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1、9.4 网络化智能传感器9.4.1提出背景提出背景9.4.2标准标准9.4.3特点特点上一页下一页返 回9.4.1 提出背景 l现代信息技术的三大基础：现代信息技术的三大基础：传感器技术传感器技术：信息的采集：信息的采集 “感官感官”通通 信信 技技 术术 ：信息的传输：信息的传输 “神经神经”计算机技术计算机技术：信息的处理：信息的处理 “大脑大脑”l三大技术的结合给信息化带来了巨大的三大技术的结合给信息化带来了巨大的促进作用。促进作用。 上一页下一页返 回三大技术的结合三大技术的结合第一种结合：第一种结合：计算机技术传感器技术计算机技术传感器技术智能传感器智能传感器第二种结合：第二种结合：
2、计算机技术通信技术计算机技术通信技术计算机网络技术计算机网络技术第三种结合：第三种结合：计算机网络技术智能传感器计算机网络技术智能传感器网络化智能传感器网络化智能传感器传传统统测测控控系系统统的的信信息息采采集集、数数据据处处理理等等方方式式产产生生质质的的飞飞跃跃各种现场数据直接在网络上传输、发布与共享；各种现场数据直接在网络上传输、发布与共享；测测控控系系统统本本身身也也发发生生了了质质的的飞飞跃跃可可在在网网络络上上任任何何节节点点对对现现场场传传感感器器进进行行在在线线编编程程和和组组态态，使使测测控控系系统统的的结结构构和功能产生了重大变革。和功能产生了重大变革。上一页下一页返 回通
3、用智能化传感器的接口标准通用智能化传感器的接口标准l1993年：年：Kang Leel1993年年9月，月，IEEE第九技术委员会第九技术委员会(传感器测量传感器测量和仪器仪表技术协会和仪器仪表技术协会)决定制定一种网络化智能决定制定一种网络化智能传感器通讯接口的协议。传感器通讯接口的协议。l1994年年3月，美国国家技术标准局月，美国国家技术标准局(NIST)和和IEEE共同组织一次关于制定智能传感器接口和智能传共同组织一次关于制定智能传感器接口和智能传感器连接网络通用标准的研讨会。感器连接网络通用标准的研讨会。l连续主办了连续主办了4次关于这方面的研讨会，讨论次关于这方面的研讨会，讨论IE
4、EE 1451传感器执行器智能变送器接口标准。传感器执行器智能变送器接口标准。 上一页下一页返 回1995年年4月月，成成立立了了两两个个专专门门的的技技术术委委员员会会：P1451.1工作组和工作组和P1451.2工作组。工作组。P1451.1工工作作组组主主要要负负责责定定义义智智能能变变送送器器的的公公共共对对象象模模型型和相应的接口；和相应的接口；P1451.2工工作作组组主主要要定定义义TEDS和和数数字字接接口口标标准准，包包括括STIM和和NACP之之间间的的通通讯讯接接口口协协议议和和管管脚脚分分配配。1995年年5月给出了相应的标准草案和演示系统。月给出了相应的标准草案和演示
5、系统。IEEE分分别别在在1997年年和和1999年年投投票票通通过过了了IEEE1451.2和和IEEE1451.1两两个个网网络络化化智智能能传传感感器器标标准准，同同时时新新成成立立了了两两个个工工作作组组对对1451.2标标准准进进行行进进一一步步的的扩扩展，即展，即IEEEP1451.3和和IEEEP1451.4。上一页下一页返 回9.4.2标准标准IEEE1451IEEE1451标准标准标准标准l组成：组成：1451.1、1451.2、P1451.3和和P1451.4。上一页下一页返 回有关术语有关术语：(1)STIM(SmartTransducerInterfaceModule，
6、智智能变送器接口模块能变送器接口模块)(2)NCAP(NetworkedCapableApplicationProcessor，网络适配器网络适配器)(3)TII(TransducerIndependentInterface，传感传感器独立接口器独立接口)(4)TEDS(TransducerElectronicDataSheet，传传感器电子数据表格感器电子数据表格)上一页下一页返 回IEEE1451.2智能传感器接口模型示例智能传感器接口模型示例(a)温度传感器温度传感器STIM(b)八通道数字输入输出八通道数字输入输出STIM(c)四通道四通道STIM(d)传感器和执行器传感器和执行器ST
7、IM上一页下一页返 回TII接口信号线与控制线示意图接口信号线与控制线示意图上一页下一页返 回TII接口管脚分配表接口管脚分配表管脚号管脚号信号名称信号名称线色分配线色分配信号相对信号相对NCAP方向方向信号相对信号相对STIM方向方向1DCLKBrownOUTIN2DINRedOUTIN3DOUTOrangeINOUT4NACKYellowINOUT5COMMONGreenPOWERPOWER6NIOEBlueOUTIN7NINTVioletINOUT8NTRIGGrayOUTIN9POWER(+5VDC)WhitePOWERPOWER10NSDETBlackINOUT上一页下一页返 回TI
8、I接口信号定义接口信号定义信号线信号线逻辑逻辑驱动源驱动源功能功能DIN正逻辑正逻辑NCAP从从NCAP向向STIM传输地址和数据传输地址和数据DOUT正逻辑正逻辑STIM从从STIM向向NCAP传输数据传输数据DCLKNCAP串口数据时钟串口数据时钟NIOENCAP启动地址或数据传输启动地址或数据传输NTRIGNCAP触发信号触发信号NACKSTIM1.触发应答触发应答2.数据传输应答数据传输应答NINTSTIM由由STIM使用使用,向向NCAP请求任务请求任务NSDETSTIM由由NCAP检测检测STIM存在与否存在与否POWERN/ANCAP5VCOMMONN/ANCAP信号公共端或地信
9、号公共端或地上一页下一页返 回(4)TEDS传感器电子数据表格传感器电子数据表格描述了描述了STIM和传感器相关的参数：和传感器相关的参数：传感器生产商的名称、传感器的类型和序列号等。传感器生产商的名称、传感器的类型和序列号等。每每个个STIM可可以以拥拥有有多多达达255个个传传感感器器或或执执行行器器通通道道，而而每每个个通通道道所所对对应应的的物物理理量量各各不不相相同同，变变送送器器的的物物理理特特性性差差别别较较大大，因因此此分分别别有有相相对对应应的的一一些些参参数数。这这些些参参数数都都存存在在相相应应的的数数据据表表中中，在在使使用用过过程程中中，如如需需要要相相应应的的参参数
10、数，则则到到相相应应的单元读取即可。的单元读取即可。IEEE1451.2标准共规定了标准共规定了8种不同的数据表格种不同的数据表格 上一页下一页返 回IEEE1451.2标准规定的数据表格标准规定的数据表格总总体体TEDS（Meta-TEDS）：包包含含这这个个STIM的的总总体体信信息息，如如TEDS数数据据结结构构，最最坏坏情情况况下下的的时时序序参参数数和通道数等；和通道数等；通通道道TEDS（ChannelTEDS）：包包含含该该通通道道的的具具体体信信息息，如如上上、下下限限，物物理理单单位位，预预热热时时间间，有有无无自自检检测测，不不确确定定度度，数数据据模模型型，标标定定模模型
11、型以以及及触触发发参参数等。数等。标标定定TEDS（CalibrationTEDS）：包包含含最最新新的的标标定定数数据据、标标定定间间隔隔以以及及支支持持多多段段标标定定模模型型所所需需的的全全部部参数。参数。总总体体识识别别TEDS（Meta-IdentificationTEDS）：提提供供了了STIM识识别别信信息息的的人人工工可可读读的的版版本本，内内容容包包括括制造商、类型号、序列号、日期和产品描述；制造商、类型号、序列号、日期和产品描述；上一页下一页返 回通通道道识识别别TEDS（ChannelIdentificationTEDS）：可可选选的的，人人工工可可读读的的。它它包包含含
12、的的信信息息和和总总体体识识别别TEDS的相似，只是它为一个通道服务。的相似，只是它为一个通道服务。标标定定识识别别TEDS（CalibrationIdentificationTEDS）：可可选选的的，人人工工可可读读的的。它它提提供供了了同同每每个个通通道道的的标标定定相关的一个人工可读的版本。相关的一个人工可读的版本。终终 端端 用用 户户 应应 用用 特特 定定 的的 TEDS（ EndUsersApplication-specificTEDS）：每每个个STIM可可以以有有多多个个，它它也也是是可可选选的的，人人工工可可读读的的。它它包包含含上上面面的的TEDS数数据据块块都都没没有有
13、包包括括的的附附加加信信息息，例例如如STIM的的位置，或者一个服务者的电话号码等。位置，或者一个服务者的电话号码等。扩扩展展TEDS（GenericExtensionTEDSDataBlock）：它也是可选的，用于实现对它也是可选的，用于实现对1451.2的扩展。的扩展。上一页下一页返 回1.IEEE1451.1标准标准 lIEEE 1451.1是应用现有的各种网络技术，是应用现有的各种网络技术，开发出从智能传感器到网络的标准连接开发出从智能传感器到网络的标准连接方法，而对使用何种网络协议和网络收方法，而对使用何种网络协议和网络收发器没有限制。发器没有限制。l通过定义网络化智能传感器组件的一
14、个通过定义网络化智能传感器组件的一个公共对象模型以及这些组件之间的接口公共对象模型以及这些组件之间的接口标准来制订出标准化连接方法。标准来制订出标准化连接方法。 上一页下一页返 回IEEE1451.1的实现的实现上一页下一页返 回2.IEEE1451.2标准标准 通通过过一一个个电电子子数数据据表表格格(TEDS),使使传传感感器器模模型型具具有有“即即插插即用即用(plug-and-play)”兼容性。兼容性。标标准准规规定定了了一一个个连连接接传传感感器器到到微微处处理理器器的的数数字字接接口口(TII)，描描述述了了电电子子数数据据表表格格(TEDS)及及其其数数据据格格式式，定定义义了
15、了一一系系列列的的读读写写逻逻辑辑等等。一一个个STIM由由传传感感器器/执执行行器（组）、信号调理与变换、逻辑接口和器（组）、信号调理与变换、逻辑接口和TEDS组成。组成。标标准准中中仅仅定定义义了了接接口口逻逻辑辑和和TEDS的的格格式式，其其它它部部分分由由各各传感器制造商自主实现。传感器制造商自主实现。标标准准提提供供了了一一个个连连接接STIM和和NCAP的的10线线的的标标准准接接口口TII，使使传传感感器器制制造造商商可可以以把把一一个个传传感感器器应应用用到到多多种种网网络络和应用中。和应用中。上一页下一页返 回IEEE1451.2传感器标准传感器标准l传统的传感器传统的传感器
16、设计者往往要为在不同的设计者往往要为在不同的网络和传感器之间建立通讯而进行大量网络和传感器之间建立通讯而进行大量的复杂工作。的复杂工作。lIEEE 1451.2传感器标准传感器标准将大大简化由传将大大简化由传感器或执行器到微处理器，以及网络的感器或执行器到微处理器，以及网络的连接，从而构成各种网络控制系统，为连接，从而构成各种网络控制系统，为人们提供一个工业标准的接口。人们提供一个工业标准的接口。 上一页下一页返 回IEEE1451.2的实现的实现上一页下一页返 回3.IEEE1451.3标准标准 l定义一个定义一个标准的物理接口标准的物理接口，以多点设置的方式，以多点设置的方式连接多个分散的
17、传感器。连接多个分散的传感器。l在某些情况下，不可能把在某些情况下，不可能把NCAP嵌入在传感器嵌入在传感器中。中。IEEE 1451.3标准以一种标准以一种“小总线小总线”方式方式实现传感器总线接口模块（实现传感器总线接口模块（TBIM），），这种小这种小总线因足够小且便宜可以轻易地嵌入到传感器总线因足够小且便宜可以轻易地嵌入到传感器中，从而允许通过一个简单的控制逻辑接口进中，从而允许通过一个简单的控制逻辑接口进行大量的数据转换。行大量的数据转换。 上一页下一页返 回IEEE1451.3的实现的实现上一页下一页返 回4.IEEEP1451.4标准标准 定定义义一一个个允允许许模模拟拟量量传传
18、感感器器以以数数字字信信号号模模式式（或或混合模式）通讯的标准。混合模式）通讯的标准。目的：目的：传感器能进行自识别和自设置。传感器能进行自识别和自设置。此此标标准准同同时时建建议议数数字字TEDS数数据据的的通通讯讯将将与与使使用用最最少少量量的的线线远远远远少少于于IEEE1451.2标标准准所所需需的的10根线的传感器的模拟信号共享。根线的传感器的模拟信号共享。构成：构成：传感器传感器TEDS混合模式的接口混合模式的接口MMI。上一页下一页返 回IEEEP1451.4定定义义一一个个混混合合模模式式传传感感器器接接口口标标准准，建建立立一一个个标标准准允允许许模模拟拟输输出出的的混混合合
19、模模式式的的传传感感器与器与IEEE1451兼容的对象进行数字通信。兼容的对象进行数字通信。每每一一个个IEEE P1451.4兼兼容容的的混混合合模模式式传传感感器器将将至至少少由由一一个个传传感感器器、传传感感器器电电子子数数据据表表格格TEDS和和控控制制和和传传输输数数据据进进入入不不同同的的已已存存在在的的模模拟拟接接口的接口逻辑。口的接口逻辑。上一页下一页返 回IEEEP1451.4的实现的实现上一页下一页返 回9.4.3 特点 标准化的接口和软硬件定义标准化的接口和软硬件定义 即插即用性，与具体网络无关即插即用性，与具体网络无关 自我表述和自识别能力自我表述和自识别能力广泛的应用
20、范围广泛的应用范围 上一页下一页返 回(1)标准化的接口和软硬件定义标准化的接口和软硬件定义定定义义了了传传感感器器或或执执行行器器的的软软硬硬件件接接口口标标准准，为为传传感感器器或或执执行行器器提提供供了了标标准准化化的的通通讯讯接接口口和和软软硬件的定义，硬件的定义，使使不不同同的的现现场场网网络络之之间间可可以以通通过过应应用用IEEE1451定义的接口标准互连，可以互操作，定义的接口标准互连，可以互操作，使使传传感感器器的的厂厂家家、系系统统集集成成者者和和最最终终用用户户有有能能力力以以低低成成本本去去支支持持多多种种网网络络和和传传感感器器家家族族，简简化连线，降低了系统总的成本
21、；化连线，降低了系统总的成本；上一页下一页返 回(2)即插即用性，与具体网络无即插即用性，与具体网络无关关由于由于IEEE1451为传感器到微处理器、到网络建为传感器到微处理器、到网络建立了一个通用的接口标准，以及通过通用的立了一个通用的接口标准，以及通过通用的TEDS和和API，建立了一个面向对象的信息模型，建立了一个面向对象的信息模型，简化了传感器到微处理器、网络的连接，使软简化了传感器到微处理器、网络的连接，使软件容易移植和维护，使得基于件容易移植和维护，使得基于IEEE1451的传的传感器在多种现场网络的不同设备之间能够即插感器在多种现场网络的不同设备之间能够即插即用，与具体的网络无关
22、。即用，与具体的网络无关。上一页下一页返 回(3)自我表述和自识别能力自我表述和自识别能力TEDS是是1451.2最最重重要要的的技技术术革革新新之之一一,它它是是一一个个的的通通用用传传感感器器模模型型，可可以以支支持持很很多多种种类类的的传传感感器与执行器。器与执行器。使使传传感感器器具具有有了了自自我我描描述述能能力力和和自自我我识识别别能能力力。它它可可以以充充分分描描述述传传感感器器的的类类型型、行行为为、性性能能属属性性和和相相关的参数。关的参数。TEDS由由一一些些域域组组成成，它它们们被被嵌嵌入入传传感感器器，和和传传感感器器一一起起移移动动，这这样样一一来来，使使用用一一个个
23、传传感感器器所所需需的的所所有信息总是随时可得的。有信息总是随时可得的。上一页下一页返 回(4)广泛的应用范围广泛的应用范围基基于于IEEE1451的的网网络络化化智智能能传传感感器器，不不仅仅包包括括各各种种现现场场总总线线，也也包包括括INTERNET等等网网络络，因因而具有广泛的应用范围。而具有广泛的应用范围。传统的各种现场总线应用：传统的各种现场总线应用：工业自动化领域，尤其是在工厂控制现场，工业自动化领域，尤其是在工厂控制现场，无线网络传感器应用：无线网络传感器应用：一一些些地地域域分分布布范范围围广广的的测测控控领领域域,如如水水文文勘勘测测、环环境境监监测测、气气象象、农农业业信信息息化化等等方方面面受受到到一一定定的的限限制制。在这些场合，。在这些场合，。上一页返 回
