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引言 在現實(shí)生活中，對一個(gè)大型的被測對象進(jìn)行各種狀態(tài)的監控，往往需要使用許多傳感器來(lái)構建一個(gè)龐大的測控系統。例如，用戶(hù)在飛機的不同位置安裝不同的傳感器用于實(shí)時(shí)監視飛機的各種運行狀態(tài)，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(lái)講，由于使用的傳感器種類(lèi)多、數量大，而不同種類(lèi)的傳感器需要提供相應的總線(xiàn)進(jìn)行數據傳輸，這就不可能使用單一的數據總線(xiàn)來(lái)構成整個(gè)系統，必然花費大量的設計時(shí)間和費用。另外，從保障維護的角度來(lái)講，由于采用多種總線(xiàn)技術(shù)，使得傳感器針對不同總線(xiàn)在兼容性和互換性等方面也存在著(zhù)很多問(wèn)題。 IEEE 1451．1實(shí)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(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，在實(shí)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(wǎng)絡(luò )相互不兼容的問(wèn)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(jìn)行簡(jiǎn)單介紹后，重點(diǎn)闡述基于該標準設計智能變送器模塊的總體過(guò)程，為解決上述問(wèn)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(kāi)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)現模型(見(jiàn)圖1)提供了具體的研究示例。IEEEl451．2標準規定了一個(gè)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(jìn)行了詳細描述；通過(guò)提供一個(gè)連接智能變送器模塊和網(wǎng)絡(luò )適配器模塊的10線(xiàn)標準接口TII，實(shí)現傳感器在多種網(wǎng)絡(luò )中的 “即插即用”，從而體現出其“獨立”和“兼容”的特點(diǎn)。值得注意的是，該標準并沒(méi)有對信號調理和信號轉換部分進(jìn)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(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計 TI公司生產(chǎn)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(xiàn)協(xié)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(guò)A／D接口相連接。虛線(xiàn)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)內容進(jìn)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(diǎn)對點(diǎn)、短距離時(shí)鐘同步的標準接口。該接口主要基于SPI(Setial Peripheral Interface)協(xié)議，并在該協(xié)議的基礎上通過(guò)擴展功能實(shí)現10線(xiàn)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(lái)設計實(shí)現這一過(guò)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(jué)”能力，實(shí)現傳感器“即插即用”功能的關(guān)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(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單片機的P3．2和P3．3引腳模擬I2C協(xié)議，實(shí)現對TEDS的讀寫(xiě)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(zhuān)用的調理電路，而傳感器信號經(jīng)過(guò)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(shí)連接不同傳感器實(shí)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(gè)8通道數據采集接口，實(shí)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(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P3．4和P3．5引腳相連擴展出一個(gè)RS一232串行通信接口，實(shí)現智能變送器模塊與電腦的通信，從而可以使用戶(hù)通過(guò)電腦對智能變送器模塊內部電子數據表格進(jìn)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(gè)模塊設計工作中占重要地位。需要通過(guò)編寫(xiě)軟件實(shí)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(shí)，利用美國國家儀器公司(NI公司)的LabVIEW軟件編寫(xiě)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(guò)程。圖4和圖5分別給出了STIM模塊自識別和讀／寫(xiě)結構流程。具體而言，整個(gè)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(fā)、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(yíng)／D接口外接傳感器后進(jìn)行測量數據的采集； ⑤RS一232模塊，用于與計算機之間通信，實(shí)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(yè)標準圖形化編程工具，主要用于開(kāi)發(fā)測試、測量與控制系統。它使用圖形化的編程語(yǔ)言——G語(yǔ)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(jìn)行驅動(dòng)。該軟件提供了大量實(shí)用的控件，可以大大提高設計和測試時(shí)的工作效率。 采用LabVIEW軟件作為界面開(kāi)發(fā)工具，在電腦平臺上編寫(xiě)智能變送器電子數據表格的配置界面。整個(gè)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(jìn)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(gè)程序按照數據流的方式連接起來(lái)。該配置界面最終要實(shí)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(xiě)入和保存。
4 小結 通過(guò)實(shí)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(shí)序進(jìn)行通信，同時(shí)，利用TEDS編輯界面能夠由用戶(hù)根據連接的傳感器自行進(jìn)行TEDS內容修改。本設計為IEEEl451標準的網(wǎng)絡(luò )化智能傳感器的開(kāi)發(fā)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(wǎng)絡(luò )化智能傳感器標準的發(fā)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(xué)技術(shù)大學(xué) 李文 葉湘濱 楊雪 來(lái)源：?jiǎn)纹瑱C與嵌入式系統應用 2009 (2) |
