理化生现代传感技术与系统PPT课件

1、第四章14.3 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1页/共38页第四章24.3 智能传感器的标准 智能传感器和系统的标准制定 1993 1993年, ,IEEEIEEE和国家标准与测试学会NISTNIST发起了一个活动，导致了两个标准的发展，即：l l IEEE1

2、451.1IEEE1451.1网络应用处理器信息模式l l IEEE1451.2IEEE1451.2换能器微处理器通信协议和换能器电子数据单（TEDSTEDS） 格式l l IEEE1451.3IEEE1451.3分布式多点系统的换能器电子数据单格式和数字通信l l IEEE1451.4IEEE1451.4混合型通信协议和换能器电子数据单格式 其中，IEEE145.1IEEE145.1和1451.21451.2已由IEEEIEEE通过作为全能的应用标准被选定和接受。 第2页/共38页第四章34.3 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。TE

3、DSTEDS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STIMSTIM包括TEDSTEDS和辅助电子设备，辅助电子设备包括网络应用处理器（NCAPNCAP）到换能器之间的硬件接口，NCAPNCAP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1010引脚的数字通信接口，它允许NCAPNCAP或主机获得传感器的显示内容或执行器的操作，以及TEDSTEDS的数据请求。 第3页/共38页第四章44.3 智能传感器的标准 NCAPNCAP把智能传感器（STIMSSTIMS）、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

4、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4页/共38页第四章54.3 智能传感器的标准 TEDSTEDS以及支持TEDSTEDS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。IEEE1451.1IEEE1451.1和1451.21451.2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5页/共38页第四章64.3 智能传感器的标准IEEE 1451.1IEEE 1451.1 IEEE1451.1 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

5、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IEEE1451.1IEEE1451.1，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。IEEE1451.1IEEE1451.1把带有原版软件的PCPC 第6页/共38页第四章74.3 智能传感器的标准第7页/共38页第四章84.3 智能传感器的标准1 1、网络应用处理器（NCAPNCAP） NACPNACP包含一个带有嵌入式操作系统和计时能力的处理器。NCAPSNCAPS的范围可以从带多通道STIMsSTIMs扩展支持的简单元素到多端口的复杂设计。在NCAPNCAP内功能模块中，

6、有基本换能器模块、非IEEE1451IEEE1451目标、几个软件程序但只有一个目标NCAPNCAP模块。目标的区分是依据目标的类别IDID、类别名称、目标IDID、目标标签、目标名称和目标发送地址等六个指标实现的。 第8页/共38页第四章94.3 智能传感器的标准 IEEE1451.1IEEE1451.1器逻辑接口。IEEE1451.2IEEE1451.2定义了换能器和NCAPNCAP之间的硬件接口。接口是可供选择的，如果不要求对换能器的互换性支持，则只使用1451.11451.1，如果不要求网络，则IEEEIEEE1451.21451.2也足够了。 第9页/共38页第四章104.3 智能传

7、感器的标准2 2、网络通信模式 IEEE1451.1 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IEEE1451.1IEEE1451.1与网络22之间的呼叫例程。 第10页/共38页第四章114.3 智能传感器的标准IEEE1451.1IEEE1451.1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 l 在用户方的用户端 口的运行；l 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

8、格的信息服务。 第11页/共38页第四章124.3 智能传感器的标准 IEEE1451.1IEEE1451.1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关心接收的方式。这种模式由两种操作支持：l l 在发布端口目标的发布；l 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12页/共38页第四章134.3 智能传感器的标准3 3、IEEE1451.1IEEE1451.1实例 1451.1 1451.1的附录展示了一个传感器和执行器的NCAPsNCAPs如

9、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 PIDPID控制系统在测量和设定值的基础上通过周期性地利用PHPH传感器上读取的数据来控制水泵的速度。第13页/共38页第四章144.3 智能传感器的标准3 3、IEEE1451.1IEEE1451.1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NCAPsNCAPs。水位控制和PHPH值控制用简易的NCAPs,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 NCAPPC NCAP作为系统

10、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1451.11451.1得到充分利用。第14页/共38页第四章154.3 智能传感器的标准 IEEE 1451.2IEEE 1451.2 IEEE1451.2 IEEE1451.2定义了一个包含硬件和软件的模块接口，用于那些不依赖于特定控制网络的网络化换能器。这一标准引进了STIMSTIM的概念，将TEDSTEDS定义为STIMSTIM的一个组成部分，此外还有TIITII、STIMSTIM与NCAPNCAP之间的IEEE1451.2IEEE1451.2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S

11、TIMSTIM中。下面重点解释STIMSTIM、TEDSTEDS、TIITII以及实现更高智能化系统的内置工具的要点。 第15页/共38页第四章164.3 智能传感器的标准1 1、STIMSTIMSTIMSTIM可以包括1 1到255255个不同类型的换能器。STIMSTIM由一个NCAPNCAP模块通过精密的数字接口来控制。一个STIMSTIM如果能: : 支持要求的性能； 包括一个适当格式化的TEDSTEDS； 有一个实行TIITII线路、协议和计时的物理接口。 那么，我们就可以说它符合1451.21451.2中定义的要求。第16页/共38页第四章174.3 智能传感器的标准 IEEE14

12、51.2IEEE1451.2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 STIM对触发器的反应是很重要的。触发功能为NCAPNCAP发送命令给STIMSTIM，以触发信号告知某种行为将发生，并以触发回应向STIMSTIM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

13、器； 触发缓冲数据序列传感器； 触发事件序列传感器。第17页/共38页第四章184.3 智能传感器的标准 当传感器STIMSTIM对一个NCAPNCAP触发作出反应时，换能器开始读数。读数完成后，STIMSTIM进行触发确认，NCAPNCAP读取数据。执行器STIMSTIM通过写入数据对NCAPNCAP触发作出反映并初始化换能器执行器。结束以后，STIMSTIM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

14、采样时间，然后回送结果和一个ACKACK信号。第18页/共38页第四章194.3 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19页/共38页第四章204.3 智能传感器的标准 2 2、换能器电子数据单 TEDS TEDS将识别你想了解的关于换能器的重要信息，包含：l l 换能器的生产商模

15、型号版本号系列号设备型号换能 器日期编码；l l 校准时间变量类型和使用局限；l l 校准常数；l l 信号转换数据模型模型长度重要二进制位；l l 通道读/ /写时间设置采样周期加热时间刷新时间；l l 电源要求（电压和电流）；最重要的：TEDSTEDS的长度和通道的数目。 第20页/共38页第四章214.3 智能传感器的标准 145114512 2中定义了八种TEDSTEDS存储器。TEDSTEDS的类型分别为机器可读的NCAPNCAP类型和人工可读的操作员类型。TEDSTEDS有两种必要类型和四种可选类出了定义在1451.21451.2中的TEDSTEDS类型。 第21页/共38页第四章

16、224.3 智能传感器的标准3 3、TIITII 用于IEEE 1451.2IEEE 1451.2的标准数字接口TIITII，是一个类似于SPISPI接口的时钟串行接口。它定义了十种电气连接如下：l l 引线 DINDIN：正逻辑，由NCAPNCAP驱动，从NCAPNCAP向STIMSTIM传送地址和数据；l l 引线 DOUTDOUT：正逻辑，由STIMSTIM驱动，从STIMSTIM向NCAPNCAP传送数据；l l 引线 DCLKDCLK：正逻辑，由NCAPNCAP驱动，正向边沿有效，在DINDIN和DOUTDOUT封 锁数据；l l 引线 NIOENIOE：低电平逻辑激活，由NCAPN

17、CAP驱动，激发数据传送信号并 界定数据传送框架；l l 引线 NTRIGNTRIG：负逻辑，由NCAPNCAP驱动，执行触发功能；第22页/共38页第四章234.3 智能传感器的标准l l 引线 NACKNACK：负逻辑，由STIMSTIM驱动，触发确认和数据传送确认；l l 引线 NINTNINT：负逻辑，由STIMSTIM驱动，由STIMSTIM使用向NCAPNCAP提出服 务申请；l l 引线 NSDETNSDET：低电平逻辑激活，由STIMSTIM驱动，由NCAPNCAP探测 STIM STIM的存在；l l 引线 POWERPOWER：N/AN/A逻辑，由NCAPNCAP驱动，5

18、5伏电源；l l 引线 COMMONCOMMON：N/AN/A逻辑，由NCAPNCAP驱动，通用接地信号。 引线在标准中有更详细的定义，关于电源则在后面有进一步讨论。标准没有定义其联结器，而将其留作一个机动的项目由用户去评判。 第23页/共38页第四章244.3 智能传感器的标准4 4、校正/ /纠错 IEEE1451.2 IEEE1451.2描述了一个纠错算法，让用户将ADCADC输出转换为工程单元给传感器，再将工程单元转换为ADCADC的输入给执行器。真值表、线性变换、多输入多项式表面校准都包括在传感器可能使用的数据之中。TEDSTEDS校准有以下一些性能：l l 单段直线的一阶转换；l

19、l 非线性传感器分段的高精度的一阶转换；l l 简单双态监测的水平监测仪；l l 滞后的水平监测；l l 单段高阶转换；换能器多输入的最高可能精度的转换。 第24页/共38页第四章254.3 智能传感器的标准 图 ( (a)a)显示了一个驻留在STIMSTIM中的TEDSTEDS校准。在这种情况下，主机从STIMSTIM拷贝TEDSTEDS校准，然后从原始数据到工程单元，完成了一个转换。这种方式在小系统中可高效运行，但对于拥有多个换能器的大系统而言，在校准过程中会消耗大量的CPUCPU时间。分布系统能使校准在一台计算机内进行，这台计算机为其他处理机提供正确的数据，也可以使校准在系统中的每一台计

20、算机上进行。如果让一台处理器进行校准，其他处理器应通过编程从主机获取数据，而不是直接从换能器或NCAPNCAP获取数据。如果转换是在多个地方完成的，当每换一个换能器时，校准TEDSTEDS也必须改变。 第25页/共38页第四章264.3 智能传感器的标准 图 ( (b)b)表明了在NCAPNCAP中的转换。校准TEDSTEDS需要从STIMSTIM拷贝到NCAPNCAP，在NCAPNCAP中转换成工程单元。这将简化数据源的管理，并消除了数据的多次拷贝。提供这项功能的同时将大大增加NCAPNCAP处理器的成本。 图 ( (c)c)表明了STIMSTIM的校准过程。这项技术在配置有大阵列的换能器或

21、高速换能器组合的系统中非常有用。为了得到更广泛的应用，必须进一步研制IcsIcs以提供这项功能。 第26页/共38页第四章274.3 智能传感器的标准5 5、STIMsSTIMs的电源在NCAPNCAP上电源线上的电压值一般规定在直流电范围，为5 5V V（0.20V0.20V）。STIMSTIM接口控制电路的电源由主通讯接口来提供。STIMSTIMa)a)中所示。如果传感器和执行器的电流或电压超出NCAPNCAP所能提供的水平，则有另一种替代选择如图b b）所示。 第27页/共38页第四章284.3 智能传感器的标准6 6、TEDSTEDS的物理单位表述 IEEE1451.2 IEEE145

22、1.2为智能换能器的使用提供了简单物理单位的识别方法，允许他们以任何使用者都能够理解的形式提供输出。这项功能使我们不必编写专用软件就能增强传感器即插即用的功能。这种方法利用一套标准的单元来决定校正常量。对生产商来说，这就意味着他们能利用同样的方法做最后测试和校正。对使用者来说，理解了IEEE1451.2IEEE1451.2中的方法论，就不难理解标准化技术存在于不同的系统功能当中。标准还表述了国际单位制，即按顺序地用m m（米）表示长度、kgkg（千克）表示质量、s s（秒）表示时间、A A（安培）表示电流、K K（凯尔文）表示热力学温度、molmol（摩尔）表示物质的量、cdcd（堪德拉）表示

23、发光强度。第28页/共38页第四章294.3 智能传感器的标准 这样我们只要使用幂指数，就可将这种表达很方便地写入计算机。例如，在表达距离的测量时，考虑它排在首位，使用幂指数，即1 1、0 0、0 0、0 0、0 0、0 0、0 0，与七个量结合为指数，有：m m1 1kgkg0 0 S S0 0 A A0 0 K K0 0molmol0 0cdcd0 0这个标准为7 7个基本SISI单位和地址单位提供了两种派生单位，弧度和球面度。数量的对数，非物理特性数据的对数，详表提供的硬设和数据。指数通过无符号整数字节编码。指数和它的符号乘以2 2，加上128128得到了分辨率为二分之一的编码整数字节。

24、通过这种技术，可以表示-64-64与+63+63之间的指数。 第29页/共38页第四章304.3 智能传感器的标准 在IEEE1451.2IEEE1451.2 第30页/共38页第四章314.3 智能传感器的标准 IEEE P1451.3IEEE P1451.3 IEEEP1451.3 IEEEP1451.3TEDSTEDS，且支持通道识别交换以及时间同步协议。换能器总线接口模块由1 1到N N个换能器、一个1451.31451.3定义的TEDSTEDS及通过微型总线控制和传送数据的逻辑接口组成。更有可能的是TEDSTEDS包括一个可互换TEDSTEDS一个可互换ID TEDSID TEDS通

25、道TEDSTEDS及通道IDID TEDSTEDS一个校准TEDSTEDS和一个校准IDID TEDSTEDS，且由不同的名称来避免与1451.21451.2定义的名称混淆。换能器总线控制器TBCTBC将管理微型总线并处理设置与数据转换。 第31页/共38页第四章324.3 智能传感器的标准第32页/共38页第四章334.3 智能传感器的标准 IEEE P1451.4IEEE P1451.4 P1451.4P1451.4查阅。IEEE 1451.4IEEE 1451.4将建立一个标准，允许模拟输出、混和模式换能器与高级IEEE1451IEEE1451目标进行数字信息通讯。为适应其他14511451标准所定义的数字化网络，为更简单和低成本起见，定义了自识别，测试和可编程信号规范的双向数字通讯。P1451.4P