|
引言 在現實生活中，對一個大型的被測對象進行各種狀態的監控，往往需要使用許多傳感器來構建一個龐大的測控系統。例如，用戶在飛機的不同位置安裝不同的傳感器用于實時監視飛機的各種運行狀態，從而確保飛機能夠安全運行。若構建這樣的測控系統，從設計者的角度來講，由于使用的傳感器種類多、數量大，而不同種類的傳感器需要提供相應的總線進行數據傳輸，這就不可能使用單一的數據總線來構成整個系統，必然花費大量的設計時間和費用。另外，從保障維護的角度來講，由于采用多種總線技術，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實現模型如圖1所示。 
IEEEl451標準的主要思想是，使傳感器能夠獨立于各種不同的總線網絡，在實現方式上使用一種通用的傳感器接口標準，用于解決傳感器與各種網絡相互不兼容的問題。本文以IEEEl451標準族中的IEEEl451．2為主要研究對象，在對該標準進行簡單介紹后，重點闡述基于該標準設計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標準介紹 從IEEEl451．2標準開始，傳感器被劃分為變送器模塊和網絡適配器模塊兩部分，兩模塊在接口形式上為IEEEl451．1實現模型(見圖1)提供了具體的研究示例。IEEEl451．2標準規定了一個連接傳感器到微處理器的數字接口，并對變送器電子數據表格 TEDS(TransducerElectronic Datasheet)及其數據格式進行了詳細描述；通過提供一個連接智能變送器模塊和網絡適配器模塊的10線標準接口TII，實現傳感器在多種網絡中的 “即插即用”，從而體現出其“獨立”和“兼容”的特點。值得注意的是，該標準并沒有對信號調理和信號轉換部分進行規定，這樣使得傳感器制造商可以繼續使用自己原本的生產技術，保持各自在該行業中的競爭力。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計 TI公司生產的16位單片機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總線協議的EEPROM存儲器。圖3為硬件設計的基本框架。圖中傳感器模塊獨立于STIM模塊，二者通過A／D接口相連接。虛線部分為網絡適配器模塊，這里不對網絡適配器模塊的相關內容進行介紹。
2．1 TII接口的設計 TII接口 (Transducer Independent Interface)用于連接NCAP與STIM，是一種點對點、短距離時鐘同步的標準接口。該接口主要基于SPI(Setial Peripheral Interface)協議，并在該協議的基礎上通過擴展功能實現10線智能變送器獨立接口。本設計根據IEEEl451．2標準中對TII接口的定義，利用MSP430F149中的同步串行接口與外圍I／O中斷接口來設計實現這一過程，其引腳分配與功能定義如表1所列。
2．2 變送器電子數據表格(TEDS)的設計 TEDS作為IEEEl451標準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，實現傳感器“即插即用”功能的關鍵。在 IEEEl451．2標準中，TEDS按照信息功能被劃分為基本TEDS、IEEE標準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標準TEDS主要描述了傳感器特有的“數據表”信息，如測量范圍、電氣輸出范圍、靈敏度、功率要求以及校準數據等；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的自定義信息，具體定義如表2所列。本設計采用Atmel公司生產的基于I2C協議的24C02B串行EEPROM存儲器芯片存儲TEDS，并利用MSP430F149單片機的P3．2和P3．3引腳模擬I2C協議，實現對TEDS的讀寫功能。
2．3 A／D接口和串口通信模塊的設計 在圖3中，智能變送器模塊與傳感器模塊之間是相互獨立的，這主要是考慮到傳感器需要專用的調理電路，而傳感器信號經過調理電路后最終的輸出信號均可以轉變成電壓或電流信號，因此，這里采用這種設計方式，便于使用時連接不同傳感器實現不同的測量功能。在硬件上，利用MSP430F149內部集成的12位A／D轉換器擴展出一個8通道數據采集接口，實現IEEEl451．2標準智能變送器模塊中ADC的功能，不需要外加任何ADC轉換電路。同時，本文在STIM模塊中利用Maxim公司生產的MAX3232芯片與 MSP430f149單片機P3．4和P3．5引腳相連擴展出一個RS一232串行通信接口，實現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部電子數據表格進行配置的功能。 3 系統的軟件設計 智能變送器模塊的軟件設計在整個模塊設計工作中占重要地位。需要通過編寫軟件實現智能變送器的“即插即用”、數據采集和數據傳輸等功能；同時，利用美國國家儀器公司(NI公司)的LabVIEW軟件編寫了電子數據表格的編輯軟件，使智能變送器模塊可由RS一232與計算機連接，并利用串口單獨配置智能變送器的電子數據表格(TEDS)。 3．1 智能變送器模塊的軟件設計 在智能變送器模塊的軟件設計中，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／寫結構流程。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，主要用于實現各接口初始化和系統復位； ②TII模塊，描述了STIM的物理接口，用于數據傳輸、觸發、中斷和控制等功能； ③TEDS模塊，定義了TEDS的數據格式和存儲方式，用于對TEDS內容的讀取和保存； ④A／D模塊，用于A／D接口外接傳感器后進行測量數據的采集； ⑤RS一232模塊，用于與計算機之間通信，實現對STIM中TEDS的編輯。
3．2 電子數據表格配置界面的設計 LabVIEW 是NI公司推出的一種工業標準圖形化編程工具，主要用于開發測試、測量與控制系統。它使用圖形化的編程語言——G語言，采用圖形模式的結構框圖構建程序代碼，其程序按照數據流進行驅動。該軟件提供了大量實用的控件，可以大大提高設計和測試時的工作效率。 采用LabVIEW軟件作為界面開發工具，在電腦平臺上編寫智能變送器電子數據表格的配置界面。整個界面分為前面板設計和程序框圖設計，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行設計，程序框圖設計則是利用串口通信控件、字符串控件以及程序結構將整個程序按照數據流的方式連接起來。該配置界面最終要實現的主要功能包括：下達命令功能鍵，串口通信參數設置以及電子數據表格的編輯、讀取、寫入和保存。
4 小結 通過實驗驗證，設計的STIM模塊能夠“即插即用”，并與NCAP之間按照規定的時序進行通信，同時，利用TEDS編輯界面能夠由用戶根據連接的傳感器自行進行TEDS內容修改。本設計為IEEEl451標準的網絡化智能傳感器的開發提供了一種良好的解決方案。 參考文獻 1. IEEE Instrumentation and Measurement Society IEEE Standard for a Smart Transducer Interface for Sensors and Actuators-Trans-ducer to Microprocessor Communication Protocols and Transducer Electronic Date Sheet(TEDS)Formats 1997 2. IEEE Instrumentation and Measurement Society Standard for a Smart Transducer Interface for Sensors and ActuatorsNetwork Capable Application Processor(NCAP) Information Model 1999 3. 童利標.徐科軍.梅濤 IEEE 1451網絡化智能傳感器標準的發展及應用探討 [期刊論文] -傳感器世界2002(6) 4. 叢林.葉湘濱.熊飛麗.張文娜.牛杰 基于 IEEE1451.2標準的嵌入式智能變送器(STIM)模塊 [期刊論文] -傳感器世界2007(8) 作者：國防科學技術大學 李文 葉湘濱 楊雪 來源：單片機與嵌入式系統應用 2009 (2) |
