提高IEEE1451智能傳感器TII模型性能方法探討*

陳耿新 黃國(guó)健 劉桂雄

1 引言

IEEE1451系列網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器接口標(biāo)準(zhǔn)為實(shí)現(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中通訊設(shè)備和現(xiàn)場(chǎng)總線多樣化奠定基礎(chǔ)。其中 IEEE1451.2規(guī)范了網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器基本結(jié)構(gòu)，包括智能變送器接口模塊 STIM (Smart Transducer Interface Module)、網(wǎng)絡(luò)適配器 NCAP(Network Capable Application Processor)以及建立它們聯(lián)系的接口TII (Transducer Independent Interface)，通過(guò)一系列的讀寫(xiě)邏輯操作功能，實(shí)現(xiàn)了傳感器的互連與互換。TII協(xié)議是一種通用技術(shù)規(guī)范，IEEE1451.2允許用戶(hù)在需要的情況下，改變標(biāo)準(zhǔn)推薦的傳輸模式，使其更好地發(fā)揮性能。文獻(xiàn)[1]分析了觸發(fā)、TII中讀/寫(xiě)字節(jié)傳輸、讀/寫(xiě)結(jié)構(gòu)傳輸?shù)葏f(xié)議關(guān)系，為協(xié)議使用做了一些有益工作[1]；許多專(zhuān)家學(xué)者則從簡(jiǎn)化TII連線角度出發(fā)，定義一種更為簡(jiǎn)單的物理層(如RS-232、USB等)，將啟動(dòng)、啟動(dòng)回應(yīng)、快速交換及出錯(cuò)報(bào)告等信號(hào)由原來(lái)的硬件信號(hào)線改為通過(guò)串行的信息來(lái)處理，雖簡(jiǎn)化了TII連線，但降低數(shù)據(jù)傳輸速率、增加數(shù)據(jù)丟包風(fēng)險(xiǎn)[2～6]。

本文從TII模型時(shí)序、數(shù)據(jù)線利用率展開(kāi)探討，針對(duì)性地提出在應(yīng)用中可以提高模型性能的方法，以數(shù)據(jù)傳輸速率、延時(shí)作為主要的參考指標(biāo)，借助LabVIEW構(gòu)建TII的圖形化仿真模型，對(duì)這些方法進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析并驗(yàn)證其有效性。

2 TII協(xié)議模型分析與仿真環(huán)境構(gòu)建

圖1為IEEE1451.2定義的接口圖，其中TII是實(shí)現(xiàn) IEEE1451智能傳感器中STIM 和NCAP數(shù)據(jù)傳輸?shù)?10線數(shù)字接口。表 1為基于SPI協(xié)議的TII接口的管腳分配及信號(hào)定義表。

表1 TII管腳分配及信號(hào)定義

2.1 TII協(xié)議模型分析

圖2為T(mén)II協(xié)議時(shí)序圖。TII協(xié)議包括觸發(fā)、寫(xiě)數(shù)據(jù)和讀數(shù)據(jù)協(xié)議。數(shù)據(jù)的傳輸速率、實(shí)時(shí)性主要由讀(DOUT)、寫(xiě)(DIN)數(shù)據(jù)協(xié)議決定。讀、寫(xiě)數(shù)據(jù)協(xié)議相似。以讀數(shù)據(jù)為例，其過(guò)程如下：① NCAP置低 NIOE，發(fā)起讀數(shù)據(jù)操作(見(jiàn)圖中 A 時(shí)刻)；②STIM驅(qū)動(dòng)NACK應(yīng)答(圖中B時(shí)刻)；③ NCAP檢測(cè)NACK應(yīng)答，發(fā)出DCLK時(shí)鐘，完成該次握手；④NCAP由DINR寫(xiě)入功能、通道地址(圖中BC、CD段)；⑤ DOUTR讀取一幀數(shù)據(jù)(一字節(jié)或者多字節(jié)，圖中DE、EF段)；⑥ NCAP置高 NIOE，STIM 再置高NACK(圖中G時(shí)刻)，完成讀操作。

圖2 TII協(xié)議時(shí)序圖

由圖2可以看出：STIM(或NCAP)每接收處理完8位數(shù)據(jù)后，才驅(qū)動(dòng)NACK應(yīng)答，由NCAP檢測(cè)到應(yīng)答發(fā)出DCLK時(shí)鐘，這個(gè)握手過(guò)程會(huì)產(chǎn)生延時(shí)。圖2中tw包括STIM處理數(shù)據(jù)時(shí)間和一次握手延時(shí)。對(duì)于多字節(jié)幀的傳輸，會(huì)因?yàn)轭l繁握手而產(chǎn)生大量延時(shí)；讀(或?qū)?數(shù)據(jù)DF期間，僅用到DOUTR(或DINW)，DINR(或 DOUTW)處于空閑狀態(tài)，這種簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)傳輸模式下兩根數(shù)據(jù)線傳輸數(shù)據(jù)利用率僅有50%。

2.2 基于LabVIEW的TII模型的仿真環(huán)境構(gòu)建

NI公司LabVIEW圖形化程序設(shè)計(jì)環(huán)境，適用于構(gòu)建 TII模型(具有硬件功能及實(shí)現(xiàn)各時(shí)序信號(hào)的嚴(yán)格配合)進(jìn)行仿真及測(cè)試。

下面討論基于LabVIEW的TII模型的構(gòu)建。TII模型的NSDET、NTRIG、NIOE邏輯關(guān)系的實(shí)現(xiàn)可通過(guò)LabVIEW的條件結(jié)構(gòu)等實(shí)現(xiàn)。這里主要討論其數(shù)據(jù)傳輸功能的實(shí)現(xiàn)方法。圖3為T(mén)II模型讀寫(xiě)數(shù)據(jù)程序框圖，數(shù)據(jù)傳輸按隊(duì)列緩存模式進(jìn)行，圖(a)中TII模型，在NCAP端實(shí)現(xiàn) NACK接收，DCLK產(chǎn)生及發(fā)送，DIN在DCLK負(fù)邊沿發(fā)送數(shù)據(jù)，DOUT在DCLK正邊沿接收數(shù)據(jù)；圖(b)中TII模型，在STIM端實(shí)現(xiàn)NACK翻轉(zhuǎn)及發(fā)送，DCLK接收，DIN在DCLK在正邊沿接收數(shù)據(jù)，DOUT在負(fù)邊沿發(fā)送數(shù)據(jù)。

圖3 TII模型讀寫(xiě)數(shù)據(jù)程序框圖

3 提高TII模型性能的方法分析

筆者提出在應(yīng)用中可提高模型性能的三種方法。

3.1 增加NACK翻轉(zhuǎn)傳輸位數(shù)的方法

由于NACK每次握手僅傳輸8位數(shù)據(jù)，對(duì)于多字節(jié)幀的傳輸，會(huì)因?yàn)轭l繁握手而產(chǎn)生大量延時(shí)。對(duì)于某些IEEE 1451智能傳感器采用16位(或32位)處理器的場(chǎng)合，NACK每次翻轉(zhuǎn)傳輸8位數(shù)據(jù)與處理器位數(shù)不匹配的問(wèn)題，將會(huì)產(chǎn)生系列的延時(shí)。因此可考慮根據(jù)處理器位數(shù)，將 NACK每次翻轉(zhuǎn)的傳輸位數(shù)相應(yīng)增加至16位或者32位。

圖4為NACK翻轉(zhuǎn)傳輸不同位數(shù)的延時(shí)比較圖，圖中tDCLK表示DCLK時(shí)鐘周期，假設(shè)8位、16位和32位處理器處理相應(yīng)位數(shù)數(shù)據(jù)的時(shí)間和完成一次握手產(chǎn)生的延時(shí)均相同(即tw相同)。傳輸32位數(shù)據(jù)，NACK每次翻轉(zhuǎn)傳輸32位數(shù)據(jù)比傳輸8位數(shù)據(jù)減少3次握手過(guò)程，減少延時(shí)t2=3(tw-tDCLK)。

圖4 NACK翻轉(zhuǎn)傳輸8、16、32位數(shù)據(jù)延時(shí)比較圖

表2為利用基于LabVIEW的TII模型的仿真環(huán)境得出的256bytes緩存區(qū)下NACK翻轉(zhuǎn)傳輸不同位數(shù)讀、寫(xiě)數(shù)據(jù)性能表。以寫(xiě)數(shù)據(jù)為例，NACK每次翻轉(zhuǎn)傳輸16位、32位平均傳輸速率增加至 43.135kb/s和47.608kb/s，分別比 8位傳輸方式提高 19.36%和31.74%；延時(shí)減少至45.540ms和40.652ms，分別比8位傳輸方式減少14.80%和23.94%。

表2 NACK翻轉(zhuǎn)傳輸不同位數(shù)讀、寫(xiě)數(shù)據(jù)性能表

3.2 合理增加緩存區(qū)方法

STIM包含高采樣率緩沖序列傳感器或高速執(zhí)行器需傳輸大量數(shù)據(jù)時(shí)，須合理增加緩存區(qū)，以實(shí)現(xiàn)一次觸發(fā)、連續(xù)讀寫(xiě)數(shù)據(jù)來(lái)提高數(shù)據(jù)傳輸速率。

表3為利用基于LabVIEW的TII模型的仿真環(huán)境得出的不同緩沖區(qū)讀、寫(xiě)數(shù)據(jù)性能表。以寫(xiě)數(shù)據(jù)為例，緩存區(qū) 512bytes比 64bytes平均傳輸速率增加13.22%，但延時(shí)增加78.690ms。在應(yīng)用的時(shí)候，需結(jié)合具體應(yīng)用要求，對(duì)數(shù)據(jù)傳輸速率要求高而實(shí)時(shí)性要求不高的場(chǎng)合，合理增加緩存區(qū)。

表3 不同緩沖區(qū)讀、寫(xiě)數(shù)據(jù)性能表

3.3 基于DIN、DOUT同步讀取數(shù)據(jù)方法

基于DIN、DOUT同步讀取數(shù)據(jù)的方法可提高數(shù)據(jù)線利用率，進(jìn)而提高數(shù)據(jù)傳輸速率和減少延時(shí)。圖5為筆者改進(jìn)的DIN、DOUT同步讀取數(shù)據(jù)時(shí)序圖。NCAP首先通過(guò)DIN寫(xiě)入功能和通道地址(其中功能地址是STIM控制字中供用戶(hù)擴(kuò)展的讀操作碼，通道地址是表示全局操作的地址0)，然后DIN、DOUT同步讀取與STIM連接的多路傳感器數(shù)據(jù)。

圖5 DIN、DOUT同步讀取數(shù)據(jù)時(shí)序圖

表4為利用基于LabVIEW的TII模型的仿真環(huán)境得出的256bytes緩存區(qū)下單雙通道讀數(shù)據(jù)性能表。8位傳輸方式下DIN、DOUT同步讀取數(shù)據(jù)平均傳輸速率增加至 37.513kb/s，比僅 DOUT讀取數(shù)據(jù)增加41.93%；延時(shí)則減少至77.740ms，比僅DOUT讀取數(shù)據(jù)減少11.49%。

表4 單雙通道讀數(shù)據(jù)性能表

4 結(jié)論

(1)、TII模型的應(yīng)用有許多技巧，針對(duì)具體應(yīng)用可以有許多提高模型性能的具體方法。

(2)、LabVIEW圖形化編程語(yǔ)言功能強(qiáng)大、擴(kuò)展性強(qiáng)，非常適用于構(gòu)建TII模型進(jìn)行仿真及測(cè)試。

(3)、增加NACK翻轉(zhuǎn)傳輸位數(shù)方法適合于采用16位(或32位)處理器的場(chǎng)合，合理增加緩存區(qū)方法適合于對(duì)數(shù)據(jù)傳輸速率要求高而實(shí)時(shí)性要求不高的場(chǎng)合，基于DIN、DOUT同步讀取數(shù)據(jù)的方法適合于單向讀取多個(gè)關(guān)聯(lián)傳感器的場(chǎng)合。

[1] 童利標(biāo),陸文駿,于益.網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器標(biāo)準(zhǔn)IEEE 1451.2的TII協(xié)議研究[J].傳感器世界,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傳感解調(diào)系統(tǒng)的改進(jìn)[J].傳感器與微系統(tǒng),2009(07):12-14,17

[8] 霍峰,王長(zhǎng)松,鞏憲鋒,齊昕.基于Zig Bee和LabVIEW的多功能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].傳感器與微系統(tǒng),2008(07):82-85