基于IEEE 1451.2的智能傳感器獨立接口設計

摘要 IEEE 1451.2協議是一種網絡化智能傳感器接口標準。IEEE 1451.2協議規定智能傳感器由網絡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絡適配器的接口，實現網絡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協議的網絡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，以及現場試驗情況。

關鍵詞  IEEE 1451.2  TII  熱插拔  UCC3918  智能傳感器

引言

　　20世紀80～90年代，基于各種現場總線技術的智能傳感器得到了迅速發展。由于現場總線種類很多，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題。該協議已經用于壓力監測、石油液位監測、蔬菜大棚環境監測等諸多領域。

　　IEEE 1451.2（transducer to microprocessor communication protocols and transducer electronic data sheet formats）是IEEE 1451協議族中的數字式點對點有線傳輸標準。只要網絡適配器（NCAP）和智能傳感器模塊（STIM）遵守IEEE 1451.2標準，不論測控網絡采用何種網絡標準，各廠家生產的智能傳感器接口模塊都可以實現相互兼容，從而方便地加入已有的測控網絡中。因此，符合 IEEE 1451.2協議的傳感器獨立接口是此類測控網絡的重要環節。

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

1  IEEE 1451.2傳感器接口規范簡介

　　IEEE 1451協議族定義了一系列的標準智能傳感器接口。IEEE 1451.2協議提出了一種數字化點到點的智能接口模塊到網絡適配器的有線傳輸接口方案。

　　IEEE 1451.2協議通過定義TII通信協議、時序和電氣規范，確保可靠的數據傳輸。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]

　　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

2.2  基于UCC3918的熱插拔控制電路

　　為了能在測控網絡中方便地添加、撤除和更換傳感器模塊，IEEE 1451.2協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程帶來的瞬時電流的影響。當智能傳感器接口模塊插入網絡適配器時，網絡適配器已經處于穩定工作狀態，所有電容都已充滿了電，智能傳感器接口模塊是不帶電的，電容里面沒有電荷。因此，當智能傳感器接口模塊接觸網絡適配器時，由于給智能傳感器接口模塊上的電容充電會產生很大的瞬時電流。同樣，帶電的智能傳感器接口模塊從網絡應用適配器上拔出時，由于旁路電容放電，在帶電的智能傳感器接口模塊和網絡適配器之間形成一條低阻通路，這樣也會導致產生大的瞬時電流[3]。嚴重情況下，熱插拔過程中較大的瞬時電流會使電源電壓出現瞬時跌落，導致系統復位，甚至導致連接件、電子元件和電路板連線的損壞。

　　為了系統的安全可靠運行，必須抑制過大的瞬時電流。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。

　　UCC3918芯片的基本工作原理是：當輸出電流低于最大允許電流值IMAX時，UCC3918工作在低阻抗導通狀態。當輸出電流大于最大允許電流或者故障電流門限值時，保持電路導通；同時，故障計時器向電容CT充電，一旦電容CT電壓達到預設門限值，將關斷電流輸出30倍充電時間。輸出電流降到最大允許電流值以下時，UCC3918從開關狀態回到低電阻導通狀態。UCC3918還提供了快速過流保護，當電流急速越過故障電流門限值時，快速過流保護會關斷電流輸出。在電路短路等極端條件下，此功能為器件提供有效保護。

　　UCC3918的應用設計方案如圖3所示，通過合理地選擇2個電阻和2個電容的值，就可以達到有效抑制瞬時電流的目的。

圖3  基于UCC3918的熱插拔控制電路圖

　　其中，RIFAULT參考式(1)設置：

式中，ITRIP為故障電流門限值。RIMAX參考式⑵設置：R

　　式中，IMAX為最大負載電流。TII設置電流門限值時，IMAX設為智能傳感器接口模塊正常負載電流的1.2~1.5倍，故障電流IFAULT設為智能傳感器接口模塊正常負載電流的4倍，CT取一倍負載電容。

　　為了驗證上述設計的有效性，對TII接口做了實驗驗證，結果如表2所列。一組實驗條件是沒有熱插拔控制電路，另一組實驗條件是使用了 UCC3918熱插拔控制器。作為負載的智能傳感器接口模塊的正常工作電流是650 mA。具備熱插拔功能的TII接口，其最大瞬時電流為2.0 A，約為正常工作電流的3倍。如果不設計熱插拔控制電路，瞬時電流將近是正常電流的5倍。這可能會導致系統電源瞬時電壓跌落或損壞器件。

表2  最大瞬時電流對照表

　　圖4是熱插拔的電流波形對比圖。上面是啟動熱插拔控制電路的電流波形，下面是未啟動熱插拔控制電路的電流波形。

圖4  熱插拔電流波形對比圖

結語

　　本文介紹了基于IEEE 1451.2協議的智能傳感器獨立接口部分的設計和實現，并通過實驗驗證了熱插拔控制功能的有效性，所設計的接口已經應用于電力系統傳感器網絡中。

參考文獻

[1]  IEEE Standard for a Smart Transducer Interface for Sensors and Actuators——Transducer to Microprocessor Communication Protocols and Transducer Electronic Data Sheet (TEDS) Formats，1997.
[2]  謝小榮,李紅軍,吳京濤，等. 同步相量技術應用于電力系統暫態穩定性控制的可行性分析[J]. 電網技術, 2004,28（1）.
[3]  洪家平. 集成熱插拔控制器MAX4370的原理與應用[J].微型計算機應用[J], 2005（26）.
[4]  倪春華,李伯全.網絡傳感器接口設計與驗證[J].傳感器技術, 2005,24（9）.
[5]  杭和平. 基于IEEE1451. 2 標準設計數字式智能壓力變送器[J]. 儀表技術與傳感器，2002（11）.