基于IEEE 1451.2的智能傳感器獨立接口設(shè)計

引言

20世紀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雜。20世紀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準。只要網(wǎng)絡(luò)適配器（NCAP）和智能傳感器模塊（STIM）遵守IEEE 1451.2標準，不論測控網(wǎng)絡(luò)采用何種網(wǎng)絡(luò)標準，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(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。

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(shè)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(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(shù)可以滿足更高數(shù)據(jù)傳輸速率的要求。


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(luò)適配器要求智能傳感器接口模塊執(zhí)行一定的任務(wù)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(luò)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(qū)動NACK信號，響應網(wǎng)絡(luò)適配器的讀寫請求。當網(wǎng)絡(luò)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1 μs[2]，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。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(luò)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(luò)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(shè)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(luò)適配器時，網(wǎng)絡(luò)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(luò)適配器時，由于給智能傳感器接口模塊上的電容充電會產(chǎn)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(luò)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(luò)適配器之間形成一條低阻通路，這樣也會導致產(chǎn)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(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(shè)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(chǎn)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(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(shè)門限值，將關(guān)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(guān)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(guān)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。

式中，IMAX為最大負載電流。TII設(shè)置電流門限值時，IMAX設(shè)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(shè)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(shè)計的有效性，對TII接口做了實驗驗證，結(jié)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(shè)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。

結(jié)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(shè)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(shè)計的接口已經(jīng)應用于電力系統(tǒng)傳感器網(wǎng)絡(luò)中。

審核編輯：彭菁