采用IEEE 1451.2的智能傳感器獨(dú)立接口設(shè)計(jì)
IEEE 1451.2協(xié)議是一種網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器接口標(biāo)準(zhǔn)。IEEE 1451.2協(xié)議規(guī)定智能傳感器由網(wǎng)絡(luò)適配器和智能傳感器接口模塊兩部分構(gòu)成。傳感器獨(dú)立接口是智能傳感器接口模塊和網(wǎng)絡(luò)適配器的接口，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)適配器對智能傳感器接口模塊的控制和兩者之間的通信。本文介紹滿足IEEE 1451.2協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)適配器和智能傳感器接口模塊之間的傳感器獨(dú)立接口設(shè)計(jì)，以及現(xiàn)場試驗(yàn)情況。
關(guān)鍵詞 IEEE 1451.2 TII 熱插拔 UCC3918 智能傳感器
引言
20世紀(jì)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(fù)雜。20世紀(jì)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(diǎn)對點(diǎn)有線傳輸標(biāo)準(zhǔn)。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(biāo)準(zhǔn)，不論測控網(wǎng)絡(luò)采用何種網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，各廠家生產(chǎn)的智能傳感器接口模塊都可以實(shí)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(dú)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(xì)介紹了在實(shí)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(dú)立接口（Transducer Independent Interface ，TII）電路的設(shè)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)智能傳感器接口。IEEE 1451.2協(xié)議提出了一種數(shù)字化點(diǎn)到點(diǎn)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(shí)序和電氣規(guī)范，確保可靠的數(shù)據(jù)傳輸。傳感器獨(dú)立接口是一個(gè)10線的接口，按功能可分為4組，如表1所列。
表1 傳感器獨(dú)立接口信號(hào)列表[1]
通信協(xié)議規(guī)定了采樣觸發(fā)機(jī)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(shí)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(shí)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(jì)
基于上述標(biāo)準(zhǔn)，TII接口的硬件要求具備兩項(xiàng)功能：一是要基于現(xiàn)有的微處理器總線實(shí)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(shí)現(xiàn)
SPI（Serial Peripheral Interface）是一種四線同步串行接口，廣泛應(yīng)用于微處理器和EEPROM、Flash、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、A/D轉(zhuǎn)換器、數(shù)字信號(hào)處理器、數(shù)字信號(hào)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(gè)主控器件可以連接多個(gè)被控器件。數(shù)據(jù)傳輸在主控器件的SPI時(shí)鐘信號(hào)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(yīng)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(dá)1.5 Mbps，遠(yuǎn)遠(yuǎn)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。
圖1給出了TII的接口電路圖。左邊是智能傳感器接口模塊（STIM），右邊是支持熱插拔功能的網(wǎng)絡(luò)適配器（NCAP）。其中，GPIO是微處理器的通用輸入輸出引腳，SN74ALVC164245為雙向5～3.3 V電平轉(zhuǎn)換芯片。在筆者實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)的電力系統(tǒng)傳感器網(wǎng)絡(luò)中，上述兩個(gè)模塊分別采用了芯片AT89S53和AT91SAM9261。圖中還給出了兩者之間的數(shù)據(jù)傳輸和電源接線設(shè)計(jì)方案。
圖1 TII接口電路圖
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(shí)，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(hào)觸發(fā)動(dòng)作，等待一個(gè)數(shù)據(jù)建立時(shí)間后從智能傳感器接口模塊讀取數(shù)據(jù)。當(dāng)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(shí)，首先發(fā)送NIOE信號(hào)，即拉低SPI_SS。由于NIOE信號(hào)線同時(shí)連接到SPI_SS和NIOE_S引腳上，所以NIOE信號(hào)同時(shí)也選通了AT89S53的SPI。當(dāng)AT89S53通過NIOE_S引腳檢測到NIOE信號(hào)有效時(shí)，根據(jù)智能傳感器接口模塊的狀態(tài)及時(shí)驅(qū)動(dòng)NACK信號(hào)，響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)適配器的讀寫請求。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)適配器收到NACK信號(hào)時(shí)，開始發(fā)送或者讀取數(shù)據(jù)。IEEE 1451.2協(xié)議要求NIOE信號(hào)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(shí)，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(jìn)行。
當(dāng)向STIM寫入通道命令和通道地址后，NCAP就要通過NTRIG信號(hào)觸發(fā)命令所要求的動(dòng)作。電力系統(tǒng)同步相量測量要求采樣的時(shí)間精度高達(dá)1 μs[2]，為了保證動(dòng)作執(zhí)行的時(shí)間準(zhǔn)確性，NTRIG信號(hào)同時(shí)接入STIM里的多個(gè)傳感器或者執(zhí)行器件。如圖2所示，一個(gè)智能傳感器接口模塊里有多個(gè)傳感器通道，每個(gè)通道采集一路信號(hào)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用適配器把一個(gè)傳感器或者執(zhí)行器通道打開時(shí)，AT89S53使能對應(yīng)的傳感器或者執(zhí)行器的使能信號(hào)，這個(gè)使能信號(hào)和NTRIG信號(hào)相“與”后的輸出使能相應(yīng)的傳感器或者執(zhí)行器。這樣NTRIG信號(hào)就可以準(zhǔn)確地觸發(fā)正確的通道動(dòng)作。
圖2 傳感器觸發(fā)電路圖
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(dú)立接口電路的設(shè)計(jì)要考慮熱插拔過程帶來的瞬時(shí)電流的影響。當(dāng)智能傳感器接口模塊插入網(wǎng)絡(luò)適配器時(shí)，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(dāng)智能傳感器接口模塊接觸網(wǎng)絡(luò)適配器時(shí)，由于給智能傳感器接口模塊上的電容充電會(huì)產(chǎn)生很大的瞬時(shí)電流。同樣，帶電的智能傳感器接口模塊從網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用適配器上拔出時(shí)，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(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生大的瞬時(shí)電流[3]。嚴(yán)重情況下，熱插拔過程中較大的瞬時(shí)電流會(huì)使電源電壓出現(xiàn)瞬時(shí)跌落，導(dǎo)致系統(tǒng)復(fù)位，甚至導(dǎo)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(yùn)行，必須抑制過大的瞬時(shí)電流。為此在接口電路的設(shè)計(jì)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(dá)0.06 Ω的導(dǎo)通電阻，最高限幅電流可達(dá)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(dāng)輸出電流低于最大允許電流值IMAX時(shí)，UCC3918工作在低阻抗導(dǎo)通狀態(tài)。當(dāng)輸出電流大于最大允許電流或者故障電流門限值時(shí)，保持電路導(dǎo)通；同時(shí)，故障計(jì)時(shí)器向電容CT充電，一旦電容CT電壓達(dá)到預(yù)設(shè)門限值，將關(guān)斷電流輸出30倍充電時(shí)間。輸出電流降到最大允許電流值以下時(shí)，UCC3918從開關(guān)狀態(tài)回到低電阻導(dǎo)通狀態(tài)。UCC3918還提供了快速過流保護(hù)，當(dāng)電流急速越過故障電流門限值時(shí)，快速過流保護(hù)會(huì)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(hù)。
UCC3918的應(yīng)用設(shè)計(jì)方案如圖3所示，通過合理地選擇2個(gè)電阻和2個(gè)電容的值，就可以達(dá)到有效抑制瞬時(shí)電流的目的。
圖3 基于UCC3918的熱插拔控制電路圖
其中，RIFAULT參考式(1)設(shè)置：
式中，ITRIP為故障電流門限值。RIMAX參考式⑵設(shè)置：R
式中，IMAX為最大負(fù)載電流。TII設(shè)置電流門限值時(shí)，IMAX設(shè)為智能傳感器接口模塊正常負(fù)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(fù)載電流的4倍，CT取一倍負(fù)載電容。
為了驗(yàn)證上述設(shè)計(jì)的有效性，對TII接口做了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果如表2所列。一組實(shí)驗(yàn)條件是沒有熱插拔控制電路，另一組實(shí)驗(yàn)條件是使用了UCC3918熱插拔控制器。作為負(fù)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(shí)電流為2.0 A，約為正常工作電流的3倍。如果不設(shè)計(jì)熱插拔控制電路，瞬時(shí)電流將近是正常電流的5倍。這可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)電源瞬時(shí)電壓跌落或損壞器件。
表2 最大瞬時(shí)電流對照表
圖4是熱插拔的電流波形對比圖。上面是啟動(dòng)熱插拔控制電路的電流波形，下面是未啟動(dòng)熱插拔控制電路的電流波形。
圖4 熱插拔電流波形對比圖
結(jié)語
本文介紹了基于IEEE 1451.2協(xié)議的智能傳感器獨(dú)立接口部分的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了熱插拔控制功能的有效性，所設(shè)計(jì)的接口已經(jīng)應(yīng)用于電力系統(tǒng)傳感器網(wǎng)絡(luò)中。