基于IEEE1451.4的智能水听器设计＊

周 斌 唐劲松 张学波

（海军工程大学电子工程学院 武汉 430033）

1 引言

在传统的数据采集系统中，模拟传感器只提供将物理量转换成电信号的模拟接口，为了能正确地转换和解释传感器数据，必须手工输入传感器的配置和校正参数等信息，要花费很大的工作量且容易出错，而配置TEDS的传感器可以简化这些工作。TEDS技术是IEEE1451协议的核心技术。IEEE1451.4创建了一个通用的方法，在原来模拟传感器中加入可存放TEDS的存储器，并增加串行数字接口，把模拟接口和数字接口结合在一起，成为混合接口，利用嵌入式的TEDS可对模拟传感器进行标识，并可与原来的模拟仪器和接口兼容，把“即插即用”的概念延伸到模拟传感器上。

因此，本文结合IEEE 1451.4标准与1-wire技术，提出一种使水听器智能化，进而提高系统的测量速度、效率和可靠性的解决方案。

2 IEEE 1451标准和TEDS实现

IEEE1451标准目的是开发一种软硬件的连接方案，将智能变送器连接到网络或者用以支持现有的各种网络技术，包括各种现场总线及Internet／Intranet。IEEE 1451标准目前由八个子标准组成，即1451.0～1451.7。IEEE标准可以分成面向软件的接口和面向硬件的接口两大部分。1451.1标准主要致力于软件接口功能。IEEE 1451标准面向硬件的接口包含几个分支即1451.2～1451.7。1451.2标准主要针对点对点的情形。1451.3标准主要用于点对多点分布式智能传感器系统的同步数据采集与通信。IEEE 1451.5标准主要致力于定义一套无线网络传感器接口特征。1451.6标准目标是针对本质安全系统和非本质安全系统应用创建一个以CANopen网络为基础的传感器接口。1451.7标准为变送器与RFID系统通信协议和TEDS格式。1451.0标准主要是开发一系列与物理传输媒介无关的IEEE 1451传感器通用函数，使这些标准能够通用。

IEEE1451.4标准，即混合模式通信协议与TEDS格式。主要致力于基于已存在的模拟量变送器连接方法提出一个混合模式智能变送器通信协议，它同时也为具有智能特点的模拟量变送器接口到合法的系统指定了TEDS格式。它定义了一个混合（MMI，Mixed-Mode Interface）接口为模拟传感器升级为数字智能传感器提供了一种简便的方法，其结构示意图如图1所示。

图1 IEEE 1451.4TEDS数字系统结构示意图

在IEEE1451.4标准中，定义了一系列的模板，包括标准模板（ID＝25－39）和校正模板（ID＝40－42），并允许用户自定义模板。模板的意义在于当制造商按模板所定义的方式去存储数据时用户可以在任何地方按模板将其解析出来。图1中的T-Block就是解析模块，模板信息存于其中以用来解析TEDS内容。

图2 TEDS水听器结构图

1451.4混合接口分1类和2类，1类是针对有源器件的，通过两个二极管的通断来控制模拟路通还是数字路通，2类是在不改变模拟通路的基础单独增加数字通路。本文采用2类接口，设计的智能水听器如图2所示。

IEEE1451.4定义的TEDS将被存贮于Dallas-maxim公司生产的1-wire存储器中。1-wire总线是一种简单的信号交换架构，通过一条线路在主机与外围器件之间进行双向通信。

本文选用1-wire器件DS2433做TEDS存储器，DS2433是一款4K位的1-wire EEPROM，用于识别和存储与产品相关的信息。DS2433带有一个由工厂刻度的注册码，全球唯一，包括：8位家族代码，48位唯一序列号，8位CRC校验码，还带有4096位用户可编程的EEPROM。存储器分为16页，每页256位。256位暂存器，具有严格的读／写协议，保证数据传输的完整性。可直接连接至微处理器的单个端口，通信速率高达16.3Kbps。过驱动模式提升通信速率至142kbps。允许在2.8～6V的宽带有范围内进行读写操作。

表1 基本TEDS内容

TEDS是IEEE1451.4标准的核心，它分为以下几个关键部分：第一部分即基本TEDS，如表1所示，包含了必要的传感器识别信息，包括制造商ID、型号、版本字号、版本号、设备序列号；第二部分，IEEE标准TEDS，包含传感器专用的“数据表”信息，一般是正确配置电气接口并将测量数据转换为工程单位所需要的数据；最后一部分，用来存放传感器中自定义数据和信息。

3 TEDS读写电路和软件设计

3.1 USB适配器的设计

由于目前采用的各种1-wire器件不能与上位PC机直接通信，有必要设计一种接口转换器，这样PC机就具备了对各种1-wire器件统一控制功能，而利用USB接口控制1-wire器件为首选。

1-wire转USB接口适配器核心部件采用专用集成电路DS2490，该芯片是USB和1-wire总线之间进行桥接通信的专用芯片，它提供1-wire总线所需的时钟、驱动、协议等，可产生严格定时和受电压摆率控制的1-wire波形，并且可满足USB接口通信协议的要求，保证USB口与1-wire器件正常、安全地通信；同时它具有外围元件少，通信可靠性高、速度快，支持USB总线主机被1-wire远程唤醒的优点。USB接口适配器电路的电路图见图3。

图3 USB接口适配电路图

该适配器有两个接口，一个USB接口和一个标准RJ11接口。DS2490有三个电源引脚：VPP，VB，VD。VB为3.3V，是完成USB功能的工作电源，由电压稳压器集成电路MAX8881提供；VD为5V，用于完成1-wire功能，由USB总线提供；VPP是为1-wire总线上的可编程设备提供电源，比电源VB电压高。晶体振荡器可产生12Mb／s的USB总线速率，保证DS2490稳定工作，电容器的接入是为了使晶体振荡器更容易起振。图中电感L1和L2为抗干扰滤波电感，R2，R3为USB数据线保护电阻，肖特基二极管D1可消除来自于ESD采样数的尖峰信号进而防止1-wire总线过电压，R1是上拉电阻，使D＋上拉到VB，表示USB主机是高速设备，同时这个上拉告诉主机有USB设备插入。集成电路DS9503P具有特定的静电放电1-wire总线保护功能，它由一个快速响应稳压二极管和2个低值电阻组成，通常这二个电阻不影响1-wire总线通信，但当稳压管导通时，相对电阻很大，这导致驱散静电放电，防止其进入接口。该转换器在USB工作模式下的电流消耗为58mA，在空闲模式时的消耗电流为0.5mA。

3.2 TEDS读写软件

软件设计主要包括计算机端USB接口驱动程序设计和DS2490桥接模块与读取DS2433模块的固件设计。Dallas公司提供了一款OneWireViewer可作为1-wire器件的软件开发平台。OneWire-Viewer支持不同的硬件和软件平台，与1-wire器件的通信遵循1-wire协议，通过单根数据线和地线即可完成。

将OneWireViewer安装好后，打开可见其操作界面如图4所示。

操作界面分四部分，分别是顶部菜单部分，左边器件列表部分，中间器件描述部分，右下读写操作部分。点击右下进入文件编辑界面，如图5所示。

图4 OneWireViewer操作界面

图5 OneWireViewer读写界面

在图5所示的界面中点击创建文件，按aaaa.nnn的格式命名文件，双击打开，可以从打开的页面中直接写入数据，或者点击文件下拉菜单打开一个已存在的文件，此文件格式不限，将其写入到1-wire器件中去。

4 建立校正模型

不考虑标定中的系统误差，测量数据的误差主要为随机误差。传感器的数据校正实际上是利用精确的标定数据建立数学模型，以求得精确的测量值的过程。校正引擎需要具体的校正方法来实现。常用的校正方法有3种：查表法、分段多项式插值法、最小二乘数据拟合法。

图6 标准水听器的校正曲线

基于标准水听器校正参数的特点，本文选择查表法。查表法是通过计算或实验得到检测值和被测值之间的关系，然后按一定的规律把数据排成表格，存入标定TEDS中。校正引擎根据检测值的大小查表。查表技术一般适用于参数计算复杂，采用计算法编程较繁琐并且需要较长计算时间的情况；对于检测值是有限的几个值的情况，该方法也是适合的。查表方法常用顺序查找法和对分查找法。查表技术是工程中常用的非数值运算方法，该方法运算简单、执行速度快、误差小。实际传感器数据校正中还可将其与分段多项式插值法、最小二乘数据拟合法结合使用，以减少存储的数据量和提高校正精度。

生产商提供的标准水听器的校正曲线如图6所示，此数据是在振幅39.99Vrms，脉宽1.00ms，重复间隔50.0ms，水深2.00m，距离0.50m，温度20.9°C条件下测得的。

本设计采用TEDS自定义模板，在标准水听器中取出标定参数存入TEDS中，自定义TEDS标定参数如表2所示。

表2 自定义TEDS校正参数表

5 结语

本文详细介绍了IEEE1451.4标准，就TEDS技术应用于水听器进行了有效的研究，对水听器的结构和特点进行分析，依据IEEE1451.4标准提出了可行的智能水听器实现方案。详细介绍了TEDS技术的主要内容，水听器改造电路设计，建立了水听器校正模型，并设计了1－wire转USB接口适配器和相关读写软件。应用TEDS技术实现对大量的传感器参数进行电子化存储，简单方便地实现了即插即用和自校正功能，提高了系统的可靠性和工作效率，并有利于系统的二次开发。

［1］IEEE 1451.4-2004.IEEE Standard for A Smart Trans-ducer Interface for Sensors and Actuators Mixed-Mode Communication Protocols and Transducer Electronic Data Sheet（TEDS）Formats［S］.Institutes of Electrical and Electronics Engineers，Inc，2004

［2］OneWireViewer用户指南［S］.http：／／www.Maximic.com，2006

［3］DS2490USB to 1-Wire Bridge Chip datasheet［S］.http：／／www.Maxim-ic.com，2006

［4］王婷，史铁林，赵江滨.一种IEEE1451.4智能传感器数据采集系统的实现［J］.微计算机信息（测控自动化），2007（23）：131～133

［5］戎舟，高翔.即插即用的智能传感器IEEEP1451.4标准研究［J］.计算机测量与控制，2005（10）：1122～1123

［6］张礼学，唐力伟，等.TEDS技术在加速度传感器数据校正中的应用［J］.军械工程学院学报，2009（10）：64～67

［7］夏德海.现场总线技术［M］.北京：中国电力出版社，2004

［8］杜树旺，曹祁.支持TEDS的智能数据采集节点设计［J］.仪器仪表学报，2006（6）：148～150

［9］王洪源，申铁城.1-Wire总线的USB接口转换器设计［J］.沈阳理工大学学报，2005（3）：20～23

［10］曲芳，王剑，孙国强.高速数据总线测试概述［J］.计算机与数字工程，2010，38（9）

［11］1-Wire通信应用笔记 159.http：／／www.Maxim-ic.com