IEEE1415网络化智能传感器标准的发展及应用讨论

摘要：IEEE 1451标准由IEEE 1451.1、1451.2、P1451.3和P1451.4组成。它定义了一套连接传感器到网络的标准化通用接口，建立了网络化智能传感器的框架，这使得传感器制造商有能力支持多种网络。然而，IEEE 1451标准在应用中存在着一些困难。本文简要介绍IEEE 1451标准的内容和发展过程，分析限制该标准应用的一些原因，讨论IEEE 1451.x标准之间的关系，给出一个用于机器人手爪的基于IEEE 1451.1标准的网络化智能传感器的例子。 
一、引言 
    为了解决传感器与各种网络相连的问题，以Kang Lee为首的一些有识之士在1993年就开始构造一种通用智能化传感器的接口标准。在1993年9月，IEEE第九届技术委员会即传感器测量和仪器仪表技术协会决定制定一种智能传感器通讯接口的协议，在1994年3月，美国国家技术标准局NIST和IEEE共同组织了一次关于制定智能传感器接口和制定智能传感器连接网络通用标准的研讨会，从这以后已连续举办了4次会议，讨论这种标准建立方面的细节问题，即IEEE 1451传感器／执行器智能变送器接口标准。直到1995年4月，成立了两个专门的技术委员会：P1451.1工作组和P1451.2工作组。P1451.1工作组主要负责对智能变送器的公共目标模型进行定义和对相应模型的接口进行定义；P1451.2工作组主要定义TEDS和数字接口标准，包括STIM和NACP之间的通讯接口协议和管脚定义分配。1995年5月即给出了相应的标准草案和演示系统。经过几年的努力，IEEE会员分别在1997年和1999年投票通过了其中的IEEE 1451.2和IEEE 1451.1两个标准，同时新成立了两个新的工作组对1451.2标准进行进一步的扩展，即IEEE P1451.3和IEEE P1451.4。IEEE、NIST和波音、惠普等一些大公司积极支持IEEE1451，并在传感器会议上进行了基于IEEE 1451标准的传感器系统演示。
二、网络化智能传感器IEEE 1451标准简介
    1、IEEE 1451.2标准 
    1451.2标准规定了一个连接传感器到微处理器的数字接口，描述了电子数据表格TEDS（Transducer Electronic Data Sheet）及其数据格式，提供了一个连接STIM和NCAP的10线的标准接口TII，使制造商可以把一个传感器应用到多种网络中，使传感器具有“即插即用（plug-and-play）”兼容性。这个标准没有信号调理、信号转换或TEDS的如何应用，由各传感器制造商自主实现，以保持各自在性能、质量、特性与价格等方面的竞争力。
    2、IEEE 1451.1标准
    IEEE 1451.1定义了网络独立的信息模型，使传感器接口与NCAP相连，它使用了面向对象的模型定义提供给智能传感器及其组件。如图3所示为1451.1标准实现模型示意图。该模型由一组对象类组成，这些对象类具有特定的属性、动作和行为，它们为传感器提供一个清楚、完整的描述。该模型也为传感器的接口提供了一个与硬件无关的抽象描述。该标准通过采用一个标准的应用编程接口（API）来实现从模型到网络协议的映射。同时，这个标准以可选的方式支持所有的接口模型的通信方式，如其它的IEEE 1451标准提供，如STIM、TBIM（Transducer Bus Interface Module）和混合模式传感器。
    1451.1标准支持的现场设备和应用提供了很多优点，如丰富的通信模型、支持客户机/服务器模型和发布/订阅模型、强有力的模型简化了分布式测控系统软件的开发和系统的复杂度、模块化的结构可以容易的定制任意大小的系统、现场总线无关、总线和现场设备对应用来说是透明的，等等。
IEEE 1415.2传感器接口标准的功能框架 
    IEEE 1451.1标准是围绕着面向对象系统技术建立的，这些系统中的核心是类的概念。一个类描述功能模块所共有的特征，这些功能模块被称为实例或对象。基本类的概念被附加的规范所扩展以用于IEEE 1451.1。这些规范包括发布集合（类所产生的事件），订阅集合（类所相应的时间），状态机（一个大规模的状态转换规则标准集）以及一组数据类型的定义（提供互用性所必需的一部分特性）。
IEEE　1451.1实现模型
    3、IEEE P1451.3标准
    IEEE P1451.3提议定义一标准的物理接口指标，为以多点设置的方式连接多个物理上分散的传感器。这是非常必要的，比如说，在某些情况下，由于恶劣的环境，不可能在物理上把TEDS嵌入在传感器中。IEEE P1451.3标准提议以一种“小总线”（mini-bus）方式实现变送器总线接口模型（TBIM），这种小总线因足够小且便宜可以轻易的嵌入到传感器中，从而允许通过一个简单的控制逻辑接口进行zui大量的数据转换。 
    IEEE P1451.3允许变送器的制造商以很高的性能价格比且系统内部可操作的特点生产变送器。这个标准既允许以相对较低的采样速率和合适的时序要求来设计和生产简单的设备，同时，在另一方面，也可兼容高达几兆带宽和小到纳秒的时序要求的设备。也就是说，这两种不同频谱的设备能够和平的共处于同一条总线上。图4所示为IEEE P1451.3的物理连接表示。在图4中，一条单一的传输线既被用作支持变送器的电源，又用来提供总线控制器与变送器总线接口模型TBIM的通信。这条总线可具有一个总线控制器和多个TBIM。网络适配器（NCAP）包含了总线的控制器和支持很多不同终端、NCAP和变送器总线的网络接口。如果变送器总线存在于网络的内部，总线控制器只能在NCAP中；否则，它应该设在主机或其它的设备中。一个变送器总线接口模型TBIM可以有一到多个不同的变送器。
    所有TBIM都包含有五个通信函数，如表1所示。这些通信函数将在一个物理传输媒介上zui少利用其中两个通信通道。通信通道将与启动变送器的电源共享这个物理媒介。对高功耗的变送器来说，通过通信电缆共享也许是不够的，这时可提供外电源来驱动变送器。
    zui简单的系统只含有总线管理通信通道，它被用作所有的通信通道。总线通信通道置于一个固定的频率，或至少是一个小频率，保证每一个总线控制器都能使用。对zui简系统来说，TBIM通信函数、同步函数、触发函数和数据传输函数都共享同样的通信通道。
    IEEE P1451.3中定义了几种TEDS。它们可以多种方式来划分。一些TEDS是机器可读且被用作允许总线控制器决定设备的特点；而其它TEDS是基于文本的用来说明设备如何操作的。三种机器可读的TEDS对系统操作是必需的，其它的TEDS都是可选的。
    对某些存贮器容量特别小或特殊环境不允许TEDS存贮于TBIM中的，可把TEDS置于远程服务器上，这种远程的TEDS在IEEE P1451.3中称作虚拟TEDS。三种必需的TEDS是通信TEDS、模型总体TEDS和变送器特定的TEDS。
    通信TEDS定义了TBIM的通信能力。每一个TBIM中只有一个通信TEDS。模型总体TEDS定义了TBIM的总体特征。每一个TBIM中只有一个模型总体TEDS。变送器特定的TEDS描述了每个变送器的特点。在TBIM中，每一个变送器都有一个变送器特定的TEDS。一般情况下，这些TEDS的容量是很小的，只有几百个字节大小。但是，TBIM的存贮器的大小需求依赖于TBIM中变送器的数量。此外，IEEE P1451.3工作组正在考虑一些可选的TEDS。所有IEEE 1451.2中允许的TEDS都有可能包括在内。这些可选的TEDS中zui常使用的是标定TEDS。这个TEDS提供了必要的常数来转换原始的传感器数据为工程单位的格式或者转换工程单位格式到执行器所需要的格式。一些其它的TEDS正在考虑，如传输函数TEDS能用来描述针对不同的输入频率时变送器的特点；数字滤波TEDS用来定义设置内部数据滤波以得到理想的频率响应的系数等等。 
    4、IEEE P1451.4标准
    NIST和IEEE工作组已部分完成了连接传感器和执行器到通信网络，控制和测试系统的统一方法。IEEE 1451.1、IEEE 1451.2和IEEE P1451.3标准主要针对可数字方式读的具有网络处理能力的传感器和执行器。IEEE P1451.4 标准主要致力于基于已存在的模拟量变送器连接方法提出一个混合模式智能变送器通信协议，它同时也为具有智能特点的模拟量变送器接口到合法的系统了TEDS格式。 这个提议的接口标准将与IEEE 1451.X网络化变送器接口标准相兼容。
IEEE P1451.4接口
    IEEE P1451.4提议定义一允许模拟量传感器（如压电传感器、变形测量仪）以数字信息模式（或混合模式）通讯的标准，目的是传感器能进行自识别和自设置。此标准同时建议数字TEDS数据的通讯将与使用zui少量的线－远远少于IEEE 1451.2标准所需的10根线的传感器的模拟信号共享。一个IEEE 1451.4的变送器包括一个变送器电子数据表格TEDS和一个混合模式的接口MMI。如图5所示为IEEE P1451.4的混合模式变送器（传感器和执行器）和接口的关系图。
    作为IEEE 1451标准成员之一，IEEE P1451.4定义了一个混合模式变送器接口标准，如为控制和自我描述的目的，模拟量变送器将具有数字输出能力。它将建立一个标准允许模拟输出的混合模式的变送器与IEEE 1451兼容的对象进行数字通信。
    每一个IEEE P1451.4兼容的混合模式变送器将至少由一个变送器、变送器电子数据表格TEDS和控制和传输数据进入不同的已存在的模拟接口的接口逻辑。见图6。变送器的TEDS很小但定义了足够的信息，可允许一个的1451对象来进行补充。
    IEEE P1451.4工作组提议的这个标准允许模拟量变送器可与一个IEEE 1451对象进行数字通信。这个标准将定义通信协议和接口，以及变送器TEDS格式。这里的TEDS将以IEEE 1451.2的TEDS为基础。但标准没有变送器的设计，信号调理或TEDS的特别使用。
    为了进行自我识别、自我描述和设置，有必要制订一个允许模拟量变送器以数字方式通信这样的标准。由于缺乏一个统一标准，一些变送器的厂家各自介绍了一些不同的实现方案，但都存在着接受的限制，不为公众所认可。一个独立的开放定义的标准将使潜在的用户、变送器和系统生产厂家和系统集成商减少冲突与矛盾，使具有IEEE 1451.4接口和协议的产品之间互相兼容。这必将加速这项技术的诞生和被大家所接受。
    IEEE P1451.4的TEDS是IEEE 1451.2标准定义的TEDS的一个子集，其目的是尽量减小TEDS存贮器的大小。IEEE P1451.4的TEDS设计的主要要素有：帮助用户的相关信息、即插即用功能、支持所有的变送器类型、开放性以满足个别需求和与IEEE 1451.2兼容。IEEE P1451.4的TEDS将包括以下内容：
    （1） 识别参数，如生产厂家、模块代码、序列号、版本号和数据代码；
    （2） 设备参数，如传感器类型、灵敏度、传输带宽、单位和精度；
    （3） 标定参数，如zui后的标定日期、校正引擎系数；
    （4） 应用参数，如通道识别，通道分组，传感器位置和方向。
IEEE P1451.4的NCAP 
    通过努力，IEEE P1451.4工作组将建立一个标准，允许模拟量输出的混合模式变送器与的IEEE 1451对象进行数字通信。其中一个可能的实现如图7所示。 
三、IEEE 1451标准应用探讨
    自IEEE和NIST组织制定网络化智能传感器接口标准IEEE 1451以来，美国一些大公司积极参与IEEE 1451标准的制定，并在多次传感器博览会上进行了网络化智能传感器的演示和实验，具体内容详见参考文献［10］，并有部分公司推出了网络化智能传感器系统开发工具。几年过去了，基于IEEE 1451标准的产品问世不多。惠普公司在2000年初曾推出了支持IEEE 1451标准的BFOOT11501、66501和66502系列NCAP芯片，但到2000年底就宣布不再生产了，也就是说，目前的市场还没有*接受并推广使用这个新的网络化智能传感器标准。国外是如此，而国内有一些关于IEEE 1451传感器接口标准的综述文章见于期刊，但关于基于IEEE 1451标准的网络化智能传感器的应用研究成果还未见报道，也没有大公司宣布支持IEEE 1451标准。当然，一个新的标准要真正得到市场的认可是需要一定时间的。但出现目前这种状况，我们认为除了标准本身的问题外，也有一些其它的因素。作者一直跟踪学习这个标准，本文在这里提出对IEEE 1451标准实用化的几点考虑，供大家参考。
    1、现场总线厂商和传感器制造商的支持*
    自八十年代提出现场总线的概念以来，由于zui初没有统一的标准，国外一些企业，特别是美国、日本的一些大公司相互联合在一起，纷纷制定出各自的总线标准，并推出了自己的产品。目前在市场上较为流行的现场总线主要有CAN（控制局域网络）、LONWORKS（局部操作网络）、PROFIBUS（过程现场总线）、HART（可寻址远程传感器数据通讯）、FF（基金会现场总线）等。由于这些企业本身在相应行业领域的垄断地位，在不同的应用领域中都取得了很大的成功，从而导致目前市场上多种现场总线并存的现象。由于这些企业本身的优势不同，使用对象的差异，使得不同总线在各自领域中都有自身的优势。从商业上看, 各大现场总线技术厂商都不愿放弃已有的产品和市场, 短期内不愿寻求统一。作为针对现场总线之间这种不可互操作现实而制定的IEEE 1451标准，在各大现场总线技术厂商仍各自为政，不愿推广使用这种标准的情况下，自然难有作为。
    2、澄清对IEEE 1451.X之间关系的认识
    IEEE 1451.2和IEEE 1451.1标准颁布以来，很多人都非常的困惑，把网络化智能传感器系统分成两个模块，即STIM和NCAP。而这两个模块都需要有微处理器，这就意味着要有两套系统来分别作为STIM和NCAP的开发工具，无疑，这增加了标准推广使用的难度。英国某大学曾把AD公司的AduC812作为一个STIM，把惠普公司的BFOOT66501作为NCAP，研制了一套网络化智能传感器系统，用于对气象的检测，通过嵌入式WEB服务器的方式远程监控气象的变化，取得了成功。但随着BFOOT系列支持1451标准的芯片的停产，到目前为止，还没有支持或兼容1451标准的NCAP芯片再出现，这其中关键的一点就是IEEE 1451.2定义的10根线的TII标准接口。也正是因为有了这个统一的硬件接口，传感器模块STIM才能即插即用。
    还有一种认识就是IEEE 1451.X标准必须放在一起使用，这也增加了标准使用或实用化的难度。  
    在去年的无线网络化智能传感器工作组会议上，制定1451标准的专家专门针对这个对标准的认识问题作了新的阐述，对标准的部分内容进行了更新。其中的关键点是：如何使用IEEE 1451标准以及IEEE 1451.X之间的关系。
    IEEE 1451.X标准的开发可以使它们工作在一起，构成网络化智能传感器系统，但也可以各个IEEE 1451.X单独应用；IEEE 1451.1标准可以独立于其它1451.X（1451.2、P1451.3和P1451.4）硬件接口标准而单独使用；而1451.X也可不需1451.1而单独使用，但是，必须要有一个相似1451.1所具有的软件结构，它能够提供物理参数数据、应用功能函数和通信功能来把1451.X设备与网络连接，实现1451.1的功能。
    3、基于1451.1标准网络化智能传感器系统
    IEEE 1451标准定义了传感器或执行器的软硬件接口标准，为传感器或执行器提供了标准化的通讯接口和软硬件的定义，使不同的现场网络之间可以通过应用IEEE 1451定义的接口标准互连，可以互操作，解决了不同网络之间的兼容性问题，使传感器的厂家、系统集成商和zui终用户有能力以低成本去支持多种网络和变送器家族，并且通过简化连线，降低了系统总的消耗。但如何使IEEE 1451标准尽可能实用化，国内目前仍处于一种比较混乱的状态，没有一个比较清楚的认识。基于对IEEE 1451.X之间的关系新的认识，作者认为可以有多种不同的实现方案。我们研制了一种面向INTERNET的基于IEEE 1451.1的网络化智能机器人手爪传感器系统。
    针对网络化智能传感器的特点，我们选用了嵌入式网络模块NetBox作为NCAP的研制平台。它的微处理器是In的高性能、32-bit、嵌入式微处理器386EX。NetBox模块上设置了有多种通讯接口，包括直接可连接的以太网10BASE-T接口、标准的RS232C接口，可扩展的RS422/RS485接口以及完善灵活的精简总线接口，可与大多数的AD、DA、DIO、定时器、双口RAM等器件直接相连，而不需要任何接口逻辑电路等。我们研制了数据采集电路，把机器人手爪的多传感器数字信号和模拟信号采集到到系统中，利用CGI（通用网关接口）原理，把NETBOX作为NCAP（网络适配器），并以嵌入式WEB服务器的方式连接到INTERNET，使人们远程即可通过浏览器访问这个系统。系统中运用神经元网络的方法对机器人手爪的多个传感器数据进行了融合，获取机器人手爪当前的工作状态，为整个机器人的控制、安全操作和行走提供决策的依据。图8是系统总体框图，它由传感器、数据采集电路和NETBOX网络模块组成。
    在系统的设计中，我们采用了IEEE 1451.1标准中的一些*技术，系统具有如下特点：
    （1）电子数据表格TEDS技术，它可以充分描述传感器的类型、行为、性能属性和相关的参数，比如，传感器生产商的名称、传感器的类型和序列号等等，从而使传感器具有了自我描述能力和自我识别能力；
    （2）校正引擎技术，使传感器内部具有自动修正误差和自我补偿能力；
    （3）支持TCP/IP协议，使系统只要在任何一个具有一定IP地址的INTERNET终端节点上，做到即插即用。
四、前景展望
    IEEE 1451传感器代表了下一代传感器技术的发展方向。网络化智能传感器接口标准IEEE 1451的提出将有助于解决由于目前市场上多种现场网络并存的现象。相信，随着IEEE P1451.3、IEEE P1451.4标准的陆续制定、颁布和执行，基于IEEE 1451的网络化智能传感器技术已经不再停留在论证阶段或实验室阶段，越来越多成本低廉具备网络化功能的智能传感器/执行器涌向市场，正在并且将要更广泛地影响着人类生活。网络化智能传感器将对工业测控、智能建筑、远程医疗、环境及水文监测、农业信息化、航空航天及国防军事等领域带来革命性影响，其广阔的应用前景和巨大的社会效益、经济效益和环境效益不久将展现于世。