引 言
    在現(xiàn)實(shí)生活中，對(duì)一個(gè)大型的被測(cè)對(duì)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(gè)龐大的測(cè)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(cè)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(gè)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(duì)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(duì)象，在對(duì)該標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行簡(jiǎn)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(gè)連接傳感器到微處理器的數(shù)字接口，并對(duì)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(gè)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(duì)信號(hào)調(diào)理和信號(hào)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(jìng)爭(zhēng)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(chǔ)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(duì)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(duì)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(duì)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(hào)和序列號(hào)等必要的識(shí)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(cè)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(chǔ)器芯片存儲(chǔ)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(duì)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(hào)經(jīng)過調(diào)理電路后最終的輸出信號(hào)均可以轉(zhuǎn)變成電壓或電流信號(hào)，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(cè)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(gè)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(gè)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(duì)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(gè)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(shí)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(shí)別和讀／寫結(jié)構(gòu)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(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(chǔ)方式，用于對(duì)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(cè)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(duì)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(cè)試、測(cè)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(dòng)。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(cè)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(tái)上編寫智能變送器電子數(shù)據(jù)表格的配置界面。整個(gè)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(duì)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(gè)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。