提高IEEE1451智能傳感器TII模型性能方法探討*

陳耿新 黃國健 劉桂雄

1 引言

IEEE1451系列網絡化智能傳感器接口標準為實現傳感器網絡中通訊設備和現場總線多樣化奠定基礎。其中 IEEE1451.2規范了網絡化智能傳感器基本結構，包括智能變送器接口模塊 STIM (Smart Transducer Interface Module)、網絡適配器 NCAP(Network Capable Application Processor)以及建立它們聯系的接口TII (Transducer Independent Interface)，通過一系列的讀寫邏輯操作功能，實現了傳感器的互連與互換。TII協議是一種通用技術規范，IEEE1451.2允許用戶在需要的情況下，改變標準推薦的傳輸模式，使其更好地發揮性能。文獻[1]分析了觸發、TII中讀/寫字節傳輸、讀/寫結構傳輸等協議關系，為協議使用做了一些有益工作[1]；許多專家學者則從簡化TII連線角度出發，定義一種更為簡單的物理層(如RS-232、USB等)，將啟動、啟動回應、快速交換及出錯報告等信號由原來的硬件信號線改為通過串行的信息來處理，雖簡化了TII連線，但降低數據傳輸速率、增加數據丟包風險[2～6]。

本文從TII模型時序、數據線利用率展開探討，針對性地提出在應用中可以提高模型性能的方法，以數據傳輸速率、延時作為主要的參考指標，借助LabVIEW構建TII的圖形化仿真模型，對這些方法進行動態分析并驗證其有效性。

2 TII協議模型分析與仿真環境構建

圖1為IEEE1451.2定義的接口圖，其中TII是實現 IEEE1451智能傳感器中STIM 和NCAP數據傳輸的 10線數字接口。表 1為基于SPI協議的TII接口的管腳分配及信號定義表。

表1 TII管腳分配及信號定義

2.1 TII協議模型分析

圖2為TII協議時序圖。TII協議包括觸發、寫數據和讀數據協議。數據的傳輸速率、實時性主要由讀(DOUT)、寫(DIN)數據協議決定。讀、寫數據協議相似。以讀數據為例，其過程如下：① NCAP置低 NIOE，發起讀數據操作(見圖中 A 時刻)；②STIM驅動NACK應答(圖中B時刻)；③ NCAP檢測NACK應答，發出DCLK時鐘，完成該次握手；④NCAP由DINR寫入功能、通道地址(圖中BC、CD段)；⑤ DOUTR讀取一幀數據(一字節或者多字節，圖中DE、EF段)；⑥ NCAP置高 NIOE，STIM 再置高NACK(圖中G時刻)，完成讀操作。

圖2 TII協議時序圖

由圖2可以看出：STIM(或NCAP)每接收處理完8位數據后，才驅動NACK應答，由NCAP檢測到應答發出DCLK時鐘，這個握手過程會產生延時。圖2中tw包括STIM處理數據時間和一次握手延時。對于多字節幀的傳輸，會因為頻繁握手而產生大量延時；讀(或寫)數據DF期間，僅用到DOUTR(或DINW)，DINR(或 DOUTW)處于空閑狀態，這種簡化數據傳輸模式下兩根數據線傳輸數據利用率僅有50%。

2.2 基于LabVIEW的TII模型的仿真環境構建

NI公司LabVIEW圖形化程序設計環境，適用于構建 TII模型(具有硬件功能及實現各時序信號的嚴格配合)進行仿真及測試。

下面討論基于LabVIEW的TII模型的構建。TII模型的NSDET、NTRIG、NIOE邏輯關系的實現可通過LabVIEW的條件結構等實現。這里主要討論其數據傳輸功能的實現方法。圖3為TII模型讀寫數據程序框圖，數據傳輸按隊列緩存模式進行，圖(a)中TII模型，在NCAP端實現 NACK接收，DCLK產生及發送，DIN在DCLK負邊沿發送數據，DOUT在DCLK正邊沿接收數據；圖(b)中TII模型，在STIM端實現NACK翻轉及發送，DCLK接收，DIN在DCLK在正邊沿接收數據，DOUT在負邊沿發送數據。

圖3 TII模型讀寫數據程序框圖

3 提高TII模型性能的方法分析

筆者提出在應用中可提高模型性能的三種方法。

3.1 增加NACK翻轉傳輸位數的方法

由于NACK每次握手僅傳輸8位數據，對于多字節幀的傳輸，會因為頻繁握手而產生大量延時。對于某些IEEE 1451智能傳感器采用16位(或32位)處理器的場合，NACK每次翻轉傳輸8位數據與處理器位數不匹配的問題，將會產生系列的延時。因此可考慮根據處理器位數，將 NACK每次翻轉的傳輸位數相應增加至16位或者32位。

圖4為NACK翻轉傳輸不同位數的延時比較圖，圖中tDCLK表示DCLK時鐘周期，假設8位、16位和32位處理器處理相應位數數據的時間和完成一次握手產生的延時均相同(即tw相同)。傳輸32位數據，NACK每次翻轉傳輸32位數據比傳輸8位數據減少3次握手過程，減少延時t2=3(tw-tDCLK)。

圖4 NACK翻轉傳輸8、16、32位數據延時比較圖

表2為利用基于LabVIEW的TII模型的仿真環境得出的256bytes緩存區下NACK翻轉傳輸不同位數讀、寫數據性能表。以寫數據為例，NACK每次翻轉傳輸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翻轉傳輸不同位數讀、寫數據性能表

3.2 合理增加緩存區方法

STIM包含高采樣率緩沖序列傳感器或高速執行器需傳輸大量數據時，須合理增加緩存區，以實現一次觸發、連續讀寫數據來提高數據傳輸速率。

表3為利用基于LabVIEW的TII模型的仿真環境得出的不同緩沖區讀、寫數據性能表。以寫數據為例，緩存區 512bytes比 64bytes平均傳輸速率增加13.22%，但延時增加78.690ms。在應用的時候，需結合具體應用要求，對數據傳輸速率要求高而實時性要求不高的場合，合理增加緩存區。

表3 不同緩沖區讀、寫數據性能表

3.3 基于DIN、DOUT同步讀取數據方法

基于DIN、DOUT同步讀取數據的方法可提高數據線利用率，進而提高數據傳輸速率和減少延時。圖5為筆者改進的DIN、DOUT同步讀取數據時序圖。NCAP首先通過DIN寫入功能和通道地址(其中功能地址是STIM控制字中供用戶擴展的讀操作碼，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據。

圖5 DIN、DOUT同步讀取數據時序圖

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

表4 單雙通道讀數據性能表

4 結論

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

(2)、LabVIEW圖形化編程語言功能強大、擴展性強，非常適用于構建TII模型進行仿真及測試。

(3)、增加NACK翻轉傳輸位數方法適合于采用16位(或32位)處理器的場合，合理增加緩存區方法適合于對數據傳輸速率要求高而實時性要求不高的場合，基于DIN、DOUT同步讀取數據的方法適合于單向讀取多個關聯傳感器的場合。

[1] 童利標,陸文駿,于益.網絡化智能傳感器標準IEEE 1451.2的TII協議研究[J].傳感器世界,2006(03):37-40

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