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
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(xì)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，確保可靠的數(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。
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(dá)1.5 Mbps，遠(yuǎn)遠(yuǎn)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。
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(dá)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
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引言
20世紀(jì)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(jì)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(xì)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，確保可靠的數(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]
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(dá)1.5 Mbps，遠(yuǎn)遠(yuǎn)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
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(dá)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
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