采用IEEE1451標準的無(wú)線(xiàn)變送器模塊的設計

　　引言

　　隨著(zhù)計算機技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，基于各種現場(chǎng)標準的分布式測量和控制系統得到廣泛應用。這些系統采用了多種控制總線(xiàn)，如CAN、 LONWORKS、FROFIBUS、HATR、FF等。這些不同的總線(xiàn)標準都有自己的協(xié)議格式，相互之間不兼容，給系統的擴展帶來(lái)很多不便。

　　鑒于此，國際電子電氣工程師協(xié)會(huì )（IEEE）和美國國家標準技術(shù)研究院（NIST）聯(lián)合推出IEEE1451標準，解決了各種不同標準的總線(xiàn)接口兼容性問(wèn)題，提高了各個(gè)不同廠(chǎng)家產(chǎn)品的互換性和互操作性。

　　1 IEEE1451協(xié)議

　　IEEE和NIST推出的IEEE1451標準，通過(guò)定義一整套通用的通信接口來(lái)解決不同網(wǎng)之間的兼容性問(wèn)題，并最終實(shí)現各個(gè)廠(chǎng)家的產(chǎn)品的互換和互操作。其協(xié)議簇體系結構和關(guān)系如圖1所示。根據IEEE1451標準，網(wǎng)絡(luò )智能傳感器分成兩大模塊。

圖1 IEEE1451協(xié)議整體架構

　　(1) NCAP（網(wǎng)絡(luò )應用處理器）模塊

　　該模塊主要執行網(wǎng)絡(luò )通信、TIM通信、數據轉換等功能。IEEE1451.1標準定義了它的實(shí)體模型。NCAP是標準變送器總線(xiàn)與專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò )總線(xiàn)之間的接口。這一部分與微處理器集成在一起，在網(wǎng)絡(luò )化傳感器中起“大腦”的作用。NCAP還支持熱插拔功能。

　?。?） TIM（智能變送器）模塊

　　根據和NCAP之間連接的方式，可以有多種不同功能的TIM。一個(gè)TIM可以支持單個(gè)或多個(gè)不同的通道，它既可以與傳感器連接，也可以與執行器連接。

　?、?IEEE1451.0：該層標準包括通用功能、通信協(xié)議以及電子數據表格(TEDS FORMATS)。IEEE1451.0通過(guò)定義基本命令設置和通信協(xié)議接口，為不同的物理層提供通用、簡(jiǎn)單的標準，從而加強這些標準之間的互操作性。

　?、?IEEE1451.1：針對現有的各種網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，定義了從智能變送器到網(wǎng)絡(luò )的標準連接的方法，使用面向對象的思想為網(wǎng)絡(luò )化的智能變送器定義了一個(gè)標準的對象模型，并且為該模型的每一個(gè)類(lèi)定義了軟件接口。

　?、?IEEE1451.2：定義了傳感器和微處理器之間的連接的數字接口TII。其定義了電子數據表格以及數據格式，還定義了一系列的讀寫(xiě)命令，包括讀寫(xiě)電子數據表格、讀取傳感器數據和設置執行器數據等。

　?、?IEEE1451.3：包括分布式多點(diǎn)系統數字通信與TEDS格式的定義，主要用于點(diǎn)對多點(diǎn)分布式智能傳感器系統的同步數據采集與通信。

　?、?IEEE1451.4：包含混合模式通信協(xié)議與TEDS格式的定義。其主要針對已存在的模擬量變送器通信協(xié)議，一方面支持數字接口對TEDS數據的讀寫(xiě)，另一方面支持模擬接口對現場(chǎng)儀器的測量。

　?、?IEEE1451.5：定義智能傳感器的無(wú)線(xiàn)通信接口，通過(guò)指定的無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議在無(wú)線(xiàn)變送器接口模塊(WTIM)和NCAP進(jìn)行通信。目前支持WiFi、藍牙、ZigBee協(xié)議。IEEE1451.5也定義與無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議相關(guān)的TEDS。

　　2 無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議

　　IEEE1451.5標準為使用不同通信協(xié)議的無(wú)線(xiàn)傳感器提供一個(gè)統一的接口，不是開(kāi)發(fā)一種新的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，而是采用已經(jīng)成熟的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)作為接口標準。IEEE 1451.1標準提議了3種無(wú)線(xiàn)通信方式：WiFi、藍牙和ZigBee。本論文中采用的是ZigBee協(xié)議，其主要包括IEEE 802.15.4的PHY層和MAC層，以及ZigBee的NWK層和APS層。

　　2.1 IEEE 802.15.4的PHY層

　　PHY層采用DSSS技術(shù)，不同的載波行道提供不同的傳輸速率，2.4 GHz提供250 kbps傳輸速率。PHY層用來(lái)在兩個(gè)設備之間提供透明的比特流傳輸。其主要功能包括：信道選擇和信道能量檢測、空閑信道*估、無(wú)線(xiàn)信道數據收發(fā)、接收包鏈路質(zhì)量。

　　2.2 IEEE 802.15.4的 MAC層

　　MAC層負責將NWK層發(fā)送來(lái)的數據包進(jìn)行封裝，并向下發(fā)送給PHY層，并對PHY層發(fā)送上來(lái)的幀進(jìn)行分解，將分解后的數據包向上發(fā)送給NWK層。

　　MAC層提供了信標和非信標兩種傳輸模式。其中，信標傳輸模式通過(guò)網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器以一定的時(shí)間間隔向網(wǎng)絡(luò )廣播信標幀，網(wǎng)絡(luò )內的所有節點(diǎn)以該信標幀作為同步信號，實(shí)現整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的同步。非信標傳輸模式采用CSMA/CA機制避免傳輸碰撞。

　　MAC層的主要功能為MPDU數據處理。其幀格式包括幀頭、MAC凈荷和幀尾3個(gè)部分。幀頭中的幀控制域提供了幀類(lèi)型、安全使能、目標地址模式、源地址模式等相關(guān)控制信息。MAC凈荷域為MAC層的有效數據，即NWK數據包。幀尾為幀頭和 MAC幀凈荷域的16位CRC校驗序列。