用IEEE 1451.2的智能傳感器獨立接口設計
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通信協(xié)議規定了采樣觸發(fā)機制和2種數據傳輸方式：字節讀/寫(xiě)、幀讀/寫(xiě)。IEEE 1451.2規定智能傳感器接口模塊必須實(shí)現即插即用，這在軟件上通過(guò)傳感器電子數據表單實(shí)現，硬件上要求接口具有熱插拔能力。
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(xiàn)實(shí)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(shí)現
SPI（Serial Peripheral Interface）是一種四線(xiàn)同步串行接口，廣泛應用于微處理器和EEPROM、Flash、實(shí)時(shí)時(shí)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(gè)主控器件可以連接多個(gè)被控器件。數據傳輸在主控器件的SPI時(shí)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(guò)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(xié)議推薦的6 kbps，這使得基于SPI的TII接口技術(shù)可以滿(mǎn)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(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電平轉換芯片。在筆者實(shí)驗室設計的電力系統傳感器網(wǎng)絡(luò )中，上述兩個(gè)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(xiàn)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(guò)程予以介紹：網(wǎng)絡(luò )適配器要求智能傳感器接口模塊執行一定的任務(wù)時(shí)，首先向智能傳感器接口模塊寫(xiě)入通道地址和命令，然后用NTRIG信號觸發(fā)動(dòng)作，等待一個(gè)數據建立時(shí)間后從智能傳感器接口模塊讀取數據。當網(wǎng)絡(luò )適配器要向智能傳感器接口模塊寫(xiě)數據，或者從智能傳感器接口模塊讀數據時(shí)，首先發(fā)送NIOE信號，即拉低SPI_SS。由于NIOE信號線(xiàn)同時(shí)連接到SPI_SS和NIOE_S引腳上，所以NIOE信號同時(shí)也選通了AT89S53的SPI。當AT89S53通過(guò)NIOE_S引腳檢測到NIOE信號有效時(shí)，根據智能傳感器接口模塊的狀態(tài)及時(shí)驅動(dòng)NACK信號，響應網(wǎng)絡(luò )適配器的讀寫(xiě)請求。當網(wǎng)絡(luò )適配器收到NACK信號時(shí)，開(kāi)始發(fā)送或者讀取數據。IEEE 1451.2協(xié)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(guò)程中，STIM從SPI的移位寄存器里讀出或者寫(xiě)入數據時(shí)，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(jìn)行。
當向STIM寫(xiě)入通道命令和通道地址后，NCAP就要通過(guò)NTRIG信號觸發(fā)命令所要求的動(dòng)作。電力系統同步相量測量要求采樣的時(shí)間精度高達1 μs[2]，為了保證動(dòng)作執行的時(shí)間準確性，NTRIG信號同時(shí)接入STIM里的多個(gè)傳感器或者執行器件。如圖2所示，一個(gè)智能傳感器接口模塊里有多個(gè)傳感器通道，每個(gè)通道采集一路信號。當網(wǎng)絡(luò )應用適配器把一個(gè)傳感器或者執行器通道打開(kāi)時(shí)，AT89S53使能對應的傳感器或者執行器的使能信號，這個(gè)使能信號和NTRIG信號相“與”后的輸出使能相應的傳感器或者執行器。這樣NTRIG信號就可以準確地觸發(fā)正確的通道動(dòng)作。
圖2 傳感器觸發(fā)電路圖
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