摘要：为了使传感器具有即插即用功能，IEEE 1451.2标准定义了STIM和NCAP之间的TII接口及其协议。从TII接口的物理管脚和信号定义出发，研究分析了触发、TII中读/写字节传输、读/写结构传输等协议，为基于IEEE 1451.2的网络化传感器的实用化做了一点基础工作。
关键词：网络化智能传感器；TII协议；IEEE 1451.2；STIM；NCAP
中图分类号：TP212 文献标识码：A
一、引言
传感器与网络相连，是信息技术发展的一种必然趋势。然而控制总线网络多种多样，千差万别，内部结构、通信接口、通信协议各不相同，以此来连接各种变送器（包括传感器和执行器），则要求这些传感器或执行器必须符合这些标准总线的有关规定。由于技术上、成本上的原因，传感器的制造商无法使自己的产品同时满足各种各样的现场总线要求，而这些现场总线本身有各自的优点，针对不同的应用对象，有自身的优势；但它们之间的不兼容性、不可互操作性和各自为战的弊端，给广大用户带来了很大的不便。一个通用的、普遍接受的传感器接口标准将使制造商、系统集成者和最终用户受益，这就是IEEE 1451标准产生最直接的原因。在各方努力下，IEEE和NIST在1997年、1999年和2003年先后颁布了IEEE 1451.2、IEEE 1451.1和IEEE 1451.3标准，同时3个工作组对标准进行进一步的扩展研究，即IEEE P1451.4、IEEE P1451.4和IEEE P1451.0。
IEEE 1451.2标准通过一个变送器电子数据表（Transducer Electronic Data Sheet，简称TEDS），使变送器模块具有即插即用的功能，同时定义了一个连接变送器到微处理器的变送器独立接口（Transducer Independent Interface，简称TII），并通过网络适配器（NCAP）把传感器和执行器连接到网络。
二、TII概述
变送器独立接口TII是NCAP与STIM之间的硬件接口，它是通过10根按照SPI标准串行通讯方式的引脚在一起，如图1所示，每个管脚的功能分配见表1，管脚信号电平定义见表2，同时给出了每个信号的触发电平和信号逻辑，需要注意的是表中所指出的信号是输入还是输出是相对STIM而言的。
其中NINT是允许由STIM根据ASSERT的信号接口线，其他的信号线都是由NCAP控制通讯和信息交换；NSDET用来判断一个STIM是否挂接在系统上，NCAK仅仅是响应NCAP的动作；对于单个传感器的场合，NTRIG是由NCAP用来控制读传感器数据或向执行器发送数据的时间，对于多传感器的场合，NTRIG的功能使用较为复杂。
STIM和NCAP之间的通讯基本过程可以看作是NCAP通过DIN和DCLK选通某一STIM，在写数据时，NCAP保持DCLK并将数据加到DIN上，在读数据时，NCAP保持DCLK并从DOUT上读入数据。在任一通讯方式中，NIOE可以看作是用来完成实现数据传输功能触发的片选，NCAK除了被STIM用来做触发响应外同时用作数据传输响应，为了接口简单起见，两种功能不同时出现。从NCAP的角度来看，STIM可以看作是一个存储设备，其中的数据和功能实现可以通过相应的功能地址获取，每一个功能地址包括了被访问通道和需要实现的功能，每个STIM可以接255个通道。如果需要对所有的通道数据进行访问，则选择通道0。
TII提供了电源和给STIM的一个通用的地。NCAP提供最大75mA的电流、电压5V±0.20VDC给STIM。IEEE 1451.2标准提供了独立于NCAP的补充的电源，如必要可提供精确的或高压电源给传感器，但是只有NCAP可以提供电源给STIM接口电路。TII接口提供了NCAP和STIM之间的读写时序。最高级的协议是读结构、写结构和触发。下面就对TII协议的具体内容作如下说明。
三、TII协议研究
协议规范了触发功能的执行和使用物理TII执行时的数据传输功能。NCAP和STIM都参与了每个协议，对它们各自特定的任务作了区分，一部分协议被分级定义。
NCAP和STIM之间的数据传输协议(读写顺序)如图2所示。
结构是字节序列的传输，字节传输是比特序列的传输。所有的触发、读结构和写结构的初始状态都伴随着NTRIG、NACK和NIOE线闲置。
1、触发
触发一般在读传感器之前或写入执行器之后使用，其具体的过程是：NCAP等待通道写通道TEDS的持续时间，NCAP发信号触发NTRIG，STIM发信号触发NACK，然后NCAP闲置NTRIG和STIM闲置NACK，最后NCAP等待通道读通道TEDS的持续过程。
2、位传递方法
数据以比特流的形式从NCAP经DIN到STIM传输，从STIM经DOUT到NCAP传输，传输以以下的方式受DCLK线的控制，其过程为：DCLK高度空闲，在DCLK的第一个下降沿，将要传输的第一个字节由发送器触发（NCAP在线路DIN上，STIM在线路DOUT上），在随后的DCLK上升沿上，比特被接收者锁存，后来的比特传输重复上述步骤。
虽然一个全双工的传输可以同时使用DIN和DOUT，但这标准并没有使用这一的功能,也就是，当数据从NCAP到STIM传输时，NCAP忽略DOUT线，同样的，当数据从STIM到NCAP传输时，STIM忽略DIN线。
需要注意的是DCLK不需要一个常数频率或任务周期。
3、读/写字节传输协议
读字节传输协议是从STIM到NCAP传输，写字节传输是从NCAP到STIM传输。所有的数据必须使用比特传输协议并以8比特组的形式从NCAP 到STIM传输，只有当NCAP检测到NACK线上的传输时，它才会继续写字节传输。当STIM已经适当的处理了先前的字节并已准备执行NCAP时，它才在NACK线上传输。与写字传输不同的是，只有当NCAP检测到NACK线上的数据传输时，它就会继续读字节传输。当STIM已经适当的处理了先前的字节并已准备NCAP的执行时，它将在NACK线上传输。
4、读/写结构传输协议
读结构协议的过程为：NCAP进入NIOE线，NCAP等待直到STIM进入NACK线，NCAP用写字节传输协议写功能地址，NCAP用写字节传输协议写通道地址，NCAP从最高有效位到最低有效位用读字节传输协议读0个或多个数据字节，NCAP出NIOE线，STIM出NACK（如果已经传输了奇数字节，依据读字节传输协议，NCAK就已经无效）。读结构协议与写结构协议类似，其过程为：NCAP进入NIOE线，NCAP等待直到STIM进入NACK线，NCAP用写字节传输协议写功能地址，NCAP用写字节传输协议写通道地址，NCAP从最高有效位到最低有效位用读字节传输协议读0或多个数据字节，NCAP出NIOE线，STIM出NACK线（如果已经传输了奇数字节，依据字节读传输协议，NCAK就已经无效）。
NCAK在高压或在低压结束取决于传输了奇数还是偶数字节，如果在数据传输结构结束时是低压，那么对闲置的NIOE线来说，将是一个有效的握手（hand-shake）。如果NCAK出NIOE线时是高压，那么NCAP就可以确认STIM已经在重新进入NIOE线前等待了至少为结束结构检测延迟时间的持续时间，来验证数据传输结构的结束。
当然，NCAP和STIM之间的TII接口数据传输协议还有一些例外的情况，在此就不一一展开了。
四、结论
TII描述了连接STIM和NCAP之间的数字接口，并定义了协议、时序和电气规格等，以确保NCAP和STIM不同连接间流畅的数据交换。这一通用的、普遍接受的TII接口标准将使传感器具有即插即用的特性，使制造商、系统集成者和最终用户都受益。本文从TII接口的物理管脚和信号定义出发，研究分析了触发、TII中读/写字节传输、读/写结构传输等协议，为基于IEEE 1451.2的网络化传感器的实用化做了一点基础工作。当然，应该看到，网络化智能传感器标准的普遍接受并走向产业化，以及适合我国的网络化智能传感器标准的推出，都还需假以时日，有大量的工作需要来完成。
参考文献：
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