智能传感器接口模块的设计与实现_童利标

智能传感器接口模块的设计与实现X童利标1　徐科军1,2　梅　涛2　1(合肥工业大学自动化研究所　合肥　230009)2(中科院合肥智能机械研究所　合肥　230001)摘要　IEEE1451.2标准为网络化智能传感器描述了传感器与网络适配器(N CA P)或微处理器之间的硬件和软件接口。

智能传感器接口模块(ST IM)包括传感器接口电路,信号调理和转换,标定,线性化,基本通信能力和电子数据表格。

本文简介IEEE1451.2标准,主要阐述了智能传感器接口模块的硬件实现和软件设计方案。

关键词　网络化智能传感器　IEEE1451.2标准　智能传感器接口模块Design and Implementation of Smart Transducer Interface ModuleTong Libiao1　Xu Kejun1,2　M ei Tao1　1(H ef ei U niver sity of T echnology,H ef ei　230009)2(I nstitute of I ntelligent M achines,Chinese A cad emy Sciences,H ef ei　230001)Abstract　T he IEEE1451.2standard describes a hardw are and softw ar e interface betw een transducers and net-w ork capable application pr ocessor(NACP)or microprocessor s for the netw orked sm art sensor.T he smart transducer interface module(ST IM)contains the sensor interface electro nics,signal conditioning and conv er sion, calibratio n,linearizatio n,basic communicatio n capability,and an electronic data sheet.T his paper intr oduces the IEEE1451.2standard and the methods of the ST IM hardw are im plementation and softw are design are dis-cussed.Key words　Netw or ked sm art sensor　IEEE1451.2standard　Sm art transducer interface mo dule1　引 言随着计算机网络的发展,传感器的研制者们往往要为在不同的网络和传感器之间建立通讯而投入大量的工作。

为此,IEEE1451.2工作组建立了智能传感器接口模块(ST IM)标准。

这一标准描述了传感器与网络适配器(NCAP)或微处理器之间的硬件和软件接口,是IEEE1451网络化智能传感器标准的重要组成部分,为人们将传感器与各种网络连接提供了条件和方便。

本文简介了IEEE1451.2标准的有关内容,主要阐述了智能传感器接口模块的硬件实现和软件设计。

2　IEEE1451.2标准[1～3]IEEE1451.2标准提供了将传感器和变送器连接到一个数字系统,尤其是到网络的方式。

简单地说,IEEE1451.2标准通过一个电子数据表格(T rans-ducer Electr onic Data Sheet,简称TEDS),使传感器模块具有即插即用(plug-and-play)的兼容性。

这个标准规定了一个连接传感器到微处理器的数字接口,描述了电子数据表格及其数据格式,定义了一系列的读写逻辑功能。

图1描述了涉及IEEE1451.2智能传感器接口模块标准的功能框架。

在图1中,XDCR为Tr ansducer的缩写,代表了第22卷第4期增刊 仪　器　仪　表　学　报 2001年8月X中科院重点项目。

图1　IEEE1451.2智能传感器接口模块标准的功能框图一个传感器或变送器。

ST IM为Sm ar t Transducer In-terface M odule的缩写。

一个STIM可拥有多达255个通道的传感器或变送器。

一个传感器通道称为“smart”是因为:(1)传感器用机器可读的电子数据表格(T EDS)来描述;(2)控制及与传感器通道相关的数据都是数字量的。

一个STIM包括一个TEDS、传感器接口的地址逻辑、传感器信号转换或信号调理。

TEDS是一个用电子格式写的数据表,它描述了STIM和传感器相关的参数,比如,传感器生产商的名称、传感器的类型和序列号等等。

通过定义,T EDS必须与ST IM始终在一起。

电子数据表格TEDS是1451.2最重要的技术革新之一,它并不是一个新的概念,不少公司很多年以前就把存在内存中的数据嵌入到他们的产品中,这里的创新之处在于1451.2T EDS 背后的一个一般的传感器模型,它可以支持很多种类的传感器与执行器。

1451.2标准共规定了8种不同的数据表格。

具体的描述详见文献[1]。

T II[4,5]为T rans-ducer Independent Interface的缩写,可译为传感器或变送器独立的(数字)接口。

TII是一个10线的串口输入/输出总线,具有如下功能:(1)触发功能,触发来回传感器的读/写;(2)位传递方法;(3)写字节的数据传输协议(NCAP到STIM);(4)读字节的数据传输协议(STIM到NCAP);(5)数据传输结构。

T II是NCA P 与STIM之间的硬件接口,它是通过10按照SPI标准串行通讯方式的引脚连接在一起。

NCAP[6]是介于STIM和数字网络之间的微处理器模块,具有了局部智能化。

ST IM借助于T II连接到NCAP,它与网络的通信是透明的。

ST IM工作时通过一个NCAP连接到通信网络。

NCAP可对来自ST IM的传感器的原始数据进行校正,还包括针对特定应用的数据处理和控制功能。

3　硬件实现[7]AD公司的微转换器芯片ADuc812可用作典型的STIM。

ADuc812内有一个8051兼容的微处理器, 8K字节的程序存储器flash/EE,640字节的数据存储器flash/EE,256字节的RAM,多达32根可编程的输入/输出线,一个SPI串行输入/输出口,两个DAC和一个8通道12位的ADC。

ADuc812微转换器被设计为支持IEEE1451.2标准。

640字节的数据存储器是可重复写的TEDS存储的理想之所。

芯片内集成的ADC和DAC便于STIM的实现。

SPI口实际上提供了DCLK,DIN,DOUT和NIOE控制信号线为TII必需的线,TII剩下的线由除电源线之外的数字输入/输出线提供。

4　软件设计[2,3,8]4.1　STIM的软件结构软件模型的结构化来自于IEEE1451.2标准的结构。

STIM必须包含一个T EDS、控制与状态寄存器、传感器通道、中断标志、地址和函数编译逻辑、数据传输与处理函数,触发和触发承认函数(从数字接口到TII)、一个TII驱动和一个传感器接口。

图2是1451.2的STIM实现程序控制流程。

4.2　STIM的软件模块IEEE1451.2ST IM的软件分成了五个主要部分: (1)STIM控制与通道数据模块;(2)ST IM传感器接口模块;(3)传感器独立接口T II模块;(4)电子数据表格TEDS模块;(5)地址与函数模块。

其中(1)和(2)两个STIM模块合并成一个软件模块。

以下是软件模块实现1451标准的详细描述。

(1)ST IM模块及ST IM传感器接口模块STIM模块包含了与ST IM相关的传感器每个通道的定义、与每个通道相关的数据的定义以及主控程序流程图。

这个模块还包含了与T II模块必要的硬件连接的定义(比如说,传感器和执行器的物理连接线)。

在代码的定制过程中,特定的硬件将被重新定义。

软件提供了一个函数来设置和初始化每个通道。

每个通道的这个函数将要求能被读写或就某个存在的函数进行设置。

尽管可以直接地增加或设置这个存在的函数,但每个传感器通道数据读或写的方法也需要考虑。

最后,传感器通道的类型决定了每个通道如何对一个触发的反应。

(2)TII模块TII模块定义了在NCAP这边的物理接口。

它是Aduc812片上的SPI口的超集。

T II模块与物理层相互作用,故这个模块是硬件级的,它与硬件的连接紧密相关。

另一方面,通过来自API(如最终用户)的T II函数,硬件的连接是透明的。

如果最终用户需要重新定义一些使用的T II口管脚,这个模块也仅需要相应的变化。

如果用户很愿意接受原来的定义,则没有必要进行任何的变化。

(3)TEDS模块TEDS模块定义了IEEE1451.2当前实现所使用的T EDS。

这定义了这些T EDS对应到哪里,它们是怎183　第4期增刊智能传感器接口模块的设计与实现样进行读写的,怎样恢复的以及它们包含了什么。

一般地,所有的IEEE 1451.2实现都有一个与STIM 相关的不同的TEDS 系列。

在用户定制代码的过程中,每个T EDS 模块都需要有相应的变化。

尤其值得指出的是,一个函数和一个新的TEDS 起始地址(在对应的存储器内)必须加到每个对应的T EDS 中。

(4)地址和函数模块IEEE 1451.2标准定义的这个地址和函数模块实现了所有的主要功能。

这些功能由数据传输、控制、中断、状态和触发等函数来实现。

这个模块对用户来说是透明的,而且在最终用户的代码定制过程中将不需要任何主要的变化。

图2　1451.2的ST IM 实现程序控制流程图5　结束语本文概述了IEEE 1451.2标准,介绍了可作为STIM 的ADuc812芯片,并给出了智能传感器接口模块的软硬件设计方案。

毫无疑问,IEEE1451所定义的网络化智能传感器代表了一种发展方向,必将在控制系统、数据采集系统、便携式仪器系统等中得到越来越广泛的应用。

参考文献1　Institute of Electrical and Electro nics Eng ineer s ,Inc ..IEEE1451.2-1997IEEE Standar d for a Smart T r ansducer Inter face fo r Senso rs a nd A ctuato rs ——T r ansducer to M i-cr opr ocessor Co mmunicatio n P ro to co ls and T r ansducerElectr onic D ata Sheets (T EDS )Fo r mats ,Piscataw ay ,N ew Jerse08855,Septem ber 26,1997.2　P aul Conw ay,Donal Heffer nan,et al..I EEE 1451.2:A n In-ter pretat ion and Ex ample Implementat ion ,http ://w w w .ul .ie ,2000.09.17/2000.03.01.3　P aul Conw ay ,Do nal Heffernan.CA N and t he N ew IEEE1451Smar t T r ansducer Inter face St andar d,.http://w w w.ul .ie ,2000.09.17/2000.03.01.4　Stan Wo ods,IEEE —P1451T r ansducer to M icro pr o cessorInter face,Pr oceedings o f Senso rs Confer ence A naheim,9～14,A pril,1996,Helm ers Publishing.5　Stan Wo ods et al ..IEEE —P 1451.2Sm art T r ansducer In-ter faceM o dule,Pr oceeding so fSensor sConferenceP hila delphia,25～38,O ct,1996,Helmer s Publishing.6　Institute of Electrical and Electro nics Eng ineer s,Inc..IEEE Std 1451.1—1999,St andar d for a Smar t T r ansducer Inter face fo r Senso r s and A ctuator s-N etw or k Capable A p-plication P ro cessor (N CA P )Infor matio n M odel.Piscat -awa y ,N ew Jersey 08855,September 1999.7　A DuC 812带有嵌入式闪速M CU 的多通道12位A D 转换器数据手册.武汉力源电子股份有限公司.1999.8　A nalog Devices Inc.T he A duC812M icr o Conver ter a s anIEEE 1451.2Com patible Sm art T r ansducer I nt erface ,.http ://w ww .ana lo g .co m /industry /micro co nver ter ,2000.10.05/2000.01.13.184仪　器　仪　表　学　报 第22卷　。