IEEE 1451.4 1类MMI智能传感器数字驱动器电路

IEEE® 1451.4 混合模式接口 （MMI） 是传感器与支持网络的应用处理器 （NCAP） 或数据采集系统 （DAS） 之间的模拟信号和数字传感器电子数据表 （TEDS） 的连接。IEEE 1451.4 标准定义了两类 MMI。在1类中，TEDS与模拟功能共用一根线，使用负电压进行通信。2类为TEDS提供自己的一对电线，并使用正电压进行通信。因此，2类器件与1-Wire®驱动器（主站）直接兼容。由于通信电压为负，1类需要更复杂的驱动电路。本文档介绍如何构建 IEEE 1451.4 1 类 MMI 以访问 TEDS。

IEEE 1451.4 1 类 MMI 智能传感器数字驱动器电路

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抽象

IEEE® 1451.4 混合模式接口 （MMI） 是传感器与支持网络的应用处理器 （NCAP） 或数据采集系统 （DAS） 之间的模拟信号和数字传感器电子数据表 （TEDS） 的连接。IEEE 1451.4 标准定义了两类 MMI。在1类中，TEDS与模拟功能共用一根线，使用负电压进行通信。2类为TEDS提供自己的一对电线，并使用正电压进行通信。因此，2类器件与1-Wire®驱动器（主站）直接兼容。由于通信电压为负，1类需要更复杂的驱动电路。本文档介绍如何构建 IEEE 1451.4 1 类 MMI 以访问 TEDS。

本文的类似版本分两期出现，分别是2011年4月1日和2011年4月6日，分别出现在EE Times网站上。

介绍

最初，没有用于混合模式传感器和网络应用处理器（NCAP）的数字通信接口标准。每个传感器制造商都定义了自己的接口。因此，传感器制造商无法支持其产品可能适合的所有控制网络。为了解决这个问题，IEEE仪器与测量学会的传感器技术技术委员会发起了一项倡议，为传感器和执行器的智能传感器接口，混合模式通信协议和传感器电子数据表（TEDS）格式创建标准。该倡议的结果是IEEE 1451.4-2004，它被公认为美国国家标准（ANSI）。

该标准的一些主要目标是：

在传感器级别实现即插即用。这是通过提供通用的传感器通信接口来实现的。

启用并简化智能传感器的创建。

简化仪表系统的设置和维护。

能够以最少的内存使用实现智能传感器。

该标准描述了以下元素：

传感器，包含一个混合模式接口（MMI）和一个传感器电子数据表（TEDS）。

MMI，用于访问TEDS。

TEDS，作为驻留在换能器内部的存储芯片实现。

描述 TEDS 数据结构的模板。

模板描述语言 （TDL）。

一个称为传感器块的软件对象，用于使用 TDL 访问、解码和编码 TEDS。

符合IEEE 1451.4标准的传感器通过TEDS提供自描述功能。本应用笔记讨论了NCAP（数据采集系统）上用于访问TEDS的数字驱动器电路。

IEEE 1451.4 混合模式接口 （MMI）

IEEE 1451.4 MMI 是传感器与 NCAP 或数据采集系统 （DAS） 之间的模拟信号和数字 TEDS 数据连接。IEEE 1451.4 标准定义了两类 MMI。在1类中，TEDS与模拟功能共用一根电线，并使用负电压进行通信。2类为TEDS提供自己的一对电线，并使用正电压进行通信。因此，2类器件与Maxim的1-Wire驱动器（主机）直接兼容，如应用笔记4206：“为嵌入式应用选择合适的1-Wire®主机”中所述。由于通信电压为负，1类需要更复杂的驱动电路。

在1类中，MMI有三种变体，使用两根，三根或四根电线与传感器或TEDS通信。这些接口的共同特点是模拟和数字功能之间共用一根线。共享线路可以是信号、电源或返回。

图1显示了具有共享信号线的典型2线恒流供电传感器。通过反转信号线上的极性，二极管允许顺序访问放大器或TEDS存储器。当控制开关处于“模拟”位置时，DAS 内部的正电流源通过信号线和上二极管为放大器供电。传感器输出作为信号线上的模拟电压存在。当控制开关处于“数字”位置时，存储器器件由负逻辑电源通过下部二极管供电。电路显示了一个下拉电阻（Rt） 跨越 TEDS 存储芯片的端子。该电阻对存储器电路和接线的电容放电，确保在适当的时序内满足逻辑0电压。

图1.IEEE 1451.4 1 类 MMI，共享信号线。

图2显示了具有共享电源线的3线电压供电传感器的框图。信号线专用于将传感器的模拟输出电压传输到 DAS。通过反转电源线上的极性，二极管允许顺序访问放大器或TEDS存储器。当控制开关处于“模拟”位置时，DAS 的正电源通过上二极管为放大器供电。当控制开关处于“数字”位置时，存储器器件由负逻辑电源通过下部二极管供电。

图2.IEEE 1451.4 1 类 MMI，共享电源线。

图3增加了另一根导线，从而创建了一个具有共享返回线（通常是接地连接或屏蔽）的4线电压供电传感器。传感器和TEDS存储器有独立的电源，理论上可以同时工作。选择模拟和数字模式的开关仍然存在;其目的是在使用传感器时禁用数字功能。这最大限度地减少了由于共享回路上的压降而导致模拟信号和数字TEDS数据之间的相互干扰引起的噪声。二极管和Rt此配置实际上不需要。可以省略电阻，用短路代替二极管。

图3.IEEE 1451.4 1 类 MMI，共享返回线。

泰德斯的记忆

用作TEDS的典型存储芯片是DS2430A 256位1线EEPROM。由于芯片没有V抄送引脚（即寄生供电），它只有两个引脚，IO 和 GND。 IEEE 标准第 8.1.2 节中的框图不按名称引用这些引脚。相反，他们使用“+”表示IO，使用“-”表示GND。 图 4 显示了符合 IEEE 1451.4 标准的传感器的数字部分，其中包含实际部件号和引脚名称。该标准（第 8.5 节，家族代码）没有为 TEDS 内存指定特定的家族代码。因此，允许使用DS2430A以外的2引脚1线存储器芯片。通用二极管1N4148可以用肖特基二极管代替，肖特基二极管的正向电压约为0.3V。R型t电阻值并不重要。该电路用100kΩ进行测试。

图4.1 类传感器，TEDS 实现详细信息。

构建1类MMI数字驱动器电路

1-Wire器件在空闲时（上拉电压）时以3V至5V的信号电平工作，在工作时以0V的信号电平工作。该电压是在端子IO（正）和GND（负）之间测量的，如芯片所示。1 类 MMI 将 IO 引脚连接到 0V，并调制存储芯片 GND 引脚上的负电压（图 5）。与正常的1-Wire信号电平相比，MMI信号反相并偏移到负侧5V。

图5.信号电平正常 1 线与 1 类 MMI。

存储芯片无法分辨，也不关心其端子上的电压是如何产生的。响应时，它只是在其端子之间施加短路，持续一段时间。在“正常情况下”，IO上观察到此短路为~0V。在 1 类 MMI 的情况下，短路将数字通信线路的电压从 -5V（空闲）提高到 -VF二极管 （-0.7V）。

MMI 驱动程序说明

图6显示了MMI驱动器的电路。该电路由正向路径（顶部、主站到传感器、写入）和返回路径（底部、传感器到主站、读取）组成。符合 IEEE 1451.4 标准的传感器通过模拟/数字开关连接到 TP4。返回线连接到驱动器的 0V （GND）。TP2和TP6的信号电平对应于正常的1-Wire电平（空闲5V，有源0V）。V+对应于微控制器的工作电压，可能在3V至5V的范围内。 TP2将连接到微控制器的漏极开路输出（写）端口;TP6 连接到输入端口。

图6.1 类 MMI 数字驱动器，连接传感器。

连接双向1线主机

连接双向主机需要图7所示的附加电路。由于电平转换部分上升沿和下降沿的传播不相等，当正工作电压过高时，带有双向1-Wire主机的MMI驱动器变得不稳定。因此，正电源需要限制在大约3.3V。因此，双向主机必须为3V类型，如DS2482。使用5V双向主机（例如DS2480B）会导致模拟开关COM和NO引脚的电压超过V+电平，这违反了允许的工作条件。

图7.附加电路，用于连接双向1-Wire主机。

验证

图6所示电路使用图7所示的插件进行了测试。1-Wire主机为DS9097U-S09，基于DS2480B驱动芯片。为确保稳定性，正电源（V+）设置为3.4V。1-Wire主机工作在5V电压，违反了MAX4561模拟开关关于电压不高于电源电压的要求。这解释了TP2信号上的伪影，但对电路功能没有不利影响。

复位/存在检测周期

图8显示了TP2（顶部迹线）、TP4（中心迹线）和TP6（底部迹线）的信号。由于传感器中的二极管，当从机置位其存在脉冲时，不会完全达到0V电平。底部迹线显示干净的存在脉冲。TP6 处的正幅度对应于 V+ 的 3.4V。

图8.复位/PD 序列。

读取时间段

图 9 显示了与之前相同的节点（TP2 = 顶部迹线，TP4 = 中心迹线，TP6 = 底部迹线）。第一个插槽读取 1，第二个插槽读取 0。

图9.通信时隙。

结论

本文介绍的电路非常适合作为1-Wire主机的微控制器，使用单独的端口进行读写。然而，应用软件中生成时隙和复位/存在检测周期的部分具有严格的时序要求，可能需要用汇编语言编写。用于双向1-Wire驱动器芯片的附加电路允许使用高级语言进行应用软件开发。

由于其异步工作，当主机停止将1-Wire线路拉低时，附加电路会引起毛刺。读取零点时，毛刺会触发驱动器的有源上拉，从而导致驱动器上拉与MAX4561下拉之间发生冲突。因此，当与DS2482驱动器配合使用时，应关断有源上拉。毛刺也是双向1-Wire驱动器的附加电路不能容忍主机侧的1-Wire从机的原因。

审核编辑：郭婷