IEEE 1451.4混合模式接口(MMI)智能变送器数字驱动电路 - 全文

　　引言

　　最初并没有适用于混合模式变送器和网络应用处理器(NCAP)的数字通信接口标准。每家变送器制造商都定义有自己的接口。所以，一家变送器厂商的产品不可能支持所有控制网络。为解决这一问题，IEEE仪器和测量协会的传感器技术委员会发起一项倡议，为传感器、执行器、混合模式通信协议和传感器电子数据表(TEDS)格式创建智能变送器接口标准。这项倡议促成了IEEE 1451.4-2004，已被纳入美国国家标准(ANSI)。

　　该标准的主要目标包括：

　　实现传感器的即插即用，通过公共传感器通信接口实现。

　　支持并简化智能变送器的创建。

　　简化测量仪器系统的设置和维护。

　　以最少的存储器容量实现智能变送器的部署。

　　标准阐述了以下内容：

　　变送器，包括混合模式接口(MMI)和变送器电子数据表(TEDS)。

　　MMI，用于存取TEDS。

　　TEDS，驻留于变送器内部的存储芯片。

　　说明TEDS数据结构的模板。

　　模板描述语言(TDL)。

　　称为变送器模块的软件对象，通过TDL访问TEDS，并对其进行解码和编码。

　　满足IEEE 1451.4标准的变送器可通过TEDS提供自身说明。本应用笔记讨论了用于访问TEDS的NCAP (数据采集系统)数字驱动器电路。

　　IEEE 1451.4混合模式接口(MMI)

　　IEEE 1451.4 MMI用于连接变送器和NCAP或数据采集系统(DAS)之间的模拟信号和TEDS。IEEE 1451.4标准定义了两类MMI。Class 1中，TEDS与模拟功能共用一根线，采用负压通信。Class 2提供TEDS独立线对通信，采用正压通信。因此，按照用笔记4206：“为嵌入式应用选择合适的1-Wire®主机”一文的说明，Class 2与Maxim的1-Wire驱动器(主控)相吻合。由于Class 1采用负压通信，需要更加复杂的驱动电路。

　　在Class 1中，有三种MMI版本，分别采用2线、3线或4线与变送器或TEDS通信。这些接口的共性是模拟和数字功能共用一条线。共用连线可以是信号线、电源线或返回通道。

　　图1所示为典型的2线恒流供电传感器，共用信号线。通过反转信号线的极性，二极管允许顺序访问放大器或TEDS存储器。当控制开关处于“analog”位置时，DAS的正电流源通过信号线和上方的二极管为放大器供电。变送器输出在信号线上表现为模拟电压。当控制开关处于“digital”位置时，存储器件由负逻辑电源通过下方的二极管供电。电路中给出了在TEDS存储器芯片端子之间的下拉电阻(Rt)。该电阻用于释放存储器电路和引线电容的电荷，确保逻辑0电平满足时隙要求。

　　图1. IEEE 1451.4 Class 1 MMI，共用信号线。

　　图2所示为3线电压供电传感器的方框图，共用电源线。信号线专用于将变送器的模拟输出电压传送到DAS。通过反转电源线极性，二极管允许顺序访问放大器或TEDS存储器。当控制开关处于“analog”位置时，DAS电源的正电源通过上方的二极管为放大器供电。当控制开关处于“digital”位置时，存储器器件由负逻辑电源通过下方的二极管供电。

　　图2. IEEE 1451.4 Class 1 MMI，共用电源线。

　　图3增加了另一条线，构成4线电压供电传感器，共用返回线(通常为接地通路)或屏蔽线。传感器和TEDS存储器具有独立的电源，可同时工作。依然需要选择模拟和数字模式的开关，以便在使用传感器时禁用数字功能。这有助于降低共用回路压降引起的模拟信号和数字TEDS数据之间的相互干扰噪声。这种配置下并不需要二极管和Rt。电阻可以省略，二极管可用短路线代替。

　　图3. IEEE 1451.4 Class 1 MMI，共用返回线。

　　TEDS存储器

　　DS2430A 256位1-Wire EEPROM是典型的TEDS存储芯片。由于该芯片没有VCC引脚(即采用寄生供电)，只需要两个引脚：IO和GND。IEEE标准第8.1.2章的方框图未提及这些引脚名称，而是用“+”表示IO，“-”表示GND。图4所示为IEEE 1451.4兼容传感器的数字部分，采用实际型号和引脚名称。标准(第8.5章，家族码)未对TEDS存储器规定专用的家族码。因此，允许使用DS2430A之外的2引脚1-Wire存储器芯片。通用二极管1N4148可用肖特基二极管代替，其正向偏压大约为0.3V。Rt电阻值不是特别关键，电路采用100kΩ测试。

　　图4. Class 1传感器，TEDS工作原理。

　　构建Class 1 MMI数字驱动器电路

　　1-Wire器件工作信号电平在空闲状态为3V至5V (上拉电压)，有效状态为0V。该电压是IO端(正端)与GND端(负端)之间的电压。Class 1 MMI将IO引脚连接至0V，并调制存储器芯片GND引脚的负压(图5)。与标称1-Wire信号电平相比，MMI信号反相，向负向平移5V。

　　图5. 标称1-Wire与Class 1 MMI信号电平

　　存储器芯片不能辨别、也不关心其端子电压如何产生。应答时，只是在其端口按规定的时间作用一个短路信号。“常规状况”下，这种短路信号在IO口观测到只是一个接近0V的电压。对于Class 1 MMI，短路造成数字通信线上的电压从-5V (空闲)升高至二极管压降-VF (-0.7V)。

　　MMI驱动器说明

　　图6所示为MMI驱动器电路。电路由正向通路(顶部，主控至传感器，写)和返回通路(底部，传感器至主控，读)组成。IEEE 1451.4兼容传感器通过模拟/数字开关连接至TP4。返回通路连接至驱动器的0V (GND)。TP2和TP6处的信号电平对应于标称1-Wire电平(空闲状态为5V，有效信号电平为0V)。V+对应于微控制器的工作电压，范围为3V至5V。TP2连接至微控制器的开漏输出(写)，TP6连接至一个输入端口。

　　图6. 带有传感器的Class 1 MMI数字驱动器

　　连接双向1-Wire主控器件

　　连接双向主控器件需要图7所示附加电路。由于电平转换部分的上升和下降沿传输延时不同，当工作电压太高时，采用双向1-Wire主控器件的MMI驱动器可能不稳定。考虑到这一原因，正电源需要限制在大约3.3V。因此，双向主控器件必须为3V供电器件，例如DS2482。使用5V双向主控器件(例如DS2480B)，会导致模拟开关的COM和NO电压超过V+电平，不符合所要求的工作条件。

　　图7. 双向1-Wire主控器件接口的附加电路

　　验证

　　图6所示电路采用图7所示附加电路进行测试。1-Wire主控器件为DS9097U-S09，它基于DS2480B驱动器芯片。为确保稳定，正电压(V+)设置为3.4V。1-Wire主控工作在5V，不符合MAX4561模拟开关的电压要求(信号电压不得高于供电电压)。这解释了TP2上的干扰，但对电路功能没有其它不利影响。

　　复位/在线检测周期

　　图8所示为TP2 (顶部)、TP4 (中间)和TP6 (底部)信号。由于传感器网络中存在二极管，当从器件应答脉冲有效时，不能完全达到0V电平。底部波形显示了清晰的应答脉冲。TP6处的正向幅值对应于V+ 3.4V。

　　图8. 复位/在线检测

　　读时隙

　　图9所示的节点与之前相同(TP2 = 顶部，TP4 = 中间，TP6 = 底部)。第一个时隙读1，第二个时隙读0。

　　图9. 通信时隙

　　总结

　　当微控制器作为1-Wire主控，采用独立的端口进行读、写操作时，可以采用本文介绍的电路。但是，产生时隙和复位/在线检测信号的应用软件具有严格的定时要求，可能必须采用汇编语言编程。利用双向1-Wire驱动器芯片的附加电路，允许使用高级语言开发应用软件。

　　由于其异步工作方式，当主控停止拉低1-Wire总线时，附加电路会引起尖峰脉冲。读0时，尖峰脉冲触发驱动器的有源上拉，造成驱动器上拉和MAX4561下拉之间的冲突。因此，当使用DS2482驱动器时，应该关闭有源上拉。尖峰脉冲也是双向1-Wire驱动器附加电路不能支持主控侧1-Wire从器件的原因。