2020年12月24日 | 基于MSP430F149单片机和总线技术实现智能变送器的设计

引言

在现实生活中，对一个大型的被测对象进行各种状态的监控，往往需要使用许多传感器来构建一个庞大的测控系统。例如，用户在飞机的不同位置安装不同的传感器用于实时监视飞机的各种运行状态，从而确保飞机能够安全运行。若构建这样的测控系统，从设计者的角度来讲，由于使用的传感器种类多、数量大，而不同种类的传感器需要提供相应的总线进行数据传输，这就不可能使用单一的数据总线来构成整个系统，必然花费大量的设计时间和费用。另外，从保障维护的角度来讲，由于采用多种总线技术，使得传感器针对不同总线在兼容性和互换性等方面也存在着很多问题。

IEEE 1451．1实现模型如图1所示。

IEEEl451标准的主要思想是，使传感器能够独立于各种不同的总线网络，在实现方式上使用一种通用的传感器接口标准，用于解决传感器与各种网络相互不兼容的问题。本文以IEEEl451标准族中的IEEEl451．2为主要研究对象，在对该标准进行简单介绍后，重点阐述基于该标准设计智能变送器模块的总体过程，为解决上述问题提供一种有效的解决方案。

1 lEEEl451．2标准介绍

从IEEEl451．2标准开始，传感器被划分为变送器模块和网络适配器模块两部分，两模块在接口形式上为IEEEl451．1实现模型（见图1）提供了具体的研究示例。IEEEl451．2标准规定了一个连接传感器到微处理器的数字接口，并对变送器电子数据表格 TEDS（TransducerElectronic Datasheet）及其数据格式进行了详细描述；通过提供一个连接智能变送器模块和网络适配器模块的10线标准接口TII，实现传感器在多种网络中的 “即插即用”，从而体现出其“独立”和“兼容”的特点。值得注意的是，该标准并没有对信号调理和信号转换部分进行规定，这样使得传感器制造商可以继续使用自己原本的生产技术，保持各自在该行业中的竞争力。图2为IEEEl451．2智能变送器模块的功能框图。

2 智能变送器模块的硬件设计

TI公司生产的16位单片机MSP430F149作为智能变送器（STIM）的微控制器，外围电路主要包括A／D接口、TII接口、RS一 232串行通信接口以及基于I2C总线协议的EEPROM存储器。图3为硬件设计的基本框架。图中传感器模块独立于STIM模块，二者通过A／D接口相连接。虚线部分为网络适配器模块，这里不对网络适配器模块的相关内容进行介绍。

2．1 TII接口的设计

TII接口 （Transducer Independent Interface）用于连接NCAP与STIM，是一种点对点、短距离时钟同步的标准接口。该接口主要基于SPI（Setial Peripheral Interface）协议，并在该协议的基础上通过扩展功能实现10线智能变送器独立接口。本设计根据IEEEl451．2标准中对TII接口的定义，利用MSP430F149中的同步串行接口与外围I／O中断接口来设计实现这一过程，其引脚分配与功能定义如表1所列。

2．2 变送器电子数据表格（TEDS）的设计

TEDS作为IEEEl451标准族中不可缺少的重要部分，是使传感器具有一定的“自觉”能力，实现传感器“即插即用”功能的关键。在 IEEEl451．2标准中，TEDS按照信息功能被划分为基本TEDS、IEEE标准TEDS和自定义TEDS三部分。其中，基本TEDS主要包含传感器的制造商、型号和序列号等必要的识别信息；IEEE标准TEDS主要描述了传感器特有的“数据表”信息，如测量范围、电气输出范围、灵敏度、功率要求以及校准数据等；自定义TEDS可以存放如传感器位置信息、附加维修信息或其他驻留在传感器内的自定义信息，具体定义如表2所列。本设计采用Atmel公司生产的基于I2C协议的24C02B串行EEPROM存储器芯片存储TEDS，并利用MSP430F149单片机的P3．2和P3．3引脚模拟I2C协议，实现对TEDS的读写功能。

2．3 A／D接口和串口通信模块的设计

在图3中，智能变送器模块与传感器模块之间是相互独立的，这主要是考虑到传感器需要专用的调理电路，而传感器信号经过调理电路后最终的输出信号均可以转变成电压或电流信号，因此，这里采用这种设计方式，便于使用时连接不同传感器实现不同的测量功能。在硬件上，利用MSP430F149内部集成的12位A／D转换器扩展出一个8通道数据采集接口，实现IEEEl451．2标准智能变送器模块中ADC的功能，不需要外加任何ADC转换电路。同时，本文在STIM模块中利用Maxim公司生产的MAX3232芯片与 MSP430f149单片机P3．4和P3．5引脚相连扩展出一个RS一232串行通信接口，实现智能变送器模块与电脑的通信，从而可以使用户通过电脑对智能变送器模块内部电子数据表格进行配置的功能。

3 系统的软件设计

智能变送器模块的软件设计在整个模块设计工作中占重要地位。需要通过编写软件实现智能变送器的“即插即用”、数据采集和数据传输等功能；同时，利用美国国家仪器公司（NI公司）的LabVIEW软件编写了电子数据表格的编辑软件，使智能变送器模块可由RS一232与计算机连接，并利用串口单独配置智能变送器的电子数据表格（TEDS）。

3．1 智能变送器模块的软件设计

在智能变送器模块的软件设计中，最主要的工作是STIM模块的自识别讨稗和与NCAP之间的基本通信过程。图4和图5分别给出了STIM模块自识别和读／写结构流程。具体而言，整个软件被分为如下5大模块：

①STIM模块，为STIM的主程序部分，主要用于实现各接口初始化和系统复位；

②TII模块，描述了STIM的物理接口，用于数据传输、触发、中断和控制等功能；

③TEDS模块，定义了TEDS的数据格式和存储方式，用于对TEDS内容的读取和保存；

④A／D模块，用于A／D接口外接传感器后进行测量数据的采集；

⑤RS一232模块，用于与计算机之间通信，实现对STIM中TEDS的编辑。

3．2 电子数据表格配置界面的设计

LabVIEW 是NI公司推出的一种工业标准图形化编程工具，主要用于开发测试、测量与控制系统。它使用图形化的编程语言——G语言，采用图形模式的结构框图构建程序代码，其程序按照数据流进行驱动。该软件提供了大量实用的控件，可以大大提高设计和测试时的工作效率。

采用LabVIEW软件作为界面开发工具，在电脑平台上编写智能变送器电子数据表格的配置界面。整个界面分为前面板设计和程序框图设计，分别如图6和图7 所示。前面板主要利用控制控件、显示控件和修饰控件对界面进行设计，程序框图设计则是利用串口通信控件、字符串控件以及程序结构将整个程序按照数据流的方式连接起来。该配置界面最终要实现的主要功能包括：下达命令功能键，串口通信参数设置以及电子数据表格的编辑、读取、写入和保存。

4 小结

通过实验验证，设计的STIM模块能够“即插即用”，并与NCAP之间按照规定的时序进行通信，同时，利用TEDS编辑界面能够由用户根据连接的传感器自行进行TEDS内容修改。本设计为IEEEl451标准的网络化智能传感器的开发提供了一种良好的解决方案。