IEEE1451．2的智能變送器模塊設(shè)計(jì)

引 言
    在現(xiàn)實(shí)生活中，對一個大型的被測對象進(jìn)行各種狀態(tài)的監(jiān)控，往往需要使用許多傳感器來構(gòu)建一個龐大的測控系統(tǒng)。例如，用戶在飛機(jī)的不同位置安裝不同的傳感器用于實(shí)時(shí)監(jiān)視飛機(jī)的各種運(yùn)行狀態(tài)，從而確保飛機(jī)能夠安全運(yùn)行。若構(gòu)建這樣的測控系統(tǒng)，從設(shè)計(jì)者的角度來講，由于使用的傳感器種類多、數(shù)量大，而不同種類的傳感器需要提供相應(yīng)的總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，這就不可能使用單一的數(shù)據(jù)總線來構(gòu)成整個系統(tǒng)，必然花費(fèi)大量的設(shè)計(jì)時(shí)間和費(fèi)用。另外，從保障維護(hù)的角度來講，由于采用多種總線技術(shù)，使得傳感器針對不同總線在兼容性和互換性等方面也存在著很多問題。
    IEEE 1451．1實(shí)現(xiàn)模型如圖1所示。
    IEEEl451標(biāo)準(zhǔn)的主要思想是，使傳感器能夠獨(dú)立于各種不同的總線網(wǎng)絡(luò)，在實(shí)現(xiàn)方式上使用一種通用的傳感器接口標(biāo)準(zhǔn)，用于解決傳感器與各種網(wǎng)絡(luò)相互不兼容的問題。本文以IEEEl451標(biāo)準(zhǔn)族中的IEEEl451．2為主要研究對象，在對該標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行簡單介紹后，重點(diǎn)闡述基于該標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)智能變送器模塊的總體過程，為解決上述問題提供一種有效的解決方案。

1 lEEEl451．2標(biāo)準(zhǔn)介紹
    從IEEEl451．2標(biāo)準(zhǔn)開始，傳感器被劃分為變送器模塊和網(wǎng)絡(luò)適配器模塊兩部分，兩模塊在接口形式上為IEEEl451．1實(shí)現(xiàn)模型(見圖1)提供了具體的研究示例。IEEEl451．2標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了一個連接傳感器到微處理器的數(shù)字接口，并對變送器電子數(shù)據(jù)表格TEDS(TransducerElectronic Datasheet)及其數(shù)據(jù)格式進(jìn)行了詳細(xì)描述；通過提供一個連接智能變送器模塊和網(wǎng)絡(luò)適配器模塊的10線標(biāo)準(zhǔn)接口TII，實(shí)現(xiàn)傳感器在多種網(wǎng)絡(luò)中的“即插即用”，從而體現(xiàn)出其“獨(dú)立”和“兼容”的特點(diǎn)。值得注意的是，該標(biāo)準(zhǔn)并沒有對信號調(diào)理和信號轉(zhuǎn)換部分進(jìn)行規(guī)定，這樣使得傳感器制造商可以繼續(xù)使用自己原本的生產(chǎn)技術(shù)，保持各自在該行業(yè)中的競爭力。圖2為IEEEl451．2智能變送器模塊的功能框圖。

2 智能變送器模塊的硬件設(shè)計(jì)
    TI公司生產(chǎn)的16位單片機(jī)MSP430F149作為智能變送器(STIM)的微控制器，外圍電路主要包括A／D接口、TII接口、RS一232串行通信接口以及基于I2C總線協(xié)議的EEPROM存儲器。圖3為硬件設(shè)計(jì)的基本框架。圖中傳感器模塊獨(dú)立于STIM模塊，二者通過A／D接口相連接。虛線部分為網(wǎng)絡(luò)適配器模塊，這里不對網(wǎng)絡(luò)適配器模塊的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行介紹。

2．1 TII接口的設(shè)計(jì)
    TII接口(Transducer Independent Interface)用于連接NCAP與STIM，是一種點(diǎn)對點(diǎn)、短距離時(shí)鐘同步的標(biāo)準(zhǔn)接口。該接口主要基于SPI(Setial Peripheral Interface)協(xié)議，并在該協(xié)議的基礎(chǔ)上通過擴(kuò)展功能實(shí)現(xiàn)10線智能變送器獨(dú)立接口。本設(shè)計(jì)根據(jù)IEEEl451．2標(biāo)準(zhǔn)中對TII接口的定義，利用MSP430F149中的同步串行接口與外圍I／O中斷接口來設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)這一過程，其引腳分配與功能定義如表1所列。

2．2 變送器電子數(shù)據(jù)表格(TEDS)的設(shè)計(jì)
    TEDS作為IEEEl451標(biāo)準(zhǔn)族中不可缺少的重要部分，是使傳感器具有一定的“自覺”能力，實(shí)現(xiàn)傳感器“即插即用”功能的關(guān)鍵。在IEEEl451．2標(biāo)準(zhǔn)中，TEDS按照信息功能被劃分為基本TEDS、IEEE標(biāo)準(zhǔn)TEDS和自定義TEDS三部分。其中，基本TEDS主要包含傳感器的制造商、型號和序列號等必要的識別信息；IEEE標(biāo)準(zhǔn)TEDS主要描述了傳感器特有的“數(shù)據(jù)表”信息，如測量范圍、電氣輸出范圍、靈敏度、功率要求以及校準(zhǔn)數(shù)據(jù)等；自定義TEDS可以存放如傳感器位置信息、附加維修信息或其他駐留在傳感器內(nèi)的自定義信息，具體定義如表2所列。本設(shè)計(jì)采用Atmel公司生產(chǎn)的基于I2C協(xié)議的24C02B串行EEPROM存儲器芯片存儲TEDS，并利用MSP430F149單片機(jī)的P3．2和P3．3引腳模擬I2C協(xié)議，實(shí)現(xiàn)對TEDS的讀寫功能。

2．3 A／D接口和串口通信模塊的設(shè)計(jì)
    在圖3中，智能變送器模塊與傳感器模塊之間是相互獨(dú)立的，這主要是考慮到傳感器需要專用的調(diào)理電路，而傳感器信號經(jīng)過調(diào)理電路后最終的輸出信號均可以轉(zhuǎn)變成電壓或電流信號，因此，這里采用這種設(shè)計(jì)方式，便于使用時(shí)連接不同傳感器實(shí)現(xiàn)不同的測量功能。在硬件上，利用MSP430F149內(nèi)部集成的12位A／D轉(zhuǎn)換器擴(kuò)展出一個8通道數(shù)據(jù)采集接口，實(shí)現(xiàn)IEEEl451．2標(biāo)準(zhǔn)智能變送器模塊中ADC的功能，不需要外加任何ADC轉(zhuǎn)換電路。同時(shí)，本文在STIM模塊中利用Maxim公司生產(chǎn)的MAX3232芯片與MSP430f149單片機(jī)P3．4和P3．5引腳相連擴(kuò)展出一個RS一232串行通信接口，實(shí)現(xiàn)智能變送器模塊與電腦的通信，從而可以使用戶通過電腦對智能變送器模塊內(nèi)部電子數(shù)據(jù)表格進(jìn)行配置的功能。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
    智能變送器模塊的軟件設(shè)計(jì)在整個模塊設(shè)計(jì)工作中占重要地位。需要通過編寫軟件實(shí)現(xiàn)智能變送器的“即插即用”、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?；同時(shí)，利用美國國家儀器公司(NI公司)的LabVIEW軟件編寫了電子數(shù)據(jù)表格的編輯軟件，使智能變送器模塊可由RS一232與計(jì)算機(jī)連接，并利用串口單獨(dú)配置智能變送器的電子數(shù)據(jù)表格(TEDS)。
3．1 智能變送器模塊的軟件設(shè)計(jì)
    在智能變送器模塊的軟件設(shè)計(jì)中，最主要的工作是STIM模塊的自識別討稗和與NCAP之間的基本通信過程。圖4和圖5分別給出了STIM模塊自識別和讀／寫結(jié)構(gòu)流程。具體而言，整個軟件被分為如下5大模塊：
    ①STIM模塊，為STIM的主程序部分，主要用于實(shí)現(xiàn)各接口初始化和系統(tǒng)復(fù)位；
    ②TII模塊，描述了STIM的物理接口，用于數(shù)據(jù)傳輸、觸發(fā)、中斷和控制等功能；
    ③TEDS模塊，定義了TEDS的數(shù)據(jù)格式和存儲方式，用于對TEDS內(nèi)容的讀取和保存；
    ④A／D模塊，用于A／D接口外接傳感器后進(jìn)行測量數(shù)據(jù)的采集；
    ⑤RS一232模塊，用于與計(jì)算機(jī)之間通信，實(shí)現(xiàn)對STIM中TEDS的編輯。

3．2 電子數(shù)據(jù)表格配置界面的設(shè)計(jì)
    LabVIEW是NI公司推出的一種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)圖形化編程工具，主要用于開發(fā)測試、測量與控制系統(tǒng)。它使用圖形化的編程語言——G語言，采用圖形模式的結(jié)構(gòu)框圖構(gòu)建程序代碼，其程序按照數(shù)據(jù)流進(jìn)行驅(qū)動。該軟件提供了大量實(shí)用的控件，可以大大提高設(shè)計(jì)和測試時(shí)的工作效率。
    采用LabVIEW軟件作為界面開發(fā)工具，在電腦平臺上編寫智能變送器電子數(shù)據(jù)表格的配置界面。整個界面分為前面板設(shè)計(jì)和程序框圖設(shè)計(jì)，分別如圖6和圖7所示。前面板主要利用控制控件、顯示控件和修飾控件對界面進(jìn)行設(shè)計(jì)，程序框圖設(shè)計(jì)則是利用串口通信控件、字符串控件以及程序結(jié)構(gòu)將整個程序按照數(shù)據(jù)流的方式連接起來。該配置界面最終要實(shí)現(xiàn)的主要功能包括：下達(dá)命令功能鍵，串口通信參數(shù)設(shè)置以及電子數(shù)據(jù)表格的編輯、讀取、寫入和保存。

4 小 結(jié)
    通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，設(shè)計(jì)的STIM模塊能夠“即插即用”，并與NCAP之間按照規(guī)定的時(shí)序進(jìn)行通信，同時(shí)，利用TEDS編輯界面能夠由用戶根據(jù)連接的傳感器自行進(jìn)行TEDS內(nèi)容修改。本設(shè)計(jì)為IEEEl451標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器的開發(fā)提供了一種良好的解決方案。