采用IEEE1451協(xié)議的無線變送器設(shè)計

　　引言

　　隨著計算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，基于各種現(xiàn)場標(biāo)準(zhǔn)的分布式測量和控制系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用。這些系統(tǒng)采用了多種控制總線，如CAN、 LONWORKS、FROFIBUS、HATR、FF等。這些不同的總線標(biāo)準(zhǔn)都有自己的協(xié)議格式，相互之間不兼容，給系統(tǒng)的擴(kuò)展帶來很多不便。

　　鑒于此，國際電子電氣工程師協(xié)會(IEEE)和美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院(NIST)聯(lián)合推出IEEE1451標(biāo)準(zhǔn)，解決了各種不同標(biāo)準(zhǔn)的總線接口兼容性問題，提高了各個不同廠家產(chǎn)品的互換性和互操作性。

　　1 IEEE1451協(xié)議

　　IEEE和NIST推出的IEEE1451標(biāo)準(zhǔn)，通過定義一整套通用的通信接口來解決不同網(wǎng)之間的兼容性問題，并最終實現(xiàn)各個廠家的產(chǎn)品的互換和互操作。其協(xié)議簇體系結(jié)構(gòu)和關(guān)系如圖1所示。根據(jù)IEEE1451標(biāo)準(zhǔn)，網(wǎng)絡(luò)智能傳感器分成兩大模塊。

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　　圖1 IEEE1451協(xié)議整體架構(gòu)

　　(1) NCAP(網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用處理器)模塊

　　該模塊主要執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)通信、TIM通信、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等功能。IEEE1451.1標(biāo)準(zhǔn)定義了它的實體模型。NCAP是標(biāo)準(zhǔn)變送器總線與專用網(wǎng)絡(luò)總線之間的接口。這一部分與微處理器集成在一起，在網(wǎng)絡(luò)化傳感器中起“大腦”的作用。NCAP還支持熱插拔功能。

　　(2) TIM(智能變送器)模塊

　　根據(jù)和NCAP之間連接的方式，可以有多種不同功能的TIM。一個TIM可以支持單個或多個不同的通道，它既可以與傳感器連接，也可以與執(zhí)行器連接。

　?、?IEEE1451.0：該層標(biāo)準(zhǔn)包括通用功能、通信協(xié)議以及電子數(shù)據(jù)表格(TEDS FORMATS)。IEEE1451.0通過定義基本命令設(shè)置和通信協(xié)議接口，為不同的物理層提供通用、簡單的標(biāo)準(zhǔn)，從而加強(qiáng)這些標(biāo)準(zhǔn)之間的互操作性。

　?、?IEEE1451.1：針對現(xiàn)有的各種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，定義了從智能變送器到網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)連接的方法，使用面向?qū)ο蟮乃枷霝榫W(wǎng)絡(luò)化的智能變送器定義了一個標(biāo)準(zhǔn)的對象模型，并且為該模型的每一個類定義了軟件接口。

　?、?IEEE1451.2：定義了傳感器和微處理器之間的連接的數(shù)字接口TII。其定義了電子數(shù)據(jù)表格以及數(shù)據(jù)格式，還定義了一系列的讀寫命令，包括讀寫電子數(shù)據(jù)表格、讀取傳感器數(shù)據(jù)和設(shè)置執(zhí)行器數(shù)據(jù)等。

　　④ IEEE1451.3：包括分布式多點系統(tǒng)數(shù)字通信與TEDS格式的定義，主要用于點對多點分布式智能傳感器系統(tǒng)的同步數(shù)據(jù)采集與通信。

　?、?IEEE1451.4：包含混合模式通信協(xié)議與TEDS格式的定義。其主要針對已存在的模擬量變送器通信協(xié)議，一方面支持?jǐn)?shù)字接口對TEDS數(shù)據(jù)的讀寫，另一方面支持模擬接口對現(xiàn)場儀器的測量。

　?、?IEEE1451.5：定義智能傳感器的無線通信接口，通過指定的無線通信協(xié)議在無線變送器接口模塊(WTIM)和NCAP進(jìn)行通信。目前支持WiFi、藍(lán)牙、ZigBee協(xié)議。IEEE1451.5也定義與無線通信協(xié)議相關(guān)的TEDS。

　　2 無線通信協(xié)議

　　IEEE1451.5標(biāo)準(zhǔn)為使用不同通信協(xié)議的無線傳感器提供一個統(tǒng)一的接口，不是開發(fā)一種新的無線通信技術(shù)，而是采用已經(jīng)成熟的無線通信技術(shù)作為接口標(biāo)準(zhǔn)。IEEE 1451.1標(biāo)準(zhǔn)提議了3種無線通信方式：WiFi、藍(lán)牙和ZigBee。本論文中采用的是ZigBee協(xié)議，其主要包括IEEE 802.15.4的PHY層和MAC層，以及ZigBee的NWK層和APS層。

　　2.1 IEEE 802.15.4的PHY層

　　PHY層采用DSSS技術(shù)，不同的載波行道提供不同的傳輸速率，2.4 GHz提供250 kbps傳輸速率。PHY層用來在兩個設(shè)備之間提供透明的比特流傳輸。其主要功能包括：信道選擇和信道能量檢測、空閑信道*估、無線信道數(shù)據(jù)收發(fā)、接收包鏈路質(zhì)量。

　　2.2 IEEE 802.15.4的 MAC層

　　MAC層負(fù)責(zé)將NWK層發(fā)送來的數(shù)據(jù)包進(jìn)行封裝，并向下發(fā)送給PHY層，并對PHY層發(fā)送上來的幀進(jìn)行分解，將分解后的數(shù)據(jù)包向上發(fā)送給NWK層。

　　MAC層提供了信標(biāo)和非信標(biāo)兩種傳輸模式。其中，信標(biāo)傳輸模式通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器以一定的時間間隔向網(wǎng)絡(luò)廣播信標(biāo)幀，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的所有節(jié)點以該信標(biāo)幀作為同步信號，實現(xiàn)整個網(wǎng)絡(luò)的同步。非信標(biāo)傳輸模式采用CSMA/CA機(jī)制避免傳輸碰撞。

　　MAC層的主要功能為MPDU數(shù)據(jù)處理。其幀格式包括幀頭、MAC凈荷和幀尾3個部分。 幀頭中的幀控制域提供了幀類型、安全使能、目標(biāo)地址模式、源地址模式等相關(guān)控制信息。MAC凈荷域為MAC層的有效數(shù)據(jù)，即NWK數(shù)據(jù)包。幀尾為幀頭和 MAC幀凈荷域的16位CRC校驗序列。

　　2.3 ZigBee協(xié)議的NWK層

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　　圖2 NWK幀格式

　　ZigBee聯(lián)盟在IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的PHY層基礎(chǔ)上制定了NWK層協(xié)議。其主要功能包括：網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議數(shù)據(jù)單元處理、組網(wǎng)管理和路由功能。NWK幀格式如圖2所示。