陈耿新 黄国健 刘桂雄

1 引言

IEEE1451系列网络化智能传感器接口标准为实现传感器网络中通讯设备和现场总线多样化奠定基础。其中 IEEE1451.2规范了网络化智能传感器基本结构，包括智能变送器接口模块 STIM (Smart Transducer Interface Module)、网络适配器 NCAP(Network Capable Application Processor)以及建立它们联系的接口TII (Transducer Independent Interface)，通过一系列的读写逻辑操作功能，实现了传感器的互连与互换。TII协议是一种通用技术规范，IEEE1451.2允许用户在需要的情况下，改变标准推荐的传输模式，使其更好地发挥性能。文献[1]分析了触发、TII中读/写字节传输、读/写结构传输等协议关系，为协议使用做了一些有益工作[1]；许多专家学者则从简化TII连线角度出发，定义一种更为简单的物理层(如RS-232、USB等)，将启动、启动回应、快速交换及出错报告等信号由原来的硬件信号线改为通过串行的信息来处理，虽简化了TII连线，但降低数据传输速率、增加数据丢包风险[2～6]。

本文从TII模型时序、数据线利用率展开探讨，针对性地提出在应用中可以提高模型性能的方法，以数据传输速率、延时作为主要的参考指标，借助LabVIEW构建TII的图形化仿真模型，对这些方法进行动态分析并验证其有效性。

2 TII协议模型分析与仿真环境构建

图1为IEEE1451.2定义的接口图，其中TII是实现 IEEE1451智能传感器中STIM 和NCAP数据传输的 10线数字接口。表 1为基于SPI协议的TII接口的管脚分配及信号定义表。

表1 TII管脚分配及信号定义

2.1 TII协议模型分析

图2为TII协议时序图。TII协议包括触发、写数据和读数据协议。数据的传输速率、实时性主要由读(DOUT)、写(DIN)数据协议决定。读、写数据协议相似。以读数据为例，其过程如下：① NCAP置低 NIOE，发起读数据操作(见图中 A 时刻)；②STIM驱动NACK应答(图中B时刻)；③ NCAP检测NACK应答，发出DCLK时钟，完成该次握手；④NCAP由DINR写入功能、通道地址(图中BC、CD段)；⑤ DOUTR读取一帧数据(一字节或者多字节，图中DE、EF段)；⑥ NCAP置高 NIOE，STIM 再置高NACK(图中G时刻)，完成读操作。

图2 TII协议时序图

由图2可以看出：STIM(或NCAP)每接收处理完8位数据后，才驱动NACK应答，由NCAP检测到应答发出DCLK时钟，这个握手过程会产生延时。图2中tw包括STIM处理数据时间和一次握手延时。对于多字节帧的传输，会因为频繁握手而产生大量延时；读(或写)数据DF期间，仅用到DOUTR(或DINW)，DINR(或 DOUTW)处于空闲状态，这种简化数据传输模式下两根数据线传输数据利用率仅有50%。

2.2 基于LabVIEW的TII模型的仿真环境构建

NI公司LabVIEW图形化程序设计环境，适用于构建 TII模型(具有硬件功能及实现各时序信号的严格配合)进行仿真及测试。

下面讨论基于LabVIEW的TII模型的构建。TII模型的NSDET、NTRIG、NIOE逻辑关系的实现可通过LabVIEW的条件结构等实现。这里主要讨论其数据传输功能的实现方法。图3为TII模型读写数据程序框图，数据传输按队列缓存模式进行，图(a)中TII模型，在NCAP端实现 NACK接收，DCLK产生及发送，DIN在DCLK负边沿发送数据，DOUT在DCLK正边沿接收数据；图(b)中TII模型，在STIM端实现NACK翻转及发送，DCLK接收，DIN在DCLK在正边沿接收数据，DOUT在负边沿发送数据。

图3 TII模型读写数据程序框图

3 提高TII模型性能的方法分析

笔者提出在应用中可提高模型性能的三种方法。

3.1 增加NACK翻转传输位数的方法

由于NACK每次握手仅传输8位数据，对于多字节帧的传输，会因为频繁握手而产生大量延时。对于某些IEEE 1451智能传感器采用16位(或32位)处理器的场合，NACK每次翻转传输8位数据与处理器位数不匹配的问题，将会产生系列的延时。因此可考虑根据处理器位数，将 NACK每次翻转的传输位数相应增加至16位或者32位。

图4为NACK翻转传输不同位数的延时比较图，图中tDCLK表示DCLK时钟周期，假设8位、16位和32位处理器处理相应位数数据的时间和完成一次握手产生的延时均相同(即tw相同)。传输32位数据，NACK每次翻转传输32位数据比传输8位数据减少3次握手过程，减少延时t2=3(tw-tDCLK)。

图4 NACK翻转传输8、16、32位数据延时比较图

表2为利用基于LabVIEW的TII模型的仿真环境得出的256bytes缓存区下NACK翻转传输不同位数读、写数据性能表。以写数据为例，NACK每次翻转传输16位、32位平均传输速率增加至 43.135kb/s和47.608kb/s，分别比 8位传输方式提高 19.36%和31.74%；延时减少至45.540ms和40.652ms，分别比8位传输方式减少14.80%和23.94%。

表2 NACK翻转传输不同位数读、写数据性能表

3.2 合理增加缓存区方法

STIM包含高采样率缓冲序列传感器或高速执行器需传输大量数据时，须合理增加缓存区，以实现一次触发、连续读写数据来提高数据传输速率。

表3为利用基于LabVIEW的TII模型的仿真环境得出的不同缓冲区读、写数据性能表。以写数据为例，缓存区 512bytes比 64bytes平均传输速率增加13.22%，但延时增加78.690ms。在应用的时候，需结合具体应用要求，对数据传输速率要求高而实时性要求不高的场合，合理增加缓存区。

表3 不同缓冲区读、写数据性能表

3.3 基于DIN、DOUT同步读取数据方法

基于DIN、DOUT同步读取数据的方法可提高数据线利用率，进而提高数据传输速率和减少延时。图5为笔者改进的DIN、DOUT同步读取数据时序图。NCAP首先通过DIN写入功能和通道地址(其中功能地址是STIM控制字中供用户扩展的读操作码，通道地址是表示全局操作的地址0)，然后DIN、DOUT同步读取与STIM连接的多路传感器数据。

图5 DIN、DOUT同步读取数据时序图

表4为利用基于LabVIEW的TII模型的仿真环境得出的256bytes缓存区下单双通道读数据性能表。8位传输方式下DIN、DOUT同步读取数据平均传输速率增加至 37.513kb/s，比仅 DOUT读取数据增加41.93%；延时则减少至77.740ms，比仅DOUT读取数据减少11.49%。

表4 单双通道读数据性能表

4 结论

(1)、TII模型的应用有许多技巧，针对具体应用可以有许多提高模型性能的具体方法。

(2)、LabVIEW图形化编程语言功能强大、扩展性强，非常适用于构建TII模型进行仿真及测试。

(3)、增加NACK翻转传输位数方法适合于采用16位(或32位)处理器的场合，合理增加缓存区方法适合于对数据传输速率要求高而实时性要求不高的场合，基于DIN、DOUT同步读取数据的方法适合于单向读取多个关联传感器的场合。

[1] 童利标,陆文骏,于益.网络化智能传感器标准IEEE 1451.2的TII协议研究[J].传感器世界,2006(03):37-40

[2] Jih-Fu T. Create a TII of IEEE 1451.1 under DART[C].2009

[3] Li M, Wang R. System of Ultrasonic Transducer Performance Detection Based on Virtual Instrument and USB 2.0 Interface Technology[C].2009:347-350

[4] Depari A, Ferrari P, Flammini A, et al. IEEE1451 smart sensors supporting USB connectivity[C].2004:177-182

[5] Bissi L, Placidi P, Scorzoni A, et al. Environmental monitoring system compliant with the IEEE 1451 standard and featuring a simplified transducer interface[J]. Sensors and Actuators A:Physical.2007,137(1):175-184

[6] Ramos H M, Ramos P M, Paces P. Development of a IEEE 1451 Standard Compliant Smart Transducer Network with Time Synchronization Protocol[C].2007

[7] 沈小燕,林玉池.基于LabVIEW的FBG传感解调系统的改进[J].传感器与微系统,2009(07):12-14,17

[8] 霍峰,王长松,巩宪锋,齐昕.基于Zig Bee和LabVIEW的多功能数据采集系统[J].传感器与微系统,2008(07):82-85