IEEE 1451.4 1類MMI智能傳感器數(shù)字驅(qū)動(dòng)器電路

IEEE? 1451.4 混合模式接口 （MMI） 是傳感器與支持網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用處理器 （NCAP） 或數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) （DAS） 之間的模擬信號(hào)和數(shù)字傳感器電子數(shù)據(jù)表 （TEDS） 的連接。IEEE 1451.4 標(biāo)準(zhǔn)定義了兩類 MMI。在1類中，TEDS與模擬功能共用一根線，使用負(fù)電壓進(jìn)行通信。2類為TEDS提供自己的一對(duì)電線，并使用正電壓進(jìn)行通信。因此，2類器件與1-Wire?驅(qū)動(dòng)器（主站）直接兼容。由于通信電壓為負(fù)，1類需要更復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)電路。本文檔介紹如何構(gòu)建 IEEE 1451.4 1 類 MMI 以訪問 TEDS。

IEEE 1451.4 1 類 MMI 智能傳感器數(shù)字驅(qū)動(dòng)器電路

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抽象

IEEE? 1451.4 混合模式接口 （MMI） 是傳感器與支持網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用處理器 （NCAP） 或數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) （DAS） 之間的模擬信號(hào)和數(shù)字傳感器電子數(shù)據(jù)表 （TEDS） 的連接。IEEE 1451.4 標(biāo)準(zhǔn)定義了兩類 MMI。在1類中，TEDS與模擬功能共用一根線，使用負(fù)電壓進(jìn)行通信。2類為TEDS提供自己的一對(duì)電線，并使用正電壓進(jìn)行通信。因此，2類器件與1-Wire?驅(qū)動(dòng)器（主站）直接兼容。由于通信電壓為負(fù)，1類需要更復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)電路。本文檔介紹如何構(gòu)建 IEEE 1451.4 1 類 MMI 以訪問 TEDS。

本文的類似版本分兩期出現(xiàn)，分別是2011年4月1日和2011年4月6日，分別出現(xiàn)在EE Times網(wǎng)站上。

介紹

最初，沒有用于混合模式傳感器和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用處理器（NCAP）的數(shù)字通信接口標(biāo)準(zhǔn)。每個(gè)傳感器制造商都定義了自己的接口。因此，傳感器制造商無法支持其產(chǎn)品可能適合的所有控制網(wǎng)絡(luò)。為了解決這個(gè)問題，IEEE儀器與測量學(xué)會(huì)的傳感器技術(shù)技術(shù)委員會(huì)發(fā)起了一項(xiàng)倡議，為傳感器和執(zhí)行器的智能傳感器接口，混合模式通信協(xié)議和傳感器電子數(shù)據(jù)表（TEDS）格式創(chuàng)建標(biāo)準(zhǔn)。該倡議的結(jié)果是IEEE 1451.4-2004，它被公認(rèn)為美國國家標(biāo)準(zhǔn)（ANSI）。

該標(biāo)準(zhǔn)的一些主要目標(biāo)是：

在傳感器級(jí)別實(shí)現(xiàn)即插即用。這是通過提供通用的傳感器通信接口來實(shí)現(xiàn)的。

啟用并簡化智能傳感器的創(chuàng)建。

簡化儀表系統(tǒng)的設(shè)置和維護(hù)。

能夠以最少的內(nèi)存使用實(shí)現(xiàn)智能傳感器。

該標(biāo)準(zhǔn)描述了以下元素：

傳感器，包含一個(gè)混合模式接口（MMI）和一個(gè)傳感器電子數(shù)據(jù)表（TEDS）。

MMI，用于訪問TEDS。

TEDS，作為駐留在換能器內(nèi)部的存儲(chǔ)芯片實(shí)現(xiàn)。

描述 TEDS 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的模板。

模板描述語言 （TDL）。

一個(gè)稱為傳感器塊的軟件對(duì)象，用于使用 TDL 訪問、解碼和編碼 TEDS。

符合IEEE 1451.4標(biāo)準(zhǔn)的傳感器通過TEDS提供自描述功能。本應(yīng)用筆記討論了NCAP（數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)）上用于訪問TEDS的數(shù)字驅(qū)動(dòng)器電路。

IEEE 1451.4 混合模式接口 （MMI）

IEEE 1451.4 MMI 是傳感器與 NCAP 或數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) （DAS） 之間的模擬信號(hào)和數(shù)字 TEDS 數(shù)據(jù)連接。IEEE 1451.4 標(biāo)準(zhǔn)定義了兩類 MMI。在1類中，TEDS與模擬功能共用一根電線，并使用負(fù)電壓進(jìn)行通信。2類為TEDS提供自己的一對(duì)電線，并使用正電壓進(jìn)行通信。因此，2類器件與Maxim的1-Wire驅(qū)動(dòng)器（主機(jī)）直接兼容，如應(yīng)用筆記4206：“為嵌入式應(yīng)用選擇合適的1-Wire?主機(jī)”中所述。由于通信電壓為負(fù)，1類需要更復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)電路。

在1類中，MMI有三種變體，使用兩根，三根或四根電線與傳感器或TEDS通信。這些接口的共同特點(diǎn)是模擬和數(shù)字功能之間共用一根線。共享線路可以是信號(hào)、電源或返回。

圖1顯示了具有共享信號(hào)線的典型2線恒流供電傳感器。通過反轉(zhuǎn)信號(hào)線上的極性，二極管允許順序訪問放大器或TEDS存儲(chǔ)器。當(dāng)控制開關(guān)處于“模擬”位置時(shí)，DAS 內(nèi)部的正電流源通過信號(hào)線和上二極管為放大器供電。傳感器輸出作為信號(hào)線上的模擬電壓存在。當(dāng)控制開關(guān)處于“數(shù)字”位置時(shí)，存儲(chǔ)器器件由負(fù)邏輯電源通過下部二極管供電。電路顯示了一個(gè)下拉電阻（Rt） 跨越 TEDS 存儲(chǔ)芯片的端子。該電阻對(duì)存儲(chǔ)器電路和接線的電容放電，確保在適當(dāng)?shù)臅r(shí)序內(nèi)滿足邏輯0電壓。

圖1.IEEE 1451.4 1 類 MMI，共享信號(hào)線。

圖2顯示了具有共享電源線的3線電壓供電傳感器的框圖。信號(hào)線專用于將傳感器的模擬輸出電壓傳輸?shù)?DAS。通過反轉(zhuǎn)電源線上的極性，二極管允許順序訪問放大器或TEDS存儲(chǔ)器。當(dāng)控制開關(guān)處于“模擬”位置時(shí)，DAS 的正電源通過上二極管為放大器供電。當(dāng)控制開關(guān)處于“數(shù)字”位置時(shí)，存儲(chǔ)器器件由負(fù)邏輯電源通過下部二極管供電。

圖2.IEEE 1451.4 1 類 MMI，共享電源線。

圖3增加了另一根導(dǎo)線，從而創(chuàng)建了一個(gè)具有共享返回線（通常是接地連接或屏蔽）的4線電壓供電傳感器。傳感器和TEDS存儲(chǔ)器有獨(dú)立的電源，理論上可以同時(shí)工作。選擇模擬和數(shù)字模式的開關(guān)仍然存在;其目的是在使用傳感器時(shí)禁用數(shù)字功能。這最大限度地減少了由于共享回路上的壓降而導(dǎo)致模擬信號(hào)和數(shù)字TEDS數(shù)據(jù)之間的相互干擾引起的噪聲。二極管和Rt此配置實(shí)際上不需要。可以省略電阻，用短路代替二極管。

圖3.IEEE 1451.4 1 類 MMI，共享返回線。

泰德斯的記憶

用作TEDS的典型存儲(chǔ)芯片是DS2430A 256位1線EEPROM。由于芯片沒有V抄送引腳（即寄生供電），它只有兩個(gè)引腳，IO 和 GND。 IEEE 標(biāo)準(zhǔn)第 8.1.2 節(jié)中的框圖不按名稱引用這些引腳。相反，他們使用“+”表示IO，使用“-”表示GND。 圖 4 顯示了符合 IEEE 1451.4 標(biāo)準(zhǔn)的傳感器的數(shù)字部分，其中包含實(shí)際部件號(hào)和引腳名稱。該標(biāo)準(zhǔn)（第 8.5 節(jié)，家族代碼）沒有為 TEDS 內(nèi)存指定特定的家族代碼。因此，允許使用DS2430A以外的2引腳1線存儲(chǔ)器芯片。通用二極管1N4148可以用肖特基二極管代替，肖特基二極管的正向電壓約為0.3V。R型t電阻值并不重要。該電路用100kΩ進(jìn)行測試。

圖4.1 類傳感器，TEDS 實(shí)現(xiàn)詳細(xì)信息。

構(gòu)建1類MMI數(shù)字驅(qū)動(dòng)器電路

1-Wire器件在空閑時(shí)（上拉電壓）時(shí)以3V至5V的信號(hào)電平工作，在工作時(shí)以0V的信號(hào)電平工作。該電壓是在端子IO（正）和GND（負(fù)）之間測量的，如芯片所示。1 類 MMI 將 IO 引腳連接到 0V，并調(diào)制存儲(chǔ)芯片 GND 引腳上的負(fù)電壓（圖 5）。與正常的1-Wire信號(hào)電平相比，MMI信號(hào)反相并偏移到負(fù)側(cè)5V。

圖5.信號(hào)電平正常 1 線與 1 類 MMI。

存儲(chǔ)芯片無法分辨，也不關(guān)心其端子上的電壓是如何產(chǎn)生的。響應(yīng)時(shí)，它只是在其端子之間施加短路，持續(xù)一段時(shí)間。在“正常情況下”，IO上觀察到此短路為~0V。在 1 類 MMI 的情況下，短路將數(shù)字通信線路的電壓從 -5V（空閑）提高到 -VF二極管 （-0.7V）。

MMI 驅(qū)動(dòng)程序說明

圖6顯示了MMI驅(qū)動(dòng)器的電路。該電路由正向路徑（頂部、主站到傳感器、寫入）和返回路徑（底部、傳感器到主站、讀?。┙M成。符合 IEEE 1451.4 標(biāo)準(zhǔn)的傳感器通過模擬/數(shù)字開關(guān)連接到 TP4。返回線連接到驅(qū)動(dòng)器的 0V （GND）。TP2和TP6的信號(hào)電平對(duì)應(yīng)于正常的1-Wire電平（空閑5V，有源0V）。V+對(duì)應(yīng)于微控制器的工作電壓，可能在3V至5V的范圍內(nèi)。 TP2將連接到微控制器的漏極開路輸出（寫）端口;TP6 連接到輸入端口。

圖6.1 類 MMI 數(shù)字驅(qū)動(dòng)器，連接傳感器。

連接雙向1線主機(jī)

連接雙向主機(jī)需要圖7所示的附加電路。由于電平轉(zhuǎn)換部分上升沿和下降沿的傳播不相等，當(dāng)正工作電壓過高時(shí)，帶有雙向1-Wire主機(jī)的MMI驅(qū)動(dòng)器變得不穩(wěn)定。因此，正電源需要限制在大約3.3V。因此，雙向主機(jī)必須為3V類型，如DS2482。使用5V雙向主機(jī)（例如DS2480B）會(huì)導(dǎo)致模擬開關(guān)COM和NO引腳的電壓超過V+電平，這違反了允許的工作條件。

圖7.附加電路，用于連接雙向1-Wire主機(jī)。

驗(yàn)證

圖6所示電路使用圖7所示的插件進(jìn)行了測試。1-Wire主機(jī)為DS9097U-S09，基于DS2480B驅(qū)動(dòng)芯片。為確保穩(wěn)定性，正電源（V+）設(shè)置為3.4V。1-Wire主機(jī)工作在5V電壓，違反了MAX4561模擬開關(guān)關(guān)于電壓不高于電源電壓的要求。這解釋了TP2信號(hào)上的偽影，但對(duì)電路功能沒有不利影響。

復(fù)位/存在檢測周期

圖8顯示了TP2（頂部跡線）、TP4（中心跡線）和TP6（底部跡線）的信號(hào)。由于傳感器中的二極管，當(dāng)從機(jī)置位其存在脈沖時(shí)，不會(huì)完全達(dá)到0V電平。底部跡線顯示干凈的存在脈沖。TP6 處的正幅度對(duì)應(yīng)于 V+ 的 3.4V。

圖8.復(fù)位/PD 序列。

讀取時(shí)間段

圖 9 顯示了與之前相同的節(jié)點(diǎn)（TP2 = 頂部跡線，TP4 = 中心跡線，TP6 = 底部跡線）。第一個(gè)插槽讀取 1，第二個(gè)插槽讀取 0。

圖9.通信時(shí)隙。

結(jié)論

本文介紹的電路非常適合作為1-Wire主機(jī)的微控制器，使用單獨(dú)的端口進(jìn)行讀寫。然而，應(yīng)用軟件中生成時(shí)隙和復(fù)位/存在檢測周期的部分具有嚴(yán)格的時(shí)序要求，可能需要用匯編語言編寫。用于雙向1-Wire驅(qū)動(dòng)器芯片的附加電路允許使用高級(jí)語言進(jìn)行應(yīng)用軟件開發(fā)。

由于其異步工作，當(dāng)主機(jī)停止將1-Wire線路拉低時(shí)，附加電路會(huì)引起毛刺。讀取零點(diǎn)時(shí)，毛刺會(huì)觸發(fā)驅(qū)動(dòng)器的有源上拉，從而導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)器上拉與MAX4561下拉之間發(fā)生沖突。因此，當(dāng)與DS2482驅(qū)動(dòng)器配合使用時(shí)，應(yīng)關(guān)斷有源上拉。毛刺也是雙向1-Wire驅(qū)動(dòng)器的附加電路不能容忍主機(jī)側(cè)的1-Wire從機(jī)的原因。

審核編輯：郭婷