基于IEEE1451.4的智能水聽器設計＊

周 斌 唐勁松 張學波

（海軍工程大學電子工程學院 武漢 430033）

1 引言

在傳統的數據采集系統中，模擬傳感器只提供將物理量轉換成電信號的模擬接口，為了能正確地轉換和解釋傳感器數據，必須手工輸入傳感器的配置和校正參數等信息，要花費很大的工作量且容易出錯，而配置TEDS的傳感器可以簡化這些工作。TEDS技術是IEEE1451協議的核心技術。IEEE1451.4創建了一個通用的方法，在原來模擬傳感器中加入可存放TEDS的存儲器，并增加串行數字接口，把模擬接口和數字接口結合在一起，成為混合接口，利用嵌入式的TEDS可對模擬傳感器進行標識，并可與原來的模擬儀器和接口兼容，把“即插即用”的概念延伸到模擬傳感器上。

因此，本文結合IEEE 1451.4標準與1-wire技術，提出一種使水聽器智能化，進而提高系統的測量速度、效率和可靠性的解決方案。

2 IEEE 1451標準和TEDS實現

IEEE1451標準目的是開發一種軟硬件的連接方案，將智能變送器連接到網絡或者用以支持現有的各種網絡技術，包括各種現場總線及Internet／Intranet。IEEE 1451標準目前由八個子標準組成，即1451.0～1451.7。IEEE標準可以分成面向軟件的接口和面向硬件的接口兩大部分。1451.1標準主要致力于軟件接口功能。IEEE 1451標準面向硬件的接口包含幾個分支即1451.2～1451.7。1451.2標準主要針對點對點的情形。1451.3標準主要用于點對多點分布式智能傳感器系統的同步數據采集與通信。IEEE 1451.5標準主要致力于定義一套無線網絡傳感器接口特征。1451.6標準目標是針對本質安全系統和非本質安全系統應用創建一個以CANopen網絡為基礎的傳感器接口。1451.7標準為變送器與RFID系統通信協議和TEDS格式。1451.0標準主要是開發一系列與物理傳輸媒介無關的IEEE 1451傳感器通用函數，使這些標準能夠通用。

IEEE1451.4標準，即混合模式通信協議與TEDS格式。主要致力于基于已存在的模擬量變送器連接方法提出一個混合模式智能變送器通信協議，它同時也為具有智能特點的模擬量變送器接口到合法的系統指定了TEDS格式。它定義了一個混合（MMI，Mixed-Mode Interface）接口為模擬傳感器升級為數字智能傳感器提供了一種簡便的方法，其結構示意圖如圖1所示。

圖1 IEEE 1451.4TEDS數字系統結構示意圖

在IEEE1451.4標準中，定義了一系列的模板，包括標準模板（ID＝25－39）和校正模板（ID＝40－42），并允許用戶自定義模板。模板的意義在于當制造商按模板所定義的方式去存儲數據時用戶可以在任何地方按模板將其解析出來。圖1中的T-Block就是解析模塊，模板信息存于其中以用來解析TEDS內容。

圖2 TEDS水聽器結構圖

1451.4混合接口分1類和2類，1類是針對有源器件的，通過兩個二極管的通斷來控制模擬路通還是數字路通，2類是在不改變模擬通路的基礎單獨增加數字通路。本文采用2類接口，設計的智能水聽器如圖2所示。

IEEE1451.4定義的TEDS將被存貯于Dallas-maxim公司生產的1-wire存儲器中。1-wire總線是一種簡單的信號交換架構，通過一條線路在主機與外圍器件之間進行雙向通信。

本文選用1-wire器件DS2433做TEDS存儲器，DS2433是一款4K位的1-wire EEPROM，用于識別和存儲與產品相關的信息。DS2433帶有一個由工廠刻度的注冊碼，全球唯一，包括：8位家族代碼，48位唯一序列號，8位CRC校驗碼，還帶有4096位用戶可編程的EEPROM。存儲器分為16頁，每頁256位。256位暫存器，具有嚴格的讀／寫協議，保證數據傳輸的完整性。可直接連接至微處理器的單個端口，通信速率高達16.3Kbps。過驅動模式提升通信速率至142kbps。允許在2.8～6V的寬帶有范圍內進行讀寫操作。

表1 基本TEDS內容

TEDS是IEEE1451.4標準的核心，它分為以下幾個關鍵部分：第一部分即基本TEDS，如表1所示，包含了必要的傳感器識別信息，包括制造商ID、型號、版本字號、版本號、設備序列號；第二部分，IEEE標準TEDS，包含傳感器專用的“數據表”信息，一般是正確配置電氣接口并將測量數據轉換為工程單位所需要的數據；最后一部分，用來存放傳感器中自定義數據和信息。

3 TEDS讀寫電路和軟件設計

3.1 USB適配器的設計

由于目前采用的各種1-wire器件不能與上位PC機直接通信，有必要設計一種接口轉換器，這樣PC機就具備了對各種1-wire器件統一控制功能，而利用USB接口控制1-wire器件為首選。

1-wire轉USB接口適配器核心部件采用專用集成電路DS2490，該芯片是USB和1-wire總線之間進行橋接通信的專用芯片，它提供1-wire總線所需的時鐘、驅動、協議等，可產生嚴格定時和受電壓擺率控制的1-wire波形，并且可滿足USB接口通信協議的要求，保證USB口與1-wire器件正常、安全地通信；同時它具有外圍元件少，通信可靠性高、速度快，支持USB總線主機被1-wire遠程喚醒的優點。USB接口適配器電路的電路圖見圖3。

圖3 USB接口適配電路圖

該適配器有兩個接口，一個USB接口和一個標準RJ11接口。DS2490有三個電源引腳：VPP，VB，VD。VB為3.3V，是完成USB功能的工作電源，由電壓穩壓器集成電路MAX8881提供；VD為5V，用于完成1-wire功能，由USB總線提供；VPP是為1-wire總線上的可編程設備提供電源，比電源VB電壓高。晶體振蕩器可產生12Mb／s的USB總線速率，保證DS2490穩定工作，電容器的接入是為了使晶體振蕩器更容易起振。圖中電感L1和L2為抗干擾濾波電感，R2，R3為USB數據線保護電阻，肖特基二極管D1可消除來自于ESD采樣數的尖峰信號進而防止1-wire總線過電壓，R1是上拉電阻，使D＋上拉到VB，表示USB主機是高速設備，同時這個上拉告訴主機有USB設備插入。集成電路DS9503P具有特定的靜電放電1-wire總線保護功能，它由一個快速響應穩壓二極管和2個低值電阻組成，通常這二個電阻不影響1-wire總線通信，但當穩壓管導通時，相對電阻很大，這導致驅散靜電放電，防止其進入接口。該轉換器在USB工作模式下的電流消耗為58mA，在空閑模式時的消耗電流為0.5mA。

3.2 TEDS讀寫軟件

軟件設計主要包括計算機端USB接口驅動程序設計和DS2490橋接模塊與讀取DS2433模塊的固件設計。Dallas公司提供了一款OneWireViewer可作為1-wire器件的軟件開發平臺。OneWire-Viewer支持不同的硬件和軟件平臺，與1-wire器件的通信遵循1-wire協議，通過單根數據線和地線即可完成。

將OneWireViewer安裝好后，打開可見其操作界面如圖4所示。

操作界面分四部分，分別是頂部菜單部分，左邊器件列表部分，中間器件描述部分，右下讀寫操作部分。點擊右下進入文件編輯界面，如圖5所示。

圖4 OneWireViewer操作界面

圖5 OneWireViewer讀寫界面

在圖5所示的界面中點擊創建文件，按aaaa.nnn的格式命名文件，雙擊打開，可以從打開的頁面中直接寫入數據，或者點擊文件下拉菜單打開一個已存在的文件，此文件格式不限，將其寫入到1-wire器件中去。

4 建立校正模型

不考慮標定中的系統誤差，測量數據的誤差主要為隨機誤差。傳感器的數據校正實際上是利用精確的標定數據建立數學模型，以求得精確的測量值的過程。校正引擎需要具體的校正方法來實現。常用的校正方法有3種：查表法、分段多項式插值法、最小二乘數據擬合法。

圖6 標準水聽器的校正曲線

基于標準水聽器校正參數的特點，本文選擇查表法。查表法是通過計算或實驗得到檢測值和被測值之間的關系，然后按一定的規律把數據排成表格，存入標定TEDS中。校正引擎根據檢測值的大小查表。查表技術一般適用于參數計算復雜，采用計算法編程較繁瑣并且需要較長計算時間的情況；對于檢測值是有限的幾個值的情況，該方法也是適合的。查表方法常用順序查找法和對分查找法。查表技術是工程中常用的非數值運算方法，該方法運算簡單、執行速度快、誤差小。實際傳感器數據校正中還可將其與分段多項式插值法、最小二乘數據擬合法結合使用，以減少存儲的數據量和提高校正精度。

生產商提供的標準水聽器的校正曲線如圖6所示，此數據是在振幅39.99Vrms，脈寬1.00ms，重復間隔50.0ms，水深2.00m，距離0.50m，溫度20.9°C條件下測得的。

本設計采用TEDS自定義模板，在標準水聽器中取出標定參數存入TEDS中，自定義TEDS標定參數如表2所示。

表2 自定義TEDS校正參數表

5 結語

本文詳細介紹了IEEE1451.4標準，就TEDS技術應用于水聽器進行了有效的研究，對水聽器的結構和特點進行分析，依據IEEE1451.4標準提出了可行的智能水聽器實現方案。詳細介紹了TEDS技術的主要內容，水聽器改造電路設計，建立了水聽器校正模型，并設計了1－wire轉USB接口適配器和相關讀寫軟件。應用TEDS技術實現對大量的傳感器參數進行電子化存儲，簡單方便地實現了即插即用和自校正功能，提高了系統的可靠性和工作效率，并有利于系統的二次開發。

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