采用IEEE 1451.2的智能傳感器獨立接口設計

　　通信協議規定了采樣觸發機制和2種數據傳輸方式：字節讀/寫、幀讀/寫。IEEE 1451.2規定智能傳感器接口模塊必須實現即插即用，這在軟件上通過傳感器電子數據表單實現，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實現數據傳輸；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實現

　　SPI（Serial Peripheral Interface）是一種四線同步串行接口，廣泛應用于微處理器和EEPROM、Flash、實時時鐘、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，一個主控器件可以連接多個被控器件。數據傳輸在主控器件的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，遠遠高于協議推薦的6 kbps，這使得基于SPI的TII接口技術可以滿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絡適配器（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。在筆者實驗室設計的電力系統傳感器網絡中，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據傳輸和電源接線設計方案。

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程予以介紹：網絡適配器要求智能傳感器接口模塊執行一定的任務時，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信號觸發動作，等待一個數據建立時間后從智能傳感器接口模塊讀取數據。當網絡適配器要向智能傳感器接口模塊寫數據，或者從智能傳感器接口模塊讀數據時，首先發送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AT89S53通過NIOE_S引腳檢測到NIOE信號有效時，根據智能傳感器接口模塊的狀態及時驅動NACK信號，響應網絡適配器的讀寫請求。當網絡適配器收到NACK信號時，開始發送或者讀取數據。IEEE 1451.2協議要求NIOE信號在數據傳輸中一直有效，因此，在數據傳輸的過程中，STIM從SPI的移位寄存器里讀出或者寫入數據時，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行。

　　當向STIM寫入通道命令和通道地址后，NCAP就要通過NTRIG信號觸發命令所要求的動作。電力系統同步相量測量要求采樣的時間精度高達1 μs[2]，為了保證動作執行的時間準確性，NTRIG信號同時接入STIM里的多個傳感器或者執行器件。如圖2所示，一個智能傳感器接口模塊里有多個傳感器通道，每個通道采集一路信號。當網絡應用適配器把一個傳感器或者執行器通道打開時，AT89S53使能對應的傳感器或者執行器的使能信號，這個使能信號和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正確的通道動作。

圖2 傳感器觸發電路圖