基于IEEE 1451．2的 智能傳感器獨立接口設計

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準智能傳感器接口。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。

通信協(xié)議規(guī)定了采樣觸發(fā)機制和2種數(shù)據(jù)傳輸方式：字節(jié)讀／寫、幀讀／寫。IEEE 1451．2規(guī)定智能傳感器接口模塊必須實現(xiàn)即插即用，這在軟件上通過傳感器電子數(shù)據(jù)表單實現(xiàn)，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(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，廣泛應用于微處理器和EEPROM、Flash、實時時鐘、A／D轉換器、數(shù)字信號處理器、數(shù)字信號解碼器等低速外圍設備之間的數(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)絡適配器(NCAP)。其中，GPIO是微處理器的通用輸入輸出引腳，SN74ALVCl64245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(tǒng)傳感器網(wǎng)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(shù)據(jù)傳輸和電源接線設計方案。

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程予以介紹：網(wǎng)絡適配器要求智能傳感器接口模塊執(zhí)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(fā)動作，等待一個數(shù)據(jù)建立時間后從智能傳感器接口模塊讀取數(shù)據(jù)。當網(wǎng)絡適配器要向智能傳感器接口模塊寫數(shù)據(jù)，或者從智能傳感器接口模塊讀數(shù)據(jù)時，首先發(fā)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(jù)智能傳感器接口模塊的狀態(tài)及時驅動NACK信號，響應網(wǎng)絡適配器的讀寫請求。當網(wǎng)絡適配器收到NACK信號時，開始發(fā)送或者讀取數(shù)據(jù)。IEEE 1451．2協(xié)議要求NIOE信號在數(shù)據(jù)傳輸中一直有效，因此，在數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中，STIM從SPI的移位寄存器里讀出或者寫入數(shù)據(jù)時，都要檢測NIOE是否有效，以確定數(shù)據(jù)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(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1μs，為了保證動作執(zhí)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(zhí)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(wǎng)絡應用適配器把一個傳感器或者執(zhí)行器通道打開時，AT89S53使能對應的傳感器或者執(zhí)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(zhí)行器。這樣NTRIG信號就可以準確地觸發(fā)正確的通道動作。
2．2 基于UCC3918的熱插拔控制電路
為了能在測控網(wǎng)絡中方便地添加、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程帶來的瞬時電流的影響。當智能傳感器接口模塊插入網(wǎng)絡適配器時，網(wǎng)絡適配器已經(jīng)處于穩(wěn)定工作狀態(tài)，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(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)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。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(xiàn)瞬時跌落，導致系統(tǒng)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(tǒng)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O．06Ω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(tài)。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(tài)回到低電阻導通狀態(tài)。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。

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IEAULT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650mA。具備熱插拔功能的TII接口，其最大瞬時電流為2．O 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(tǒng)電源瞬時電壓跌落或損壞器件。
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。

結 語
本文介紹了基于IEEE 1451．2協(xié)議的智能傳感器獨立接口部分的設計和實現(xiàn)，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(jīng)應用于電力系統(tǒng)傳感器網(wǎng)絡中。