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基于IEEE1451标准的IP传感器的设计与实现

机械与电子 陶波 丁汉 熊有伦?? 2010年01月20日 ?? 收藏0

  0 引言

  计算机网络技术与智能传感器技术的结合首次产生了网络化智能传感器这一全新概念。传感器可以象其它网络设备一样作为一个独立的网络节点直接在网络上传输、发布与共享数据,可在网络上任何节点对现场传感器进行在线编程和组态。这种结合极大地促进了传感器技术的发展和信息化的进程。现场总线技术的应用促进了传感器向智能化、网络化方向发展。在自动化过程的测量控制级,众多的智能传感器通过现场总线连接在一起构成分布式网络化测控系统。然而由于历史的原因,国际上并没有一个统一的现场总线标准,现存的Profibus,FF,Lonworks,HART和CAN等多种总线标准之间协议互不兼容,互操作性差,各种现场总线产品既不能互连互换,也不能统一组态,给系统的扩展、维护等带来不利的影响。要保证所设计的传感器完全满足这些协议比较困难甚至根本不可能,从而大大限制了网络化智能传感器在工业上的推广应用。业界迫切需要一个具有广阔应用前景并能被广泛接受的传感器接口标准,以解决传感器之间以及传感器
与网络的互联问题。

  1 基于IEEE1451标准的智能传感器

  1994 年IEEE和NIST联合发起合作制订“智能传感器接口标准IEEE1451”。经过多年的努力,分别于1997年和1999年通过了 IEEE1451.2和IEEE1451.1网络化智能传感器标准,同时成立P1451.3和P1451.4工作组对IEEE1451.2标准进行进一步的扩展。IEEE1451标准得到了包括波音、惠普等在内的一些大公司的积极支持。采用通用的A/D或D/A转换装置作为智能传感器接口模块STIM的I /O接口,将应用的各种传感器的模拟量转换成具有标准规定格式的数据,连同传感器电子数据表TEDS与网络适配器NCAP连接,使得传感器数据可以按网络规定的协议登临网络而成为网络的一个独立节点,并具有网络节点的组态性和互操作性。TEDS存储了描述一个STIM所需的全部信息:制造商、数据格式、物理单位、序列号、测量范围以及校正系数等。这些数据可以提供给NCAP或系统的其它部分,以用于STIM的自我描述与校正。IEEE1451标准的应用极大地简化了网络化智能传感器设计。

  2 基于嵌入式Internet的IP传感器

  2.1 IP传感器的提出

  IEEE1451标准在很大程度上促进了网络化智能传感器技术的发展。然而,自1997年IEEE1451.2标准颁布以来,该标准并没有得到广大传感器制造商的支持,对该标准的探讨还主要停留在学术研究的层面上,难以获得实际的应用。究其原因,主要表现在以下几方面。

  a.网络协议难以统一。IEEE1451.1标准提出的网络独立信息模型,从理论上解决了多种总线协议之间互不兼容和不能互操作所带来的传感器接口问题。然而,在各总线技术厂商为维护自身利益仍各自为阵,不愿推广使用的情况下,该标准难有作为。

  b.传感器独立接口不具有广阔的应用前景。IEEE1451.2标准规定了一个以串行外设接口协议为基础的数字接口标准TII,对于高速、高精的A/D和D/A转换器以及其它的高频场合,该接口将难以胜任。

  c.NCAP过于复杂而不易低成本实现。IEEE1451.1标准定义的网络独立信息模型是一个较为完整的通用模型,从实际应用的角度考虑,该模型过于复杂,难以实现,缺乏一个功能相对简单的智能传感器信息模型。

  值得关注的是,相对于复杂和昂贵的NCAP,可以低成本实现的STIM,得到了众多传感器用户的喜爱,并推动网络化智能传感器标准从基于专有的总线技术向有着更加广阔应用空间的以太网方向发展。这种发展必将带来一个新的“事实上的”网络化智能传感器标准。此外,硅微电子技术的成熟使得在单个芯片中实现复杂结构的微电子机械系统成为现实,不仅解决了嵌入式微控制器与Internet连接的技术问题,同时也使得这种连接费用降低到工业应用可以接受的程度。这种技术的发展促使了基于嵌入式Internet的网络化智能传感器的出现,称之为IP传感器。IP传感器是指基于标准的TCP/IP协议,采用模块化结构将传感器和嵌入式Inter2net技术有机地结合起来的一种新型的网络化智能传感器,并作为一个独立的网络节点直接与计算机网络通信,从而使现场测控数据就近登临网络,在网络所能及的范围内实时发布和共享。敏感元件输出的模拟信号经A/D转换及数据处理后,由网络协议处理器实现TCP/IP数据包的封装和网络化传输。反过来,网络协议处理器又能接受网络上其它节点传给自己的数据和命令,实现对本节点的操作。


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IEEE1451? IP传感器? TCP?

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