理化生]《现代传感技术与系统》课件第四章

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1、第四章,智能传感器的外围技术,1,4.3 智能传感器的标准,4.3.1 智能传感器和系统的标准制定 4.3.2 IEEE 1451.1 4.3.3 IEEE 1451.2 4.3.4 IEEE P1451.3 4.3.5 IEEE P1451.4 4.3.6 把系统延伸到网络,第四章,智能传感器的外围技术,2,4.3 智能传感器的标准,近年来工业研究集中在对智能传感器的定义、功能和通信水平上，目的是为了实现在广泛范围内应用的互换性。具有局部决策能力的智能传感器，可作为与其它传感器和执行器对等的独立设备，或者作为网络中的智能节点进行通信。互换性使得不同网络中独立的操作通过不同的接口得以实现，这种

2、努力将加速发展并逐渐过渡到网络化智能换能器，并加快智能传感器和智能执行器的商业化进程。,第四章,智能传感器的外围技术,3,4.3 智能传感器的标准,4.3.1 智能传感器和系统的标准制定 1993年,IEEE和国家标准与测试学会NIST发起了一个活动，导致了两个标准的发展，即： l IEEE1451.1网络应用处理器信息模式 l IEEE1451.2换能器微处理器通信协议和换能器电子数据单（TEDS） 格式 l IEEE1451.3分布式多点系统的换能器电子数据单格式和数字通信 l IEEE1451.4混合型通信协议和换能器电子数据单格式 其中，IEEE145.1和1451.2已由IEEE通过

3、作为全能的应用标准被选定和接受。,第四章,智能传感器的外围技术,4,4.3 智能传感器的标准,在一个互换性网络中，许多新的术语和缩写词得到了发展去处理智能传感器的单元。TEDS就是一种具有换能器接口特性的机器可读规范。一个智能换能器接口模块STIM包括TEDS和辅助电子设备，辅助电子设备包括网络应用处理器（NCAP）到换能器之间的硬件接口，NCAP是一个支持网络接口应用功能的装置，通过一个或多个换能器可以进入到物理层。一个独立的换能器接口是一个10引脚的数字通信接口，它允许NCAP或主机获得传感器的显示内容或执行器的操作，以及TEDS的数据请求。,第四章,智能传感器的外围技术,5,4.3 智能

4、传感器的标准,如图4.3.1所示，四个标准通过NCAP把智能传感器（STIMS）、总线接口模块以及混合型换能器 等单元联系在一起。这些标准 提供了足够的细节，通过给元 件、子系统和系统的制造商提 供灵活性来获得互换性。,第四章,智能传感器的外围技术,6,4.3 智能传感器的标准,表4.3.1 对1451家族成员进行了比较，其主要的通用元素是TEDS以及支持TEDS的能力。通过硬件接口、元件间的距离、信号转换器和测量水平来辨别四个家族成员。IEEE1451.1和1451.2标准有数百 页之多。这里只能 择其主要作一概括 性介绍，有兴趣的 读者还请阅读实际 的文件及参考资料。,第四章,智能传感器的

5、外围技术,7,4.3 智能传感器的标准,4.3.2 IEEE 1451.1 IEEE1451.1规范为智能传感器和执行器基本系统的建立提供了简单的、完整的目标模型。一般来说，一个目标就是一组数据和操作的总和。目标模型由数据结构的定义及规范所组织的操作构成。对于IEEE1451.1，智能换能器目标模型包括一个换能器目标模型和换能器总线接口。IEEE1451.1把带有原版软件的PC和插卡的智能换能器模型标准化。该标准以多于一个网络层支持的板上智能形式为制造商提供附加功能。图4.3.2向我们展示了基本框架以及软件组成部分的参数、事件、运转、文件和定时器。,第四章,智能传感器的外围技术,8,4.3 智

6、能传感器的标准,第四章,智能传感器的外围技术,9,4.3 智能传感器的标准,1、网络应用处理器（NCAP） NACP包含一个带有嵌入式操作系统和计时能力的处理器。NCAPS的范围可以从带多通道STIMs扩展支持的简单元素到多端口的复杂设计。在NCAP内功能模块中，有基本换能器模块、非IEEE1451目标、几个软件程序但只有一个目标NCAP模块。目标的区分是依据目标的类别ID、类别名称、目标ID、目标标签、目标名称和目标发送地址等六个指标实现的。,第四章,智能传感器的外围技术,10,4.3 智能传感器的标准,IEEE1451.1标准为智能换能器提供了物理和逻辑上的规范。在图4.3.3中，实线代表

7、着系统的物理元件，而虚线提供了一个逻辑上的概念。传感器和执行器构成了一个通过接口和微处理机或微控制器相连的换能器。在1451.1中定义了网络协议逻辑接口和换能 器逻辑接口。IEEE1451.2定 义了换能器和NCAP之间的硬 件接口。接口是可供选择的， 1451.2和1451.1不相互依赖。 如果不要求对换能器的互换 性支持，则只使用1451.1， 如果不要求网络，则IEEE 1451.2也足够了。,第四章,智能传感器的外围技术,11,4.3 智能传感器的标准,2、网络通信模式 IEEE1451.1标准提供了目标之间两种网络通信模式。点对点用户/服务器模式可进行一对一通信。发布/订阅模式与一对

8、多和多对多通信模式有松散的对应关系。网络软件支持提供一个代码库，代码库含有IEEE1451.1与网络2之间的呼叫例程。,第四章,智能传感器的外围技术,12,4.3 智能传感器的标准,图4.3.4 表明了在IEEE1451.1中采用的用户/服务器模式。这种模式由两个补充性的应用层面上的操作来支持： l 在用户方的用户端 口的运行； l 在服务器方的运行； 这两种运行一起工 作，提供了一个远程目标操作运行风格的信息服务。,第四章,智能传感器的外围技术,13,4.3 智能传感器的标准,图4.3.5展示的是IEEE1451.1中使用的发布/订阅模式。这种模式为一种松散的通信方式，即发布方发布信息后不用

9、关心接收的方式。这种模式由两种操作支持： l 在发布端口目标的发布； l 增加订阅和在用户目标 端口的回应； 发布者和订阅者使用 一种域、密码、在标准中 定义的主题/认证的组合 方式使发布者从订阅端口选择感兴趣的订阅者。,第四章,智能传感器的外围技术,14,4.3 智能传感器的标准,3、IEEE1451.1实例 1451.1的附录展示了一个传感 器和执行器的NCAPs如何处理污水治 理系统的例子。这个例子提供了执 行这一标准的严格实施方案。图 4.3.6展示了一个PID控制系统在测 量和设定值的基础上通过周期性地 利用PH传感器上读取的数据来控制 水泵的速度。,第四章,智能传感器的外围技术,1

10、5,4.3 智能传感器的标准,3、IEEE1451.1实例 搅拌机控制器或开或关，取决于 水泵速度是高于还是低于给定的值。 测量结果记录在数据库中，用于自动 控制系统，或为自控系统的操作员提 供显示。污水处理系统的功能分为三 个NCAPs。水位控制和PH值控制用简 易的NCAPs,并分别实施以满足安全要 求。操作系统的运行是用一个PC NCAP作为系统操作界面和数据管理系统的主机。为系统开发软件功能将使1451.1得到充分利用。,第四章,智能传感器的外围技术,16,4.3 智能传感器的标准,4.3.3 IEEE 1451.2 IEEE1451.2定义了一个包 含硬件和软件的模块接口，用 于那些

11、不依赖于特定控制网络 的网络化换能器。这一标准引 进了STIM的概念，将TEDS定义 为STIM的一个组成部分，此外 还有TII、STIM与NCAP之间的 物理接口。图4.3.7展示了在IEEE1451.2中定义的各元素和网络之间的关系。注意到单一传感器或执行器或换能器的多个通道可同时存在于一个STIM中。下面重点解释STIM、TEDS、TII以及实现更高智能化系统的内置工具的要点。,第四章,智能传感器的外围技术,17,4.3 智能传感器的标准,1、STIM 图4.3.7中的STIM可以 包括1到255个不同类型的 换能器。STIM由一个NCAP 模块通过精密的数字接口 来控制。一个STIM如

12、果能: 支持要求的性能； 包括一个适当格式化的TEDS； 有一个实行TII线路、协议和计时的物理接口。 那么，我们就可以说它符合1451.2中定义的要求。,第四章,智能传感器的外围技术,18,4.3 智能传感器的标准,IEEE1451.2定义了六种换能器，其中有四种传感器、一个执行器和一个事件探测器。这四种传感器包括：传感器、缓冲传感器、数据序列传感器、缓冲数据序列传感器；它们都可以读取变量，将数据从模拟形式转变为数字形式，以此获得有效数据。另外两种换能器分别是执行器和事件序列传感器。 STIM对触发器的反应是很重要的。触发功能为NCAP发送命令给STIM，以触发信号告知某种行为将发生，并以触

13、发回应向STIM指出行为发生的时间。在标准中精心设计了基本流程以表明在保持和触发状态下传感器和执行器同时发生的行为。其他可能的触发选项包括： 触发缓冲传感器； 触发数据序列传感器； 触发缓冲数据序列传感器； 触发事件序列传感器。,第四章,智能传感器的外围技术,19,4.3 智能传感器的标准,当传感器STIM对一个NCAP触发作出反应时，换能器开始读数。读数完成后，STIM进行触发确认，NCAP读取数据。执行器STIM通过写入数据对NCAP触发作出反映并初始化换能器执行器。结束以后，STIM插入一个触发确认。 触发缓冲传感器除了数据从先前的触发器返回外，其余的反应和标准传感器相同。这意味着是一种

14、即时反映，但读数的时间是不确定的。 数据序列传感器的取样基于它对时间的选择，典型的是与物理层同步。当触发以后，传感器等待直到下一个采样时间，然后回送结果和一个ACK信号。,第四章,智能传感器的外围技术,20,4.3 智能传感器的标准,触发缓冲数据序列传感器除了将数据保存在数据缓冲区外，和触发数据序列传感器类似。触发确认与先前得到的数据几乎同时发生。如果在保持缓冲区被读取后，下一个采样数据还没得到之前再发生触发，确认信号不会返回，直到数据获取过程结束才能得到确认信号。 事件序列传感器与数据序列传感器相同，但它不会返回任何数据。对于这种传感器，相关信息是事件的时间。,第四章,智能传感器的外围技术,

15、21,4.3 智能传感器的标准,2、换能器电子数据单 TEDS将识别你想了解的关于换能器的重要信息，包含： l 换能器的生产商模型号版本号系列号设备型号换能 器日期编码； l 校准时间变量类型和使用局限； l 校准常数； l 信号转换数据模型模型长度重要二进制位； l 通道读/写时间设置采样周期加热时间刷新时间； l 电源要求（电压和电流）；最重要的：TEDS的长度和通道的数目。,第四章,智能传感器的外围技术,22,4.3 智能传感器的标准,14512中定义了八种TEDS存储器。TEDS的类型分别为机器可读的NCAP类型和人工可读的操作员类型。TEDS有两种必要类型和四种可选类 型。表4.3.

16、2列 出了定义在 1451.2中的TEDS 类型。,第四章,智能传感器的外围技术,23,4.3 智能传感器的标准,3、TII 用于IEEE 1451.2的标准数字接口TII，是一个类似于SPI接口的时钟串行接口。它定义了十种电气连接如下： l 引线 DIN：正逻辑，由NCAP驱动，从NCAP向STIM传送地址和数据； l 引线 DOUT：正逻辑，由STIM驱动，从STIM向NCAP传送数据； l 引线 DCLK：正逻辑，由NCAP驱动，正向边沿有效，在DIN和DOUT封 锁数据； l 引线 NIOE：低电平逻辑激活，由NCAP驱动，激发数据传送信号并 界定数据传送框架； l 引线 NTRIG：负逻辑，由NCAP驱动，执行触发功能；,第四章,智能传感器的外围技术,24,4.3 智能传感器的标准,l 引线 NACK：负逻辑，由STIM驱动，触发确认和数据传送确认； l 引线 NINT：负逻辑，由STIM驱动，由STIM使用向NCAP提出服 务申请； l 引线 NSDET：低电平逻辑激活，由STIM驱动，由NCAP探测