IEEE1415網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展及應(yīng)用討論
| 摘要：IEEE 1451標(biāo)準(zhǔn)由IEEE 1451.1、1451.2、P1451.3和P1451.4組成。它定義了一套連接傳感器到網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)化通用接口，建立了網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器的框架，這使得傳感器制造商有能力支持多種網(wǎng)絡(luò)。然而，IEEE 1451標(biāo)準(zhǔn)在應(yīng)用中存在著一些困難。本文簡要介紹IEEE 1451標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容和發(fā)展過程，分析限制該標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用的一些原因，討論IEEE 1451.x標(biāo)準(zhǔn)之間的關(guān)系，給出一個(gè)用于機(jī)器人手爪的基于IEEE 1451.1標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器的例子。 一、引言 為了解決傳感器與各種網(wǎng)絡(luò)相連的問題，以Kang Lee為首的一些有識之士在1993年就開始構(gòu)造一種通用智能化傳感器的接口標(biāo)準(zhǔn)。在1993年9月，IEEE第九屆技術(shù)委員會(huì)即傳感器測量和儀器儀表技術(shù)協(xié)會(huì)決定制定一種智能傳感器通訊接口的協(xié)議，在1994年3月，美國國家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)局NIST和IEEE共同組織了一次關(guān)于制定智能傳感器接口和制定智能傳感器連接網(wǎng)絡(luò)通用標(biāo)準(zhǔn)的研討會(huì)，從這以后已連續(xù)舉辦了4次會(huì)議，討論這種標(biāo)準(zhǔn)建立方面的細(xì)節(jié)問題，即IEEE 1451傳感器／執(zhí)行器智能變送器接口標(biāo)準(zhǔn)。直到1995年4月，成立了兩個(gè)專門的技術(shù)委員會(huì)：P1451.1工作組和P1451.2工作組。P1451.1工作組主要負(fù)責(zé)對智能變送器的公共目標(biāo)模型進(jìn)行定義和對相應(yīng)模型的接口進(jìn)行定義；P1451.2工作組主要定義TEDS和數(shù)字接口標(biāo)準(zhǔn)，包括STIM和NACP之間的通訊接口協(xié)議和管腳定義分配。1995年5月即給出了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)草案和演示系統(tǒng)。經(jīng)過幾年的努力，IEEE會(huì)員分別在1997年和1999年投票通過了其中的IEEE 1451.2和IEEE 1451.1兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)新成立了兩個(gè)新的工作組對1451.2標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行進(jìn)一步的擴(kuò)展，即IEEE P1451.3和IEEE P1451.4。IEEE、NIST和波音、惠普等一些大公司積極支持IEEE1451，并在傳感器國際會(huì)議上進(jìn)行了基于IEEE 1451標(biāo)準(zhǔn)的傳感器系統(tǒng)演示。 二、網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器IEEE 1451標(biāo)準(zhǔn)簡介 1、IEEE 1451.2標(biāo)準(zhǔn) 1451.2標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了一個(gè)連接傳感器到微處理器的數(shù)字接口，描述了電子數(shù)據(jù)表格TEDS（Transducer Electronic Data Sheet）及其數(shù)據(jù)格式，提供了一個(gè)連接STIM和NCAP的10線的標(biāo)準(zhǔn)接口TII，使制造商可以把一個(gè)傳感器應(yīng)用到多種網(wǎng)絡(luò)中，使傳感器具有“即插即用（plug-and-play）”兼容性。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)沒有指定信號調(diào)理、信號轉(zhuǎn)換或TEDS的如何應(yīng)用，由各傳感器制造商自主實(shí)現(xiàn)，以保持各自在性能、質(zhì)量、特性與價(jià)格等方面的競爭力。 2、IEEE 1451.1標(biāo)準(zhǔn) IEEE 1451.1定義了網(wǎng)絡(luò)獨(dú)立的信息模型，使傳感器接口與NCAP相連，它使用了面向?qū)ο蟮哪Ｐ投x提供給智能傳感器及其組件。如圖3所示為1451.1標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)模型示意圖。該模型由一組對象類組成，這些對象類具有特定的屬性、動(dòng)作和行為，它們?yōu)閭鞲衅魈峁┮粋€(gè)清楚、完整的描述。該模型也為傳感器的接口提供了一個(gè)與硬件無關(guān)的抽象描述。該標(biāo)準(zhǔn)通過采用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用編程接口（API）來實(shí)現(xiàn)從模型到網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的映射。同時(shí)，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)以可選的方式支持所有的接口模型的通信方式，如其它的IEEE 1451標(biāo)準(zhǔn)提供，如STIM、TBIM（Transducer Bus Interface Module）和混合模式傳感器。 1451.1標(biāo)準(zhǔn)支持的現(xiàn)場設(shè)備和應(yīng)用提供了很多優(yōu)點(diǎn)，如豐富的通信模型、支持客戶機(jī)/服務(wù)器模型和發(fā)布/訂閱模型、強(qiáng)有力的模型簡化了分布式測控系統(tǒng)軟件的開發(fā)和系統(tǒng)的復(fù)雜度、模塊化的結(jié)構(gòu)可以容易的定制任意大小的系統(tǒng)、現(xiàn)場總線無關(guān)、總線和現(xiàn)場設(shè)備對應(yīng)用來說是透明的，等等。 IEEE 1415.2傳感器接口標(biāo)準(zhǔn)的功能框架 IEEE 1451.1標(biāo)準(zhǔn)是圍繞著面向?qū)ο笙到y(tǒng)技術(shù)建立的，這些系統(tǒng)中的核心是類的概念。一個(gè)類描述功能模塊所共有的特征，這些功能模塊被稱為實(shí)例或?qū)ο??；绢惖母拍畋桓郊拥囊?guī)范所擴(kuò)展以用于IEEE 1451.1。這些規(guī)范包括發(fā)布集合（類所產(chǎn)生的事件），訂閱集合（類所相應(yīng)的時(shí)間），狀態(tài)機(jī)（一個(gè)大規(guī)模的狀態(tài)轉(zhuǎn)換規(guī)則標(biāo)準(zhǔn)集）以及一組數(shù)據(jù)類型的定義（提供互用性所必需的一部分特性）。 IEEE 1451.1實(shí)現(xiàn)模型 3、IEEE P1451.3標(biāo)準(zhǔn) IEEE P1451.3提議定義一標(biāo)準(zhǔn)的物理接口指標(biāo)，為以多點(diǎn)設(shè)置的方式連接多個(gè)物理上分散的傳感器。這是非常必要的，比如說，在某些情況下，由于惡劣的環(huán)境，不可能在物理上把TEDS嵌入在傳感器中。IEEE P1451.3標(biāo)準(zhǔn)提議以一種“小總線”（mini-bus）方式實(shí)現(xiàn)變送器總線接口模型（TBIM），這種小總線因足夠小且便宜可以輕易的嵌入到傳感器中，從而允許通過一個(gè)簡單的控制邏輯接口進(jìn)行******量的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。 IEEE P1451.3允許變送器的制造商以很高的性能價(jià)格比且系統(tǒng)內(nèi)部可操作的特點(diǎn)生產(chǎn)變送器。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)既允許以相對較低的采樣速率和合適的時(shí)序要求來設(shè)計(jì)和生產(chǎn)簡單的設(shè)備，同時(shí)，在另一方面，也可兼容高達(dá)幾兆帶寬和小到納秒的時(shí)序要求的設(shè)備。也就是說，這兩種不同頻譜的設(shè)備能夠和平的共處于同一條總線上。圖4所示為IEEE P1451.3的物理連接表示。在圖4中，一條單一的傳輸線既被用作支持變送器的電源，又用來提供總線控制器與變送器總線接口模型TBIM的通信。這條總線可具有一個(gè)總線控制器和多個(gè)TBIM。網(wǎng)絡(luò)適配器（NCAP）包含了總線的控制器和支持很多不同終端、NCAP和變送器總線的網(wǎng)絡(luò)接口。如果變送器總線存在于網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部，總線控制器只能在NCAP中；否則，它應(yīng)該設(shè)在主機(jī)或其它的設(shè)備中。一個(gè)變送器總線接口模型TBIM可以有一到多個(gè)不同的變送器。 所有TBIM都包含有五個(gè)通信函數(shù)，如表1所示。這些通信函數(shù)將在一個(gè)物理傳輸媒介上最少利用其中兩個(gè)通信通道。通信通道將與啟動(dòng)變送器的電源共享這個(gè)物理媒介。對高功耗的變送器來說，通過通信電纜共享也許是不夠的，這時(shí)可提供外電源來驅(qū)動(dòng)變送器。 最簡單的系統(tǒng)只含有總線管理通信通道，它被用作所有的通信通道。總線通信通道置于一個(gè)固定的頻率，或至少是一個(gè)小頻率，保證每一個(gè)總線控制器都能使用。對最簡系統(tǒng)來說，TBIM通信函數(shù)、同步函數(shù)、觸發(fā)函數(shù)和數(shù)據(jù)傳輸函數(shù)都共享同樣的通信通道。 IEEE P1451.3中定義了幾種TEDS。它們可以多種方式來劃分。一些TEDS是機(jī)器可讀且被用作允許總線控制器決定設(shè)備的特點(diǎn)；而其它TEDS是基于文本的用來說明設(shè)備如何操作的。三種機(jī)器可讀的TEDS對系統(tǒng)操作是必需的，其它的TEDS都是可選的。 對某些存貯器容量特別小或特殊環(huán)境不允許TEDS存貯于TBIM中的，可把TEDS置于遠(yuǎn)程服務(wù)器上，這種遠(yuǎn)程的TEDS在IEEE P1451.3中稱作虛擬TEDS。三種必需的TEDS是通信TEDS、模型總體TEDS和變送器特定的TEDS。 通信TEDS定義了TBIM的通信能力。每一個(gè)TBIM中只有一個(gè)通信TEDS。模型總體TEDS定義了TBIM的總體特征。每一個(gè)TBIM中只有一個(gè)模型總體TEDS。變送器特定的TEDS描述了每個(gè)變送器的特點(diǎn)。在TBIM中，每一個(gè)變送器都有一個(gè)變送器特定的TEDS。一般情況下，這些TEDS的容量是很小的，只有幾百個(gè)字節(jié)大小。但是，TBIM的存貯器的大小需求依賴于TBIM中變送器的數(shù)量。此外，IEEE P1451.3工作組正在考慮一些可選的TEDS。所有IEEE 1451.2中允許的TEDS都有可能包括在內(nèi)。這些可選的TEDS中最常使用的是標(biāo)定TEDS。這個(gè)TEDS提供了必要的常數(shù)來轉(zhuǎn)換原始的傳感器數(shù)據(jù)為工程單位的格式或者轉(zhuǎn)換工程單位格式到執(zhí)行器所需要的格式。一些其它的TEDS正在考慮，如傳輸函數(shù)TEDS能用來描述針對不同的輸入頻率時(shí)變送器的特點(diǎn)；數(shù)字濾波TEDS用來定義設(shè)置內(nèi)部數(shù)據(jù)濾波以得到理想的頻率響應(yīng)的系數(shù)等等。 4、IEEE P1451.4標(biāo)準(zhǔn) NIST和IEEE工作組已部分完成了連接傳感器和執(zhí)行器到通信網(wǎng)絡(luò)，控制和測試系統(tǒng)的統(tǒng)一方法。IEEE 1451.1、IEEE 1451.2和IEEE P1451.3標(biāo)準(zhǔn)主要針對可數(shù)字方式讀的具有網(wǎng)絡(luò)處理能力的傳感器和執(zhí)行器。IEEE P1451.4 標(biāo)準(zhǔn)主要致力于基于已存在的模擬量變送器連接方法提出一個(gè)混合模式智能變送器通信協(xié)議，它同時(shí)也為具有智能特點(diǎn)的模擬量變送器接口到合法的系統(tǒng)指定了TEDS格式。 這個(gè)提議的接口標(biāo)準(zhǔn)將與IEEE 1451.X網(wǎng)絡(luò)化變送器接口標(biāo)準(zhǔn)相兼容。 IEEE P1451.4接口 IEEE P1451.4提議定義一允許模擬量傳感器（如壓電傳感器、變形測量儀）以數(shù)字信息模式（或混合模式）通訊的標(biāo)準(zhǔn)，目的是傳感器能進(jìn)行自識別和自設(shè)置。此標(biāo)準(zhǔn)同時(shí)建議數(shù)字TEDS數(shù)據(jù)的通訊將與使用最少量的線－遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于IEEE 1451.2標(biāo)準(zhǔn)所需的10根線的傳感器的模擬信號共享。一個(gè)IEEE 1451.4的變送器包括一個(gè)變送器電子數(shù)據(jù)表格TEDS和一個(gè)混合模式的接口MMI。如圖5所示為IEEE P1451.4的混合模式變送器（傳感器和執(zhí)行器）和接口的關(guān)系圖。 作為IEEE 1451標(biāo)準(zhǔn)成員之一，IEEE P1451.4定義了一個(gè)混合模式變送器接口標(biāo)準(zhǔn)，如為控制和自我描述的目的，模擬量變送器將具有數(shù)字輸出能力。它將建立一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)允許模擬輸出的混合模式的變送器與IEEE 1451兼容的對象進(jìn)行數(shù)字通信。 每一個(gè)IEEE P1451.4兼容的混合模式變送器將至少由一個(gè)變送器、變送器電子數(shù)據(jù)表格TEDS和控制和傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)入不同的已存在的模擬接口的接口邏輯。見圖6。變送器的TEDS很小但定義了足夠的信息，可允許一個(gè)高級的1451對象來進(jìn)行補(bǔ)充。 IEEE P1451.4工作組提議的這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)允許模擬量變送器可與一個(gè)IEEE 1451對象進(jìn)行數(shù)字通信。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)將定義通信協(xié)議和接口，以及變送器TEDS格式。這里的TEDS將以IEEE 1451.2的TEDS為基礎(chǔ)。但標(biāo)準(zhǔn)沒有指定變送器的設(shè)計(jì)，信號調(diào)理或TEDS的特別使用。 |
