如何設計基于IEEE 1451.2的智能傳感器獨立接口？

IEEE 1451.2協(xié)議是一種網(wǎng)絡(luò )化智能傳感器接口標準。IEEE 1451.2協(xié)議規定智能傳感器由網(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(shí)現網(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(mǎn)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計，以及現場(chǎng)試驗情況。

引言

20世紀80～90年代，基于各種現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的智能傳感器得到了迅速發(fā)展。由于現場(chǎng)總線(xiàn)種類(lèi)很多，智能傳感器接口紛繁復雜。20世紀90年代末，IEEE陸續推出了IEEE 1451協(xié)議族，提出了統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(wèn)題。該協(xié)議已經(jīng)用于壓力監測、石油液位監測、蔬菜大棚環(huán)境監測等諸多領(lǐng)域。

IEEE 1451.2(transducer to microprocessor communicatiON protocols and transducer electronic data sheet formats)是IEEE 1451協(xié)議族中的數字式點(diǎn)對點(diǎn)有線(xiàn)傳輸標準。只要網(wǎng)絡(luò )適配器(NCAP)和智能傳感器模塊(STIM)遵守IEEE 1451.2標準，不論測控網(wǎng)絡(luò )采用何種網(wǎng)絡(luò )標準，各廠(chǎng)家生產(chǎn)的智能傳感器接口模塊都可以實(shí)現相互兼容，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(lèi)測控網(wǎng)絡(luò )的重要環(huán)節。

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

1 IEEE 1451.2傳感器接口規范簡(jiǎn)介

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

IEEE 1451.2協(xié)議通過(guò)定義TII通信協(xié)議、時(shí)序和電氣規范，確?？煽康臄祿鬏?。傳感器獨立接口是一個(gè)10線(xiàn)的接口，按功能可分為4組，如表1所列。

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。

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(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。

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。

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。

2.2 基于UCC3918的熱插拔控制電路

為了能在測控網(wǎng)絡(luò )中方便地添加、撤除和更換傳感器模塊，IEEE 1451.2協(xié)議智能傳感器接口模塊具有即插即用的能力。這使得傳感器獨立接口電路的設計要考慮熱插拔過(guò)程帶來(lái)的瞬時(shí)電流的影響。當智能傳感器接口模塊插入網(wǎng)絡(luò )適配器時(shí)，網(wǎng)絡(luò )適配器已經(jīng)處于穩定工作狀態(tài)，所有電容都已充滿(mǎn)了電，智能傳感器接口模塊是不帶電的，電容里面沒(méi)有電荷。因此，當智能傳感器接口模塊接觸網(wǎng)絡(luò )適配器時(shí)，由于給智能傳感器接口模塊上的電容充電會(huì )產(chǎn)生很大的瞬時(shí)電流。同樣，帶電的智能傳感器接口模塊從網(wǎng)絡(luò )應用適配器上拔出時(shí)，由于旁路電容放電，在帶電的智能傳感器接口模塊和網(wǎng)絡(luò )適配器之間形成一條低阻通路，這樣也會(huì )導致產(chǎn)生大的瞬時(shí)電流[3]。嚴重情況下，熱插拔過(guò)程中較大的瞬時(shí)電流會(huì )使電源電壓出現瞬時(shí)跌落，導致系統復位，甚至導致連接件、電子元件和電路板連線(xiàn)的損壞。

為了系統的安全可靠運行，必須抑制過(guò)大的瞬時(shí)電流。為此在接口電路的設計中采用了UCC3918芯片。UCC3918低電阻熱交換功率控制器是 TI公司生產(chǎn)的一款熱插拔控制器。UCC3918的工作電壓為3～6 V，具有低達0.06 Ω的導通電阻，最高限幅電流可達5 A。只需配備很少的外圍器件，UCC3918就能提供完整的電源管理、熱插拔限流功能和斷路器功能。