智能传感器独立接口的设计
2009/7/31 0:00:00
摘要 IEEE 1451.2协议是一种网络化智能传感器接口标准。IEEE 1451.2协议规定智能传感器由网络适配器和智能传感器接口模块两部分构成。传感器独立接口是智能传感器接口模块和网络适配器的接口，实现网络适配器对智能传感器接口模块的控制和两者之间的通信。本文介绍满足IEEE 1451.2协议的网络适配器和智能传感器接口模块之间的传感器独立接口设计，以及现场试验情况。
关键词 IEEE 1451.2 TII 热插拔 UCC3918 智能传感器
IEEE 1451.2（transducer to microprocessor communication protocols and transducer electronic data sheet formats）是IEEE 1451协议族中的数字式点对点有线传输标准。只要网络适配器（NCAP）和智能传感器模块（STIM）遵守IEEE 1451.2标准，不论测控网络采用何种网络标准，各厂家生产的智能传感器接口模块都可以实现相互兼容，从而方便地加入已有的测控网络中。因此，符合 IEEE 1451.2协议的传感器独立接口是此类测控网络的重要环节。
本文在介绍IEEE 1451.2协议的基础上，详细介绍了在实现同步相量测量的电力系统传感器网络中的传感器独立接口（Transducer Independent Interface ，TII）电路的设计方案。
1 IEEE 1451.2传感器接口规范简介
IEEE 1451协议族定义了一系列的标准智能传感器接口。IEEE 1451.2协议提出了一种数字化点到点的智能接口模块到网络适配器的有线传输接口方案。
IEEE 1451.2协议通过定义TII通信协议、时序和电气规范，确保可靠的数据传输。传感器独立接口是一个10线的接口，按功能可分为4组，如表1所列。
2 TII接口电路设计
基于上述标准，TII接口的硬件要求具备两项功能：一是要基于现有的微处理器总线实现数据传输；二是要具备支持热插拔的浪涌电流控制功能。
2.1 基于SPI和GPIO的TII实现
SPI（Serial Peripheral Interface）是一种四线同步串行接口，广泛应用于微处理器和EEPROM、Flash、实时时钟、A/D转换器、数字信号处理器、数字信号解码器等低速外围设备之间的数据传输。SPI有主控和被控两种工作模式，一个主控器件可以连接多个被控器件。数据传输在主控器件的SPI时钟信号SPCK控制下，按照高位在前、低位在后的顺序按位传输。SPI的传输速度完全由主控器件的SPCK控制，通过设置SPCK频率可以适应各种不同工作频率的智能传感器接口模块。模块的SPI接口传输速率高达1.5 Mbps，远远高于协议推荐的6 kbps，这使得基于SPI的TII接口技术可以满足更高数据传输速率的要求。
图1给出了TII的接口电路图。左边是智能传感器接口模块（STIM），右边是支持热插拔功能的网络适配器（NCAP）。其中，GPIO是微处理器的通用输入输出引脚，SN74ALVC164245为双向5～3.3 V电平转换芯片。在笔者实验室设计的电力系统传感器网络中，上述两个模块分别采用了芯片AT89S53和AT91SAM9261。图中还给出了两者之间的数据传输和电源接线设计方案。
当向STIM写入通道命令和通道地址后，NCAP就要通过NTRIG信号触发命令所要求的动作。电力系统同步相量测量要求采样的时间精度高达1 μs[2]，为了保证动作执行的时间准确性，NTRIG信号同时接入STIM里的多个传感器或者执行器件。如图2所示，一个智能
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关键词 IEEE 1451.2 TII 热插拔 UCC3918 智能传感器
引言
20世纪80～90年代，基于各种现场总线技术的智能传感器得到了迅速发展。由于现场总线种类很多，智能传感器接口纷繁复杂。20世纪90年代末，IEEE陆续推出了IEEE 1451协议族，提出了统一的传感器接口和传感器的自描述模型，解决了智能化传感器的兼容性、互换性和互操作性等问题。该协议已经用于压力监测、石油液位监测、蔬菜大棚环境监测等诸多领域。
IEEE 1451.2（transducer to microprocessor communication protocols and transducer electronic data sheet formats）是IEEE 1451协议族中的数字式点对点有线传输标准。只要网络适配器（NCAP）和智能传感器模块（STIM）遵守IEEE 1451.2标准，不论测控网络采用何种网络标准，各厂家生产的智能传感器接口模块都可以实现相互兼容，从而方便地加入已有的测控网络中。因此，符合 IEEE 1451.2协议的传感器独立接口是此类测控网络的重要环节。
本文在介绍IEEE 1451.2协议的基础上，详细介绍了在实现同步相量测量的电力系统传感器网络中的传感器独立接口（Transducer Independent Interface ，TII）电路的设计方案。
1 IEEE 1451.2传感器接口规范简介
IEEE 1451协议族定义了一系列的标准智能传感器接口。IEEE 1451.2协议提出了一种数字化点到点的智能接口模块到网络适配器的有线传输接口方案。
IEEE 1451.2协议通过定义TII通信协议、时序和电气规范，确保可靠的数据传输。传感器独立接口是一个10线的接口，按功能可分为4组，如表1所列。
表1 传感器独立接口信号列表[1]
2 TII接口电路设计
基于上述标准，TII接口的硬件要求具备两项功能：一是要基于现有的微处理器总线实现数据传输；二是要具备支持热插拔的浪涌电流控制功能。
2.1 基于SPI和GPIO的TII实现
SPI（Serial Peripheral Interface）是一种四线同步串行接口，广泛应用于微处理器和EEPROM、Flash、实时时钟、A/D转换器、数字信号处理器、数字信号解码器等低速外围设备之间的数据传输。SPI有主控和被控两种工作模式，一个主控器件可以连接多个被控器件。数据传输在主控器件的SPI时钟信号SPCK控制下，按照高位在前、低位在后的顺序按位传输。SPI的传输速度完全由主控器件的SPCK控制，通过设置SPCK频率可以适应各种不同工作频率的智能传感器接口模块。模块的SPI接口传输速率高达1.5 Mbps，远远高于协议推荐的6 kbps，这使得基于SPI的TII接口技术可以满足更高数据传输速率的要求。
图1给出了TII的接口电路图。左边是智能传感器接口模块（STIM），右边是支持热插拔功能的网络适配器（NCAP）。其中，GPIO是微处理器的通用输入输出引脚，SN74ALVC164245为双向5～3.3 V电平转换芯片。在笔者实验室设计的电力系统传感器网络中，上述两个模块分别采用了芯片AT89S53和AT91SAM9261。图中还给出了两者之间的数据传输和电源接线设计方案。
图1 TII接口电路图
当向STIM写入通道命令和通道地址后，NCAP就要通过NTRIG信号触发命令所要求的动作。电力系统同步相量测量要求采样的时间精度高达1 μs[2]，为了保证动作执行的时间准确性，NTRIG信号同时接入STIM里的多个传感器或者执行器件。如图2所示，一个智能
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