自模拟仪表控制系统、集中式数字控制系统和分布式控制系统大量使用以来,基于现场总线标准的分布式测量和控制系统(DMCS)的应用越来越广泛。
DMCS中控制总线网络的内部结构、通信方式和通信协议是多种多样的,其中影响较大的控制总线有PROFIBUS、Foundation Fieldbus(FF)、HART、CAN、Dupline等,每种控制总线的标准都有自己的协议格式,它们彼此不兼容。不同的现场总线在各自的领域都是成功的,不能在短时间内统一。因此,所使用的网络传感器必须符合特定的现场总线要求,这不利于系统的进一步扩展和维护等。
目前,市场上存在的控制总线网络及通信协议非常多,所以要求传感器生产商开发出能支持所有控制总线网络的传感器并不现实,而且对多数客户来讲,目前的网络化传感器只适用于特定的现场总线中。选择传感器时,经常面临如下窘境:选择的网络化传感器不能在多个现场总线上使用,更换现场总线又要付出很高的代价。
智能传感器发展迅速,不同类型的智能传感器相继推出,如果对不同的智能传感器接口与组网协议进行统一,使现有测量仪表、现场总线可以即插即用,不仅可以使布线成本降低,还可以为将来的系统升级维护和扩展奠定基础,这对传感器开发者和用户十分有益。因此,美国国家标准技术研究所与传感技术委员会为了促进IEEE 1451传感器的发展,一起制定了IEEE 1451传感器以及有关执行器的智能变送器接口的系列标准。
(一)IEEE 1451简介
制订IEEE 1451是为了开发软/硬件的连接方案,从而使变送器同微处理器、仪器系统或网络相连接,使用更加方便,使不同厂家的传感器可用于不同种的网络,还允许用户根据实际情况选择传感器和(有线或无线)网络,可以即插即用,使非标准件产品可以达到互联互通。IEEE 1451的特点是,传感器软件应用层有可移植性,应用的网络相互独立,在实际使用中传感器可互换。
IEEE 1451系列标准把数据获取、分布式传感与控制提升到更高层次,同时为构建开放式系统打下了基础。它通过一系列技术手段把传感器节点设计与网络实现分隔开来,其中包括传感器自识别、自配置以及增加系统与数据的可靠性等。为了尽可能地使智能功能接近控制点,同时使传感器的功能更切合实际测量量,TEEE 1451将功能分为网络适配处理器模块(NCAP)和变送器接口模块(TIM)。
IEEE 1451系列标准可分为2类:软件接口和硬件接口。其主要功能是对通用功能、通信协议及电子数据表的格式进行定义,加强该系列标准之间的兼容性。软件接口由IEEE 1451.0子标准和IEEE 1451.1子标准组成,主要面向对象模型描述传感器的各种特性参数,进而定义智能传感器接入不同网络时的软件接口的规范DIEEE1451.X(X为2~7)组成主智能传感器的具体应用对象硬件的接口部分。
IEEE 1451系列标准体系和特征如表6-1所示。目前,IEEE 1451传感器接口有:点对点接口UART/RS-232/RS-422/RS-485(IEEE 1451.2子标准)、多点分布式接口(IEEE 1451.3子标准,家庭电话线联盟通信协议)、数字和模拟信号混合模式接口(IEEE 1451.4子标准,1-wire通信协议)、蓝牙/802.11/802.15.4无线接口(IEEE 1451.5子标准),CAN总线使用的接口(IEEE 1451.6子标准,用于本质安全系统CANopen协议)、RFID接口(IEEE 1451.7子标准,RFID系统通信协议)。
表6-1 IEEE1451系列标准体系和特征
续表
1.IEEE 1451.0标准。定义了一个独立于NCAP到传感器模块接口的物理层,这不仅简化了不同物理层未来标准的制订程序,还可以为不同的物理接口提供通用和简单的标准。
2.IEEE 1451.1标准。定义了网络独立的信息模型,这样可以连接变送器接口与NCAP,它使用面向对象的模型定义提供给智能传感器及其组件。提供了一个简单的应用框架,不仅简化了智能传感器或执行器与多个网络的连接,而且实现了互换性应用,体现了传感器应用程序的可移植性(通常是软件的重复应用)、即插即用功能和网络的独立性。
3.IEEE 1415.2标准。定义了可将智能传感器直接连接到NCAP的标准数字接口和通信协议。它通过定义一个传感器电子数据表TEDS,使传感器模块能即插即用,同时定义了一个连接NCAP与TIM的数字接口,借助NCAP将传感器或执行器与网络相连接。
4.IEEE 1451.3标准。使用分布式多点系统数字通信和传感器电子表格格式,定义了规范的物理接口(该接口使用多个点连接多个物理分散的传感器)、TEDS数据格式、电子接口、信道区分协议、时序同步协议等,并且物理TEDS不需要放置在传感器中。此标准定义使用“迷你总线”方式实现变送器总线接口模型(TBIM)。这类迷你总线形态小巧,而且价格很便宜,能够很容易地放在传感器里,可以通过一个简易的控制逻辑接口去转变更多的数据。
5.IEEE 1451.4标准。是一项实用的通信协议与变送器电子数据表格相混合模式的技术标准。其在传统的模拟传感器的衔接方式的基础上,重新制定了一个混合模拟传感器通信协议。因此,其最大的优势在于混合模拟接口可以实现模拟接口对现场仪器的测试,并能对数据进行TEDS的读/写。操作简便、价格便宜,使传统型模拟传感器也能随时放进去模拟使用。
6.IEEE 1451.5标准。即无线通信协议与传感器电子数据表格式。这个标准定义了无线传感器通信协议和相应TEDS,目的是在IEEE 1451结构下,建立一个规范的开放式的无线传感器接口,使其在工业甚至更多的领域得到广泛应用。无线通信方式可以使用4种标准:IEEE 802.11、Bluetooth、ZigBee和6LoWPAN。使用者在选定无线通信技术时,需要考虑多种制约条件,如消耗的电量、传输的远近、数据传输速率等。
7.IEEEP 1451.6标准。它是基于CANopen协议的本质安全和非本质安全应用的高速传感器网络接口。它定义了一个稳定的CAN物理层,保证了电子表格和CANopen对象字典、通信消息、数据处理、参数配置和诊断信息的一一对应,将IEEE 1451标准和CANopen协议结合起来,在CAN总线上使用IEEE 1451标准传感器。
8.IEEE 1451.7标准。定义了射频标签(RFID)的传感器和系统的接口,制定了RFID通信协议和TEDS格式,解决了RFID基本结构中的传感器聚合问题。在无线通信空中接口应用中,IEEE 1451.7标准支持ISOIEC 18000系列RFID标准。IEEE 1451.7还非常重视传感器的形式化认证和数据的加密,以确保传感器传输安全。
IEEE 1451.X标准可一起使用或独立使用。IEEE 1451.1能独立于其他IEEE 1451.X硬件接口而单独使用,而IEEE 1451.X也可不需IEEE 1451.1而单独使用,但必须有一个类似IEEE 1451.1功能的软件结构模块,它能提供物理参数数据、应用功能函数和通信功能来把IEEE 1451.X设备与网络连接,最终发挥IEEE 1451.1的作用,如“虚拟NCAP”。
(二)IEEE 1451标准的关键技术特征
1.TIM模块
主要向NCAP发送数据和状态信息,TIM通过IEEE 1451.2定义的10线数据接口TII连接NCAP。一个TIM可以支持单个或多个信道,并且可以连接到255个传感器信道。(www.xing528.com)
从NCAP方面来考虑,TIM可以作为一个具有保存功能的配置,功能地址可以使其得到数据和实现功能,所有功能地址都包含被访问通道和要实现的功能。IEEE 1451没有定义信号的调整和数据的转变,都是通过各传感器制造商自己研发完成的。
2.NCAP模块
NCAP是介于TIM和数字网络之间的微处理器模块,功能是从TIM模块获得数据,然后把数据发送到有区别的现场总线网络,最终完成对TIM模块功能的精准智能化控制。所以,在NCAP中要嵌入网络通信协议,从而实现IEEE 1451协议,同时要具备一定的人工智能,使其不仅能够改正来源于TIM的传感器的初始数据,还能对特定应用进行数据处理和控制。
NCAP包括与TIM的通信和与外部网络的通信,其软件可实现通信、接口的操控、数据信息的更正、消息的编码和解码等功能。通常情况下,NCAP能实现变送器携带方便(软件可复用)、随时插随时就能使用、网络无关性。NCAP应用功能与所连的网络和变送器接口无关。
3.数字接口
如图6-9所示,NCAP和TIM通过10位数据接口TII连接。TII是基于SPI接口协议的点对点、带同步时钟的短距离接口。表6-2列出了引脚的分配、逻辑信号的定义和功能。NCAP与TIM之间的基本通信协议:当写入命令时,NCAP不断向DCLK发送脉冲,并将数据读到DIN线;当读取时,NCAP不断向DCLK发送脉冲,并在DOUT端口查找数据。NIOE片选信号,用于告知TIM数据传输功能已被激活,NACK可以用来确认数据位和触发信号。
图6-9 TII接口示意图
TII接口定义更加复杂,增加了实际困难和开发成本,需要简化,如用RS-232接口代替TII接口。NCAP和TIM之间的基本通信只需要DCLK、DOUT、DIN和NIOE4根线。
表6-2 TII接口引脚信号定义
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该接口有硬件触发信号,允许NCAP发起传感器测量或执行器动作,允许TIM报告要求的动作执行情况。NCAP可触发一个独立通道或一次触发所有通道,此时TEDS字段指定TIM通道间的时序偏差,确定每次测量或动作相对单次触发应答信号应在何时执行。标准提议以最慢的通道为参考,所有偏差都相对该通道。硬件数据时钟由NCAP驱动。TEDS中有字段指定TIM支持的最大数据传送率,为NCAP和TIM匹配提供了一种灵活机制。
4.电子数据表格(TEDS)
TEDS是TIM中的一个特殊的电子格式的内部存储区,用来形容TIM和与它相衔接的传感器或执行器,支持大范围的传感器或执行器的运行,而且能够自动识别对应的传感器或执行器的功能特点。TEDS详细并全面地介绍了其所对应的传感器和执行器的基本属性和特点,包含的信息有厂商、测量范围、物理单位、传输功能、输出范围、校准信息及用户数据等。如果连接上新的变送器,TIM会采用TEDS中保存的信息对其实施自主辨别,不需要研发新的驱动程序,最终实现随时插随时用的功能。
TEDS通常保存在变送器内部的电子储存器中,如EEPROM。如果遇到运行环境不允许或不方便使用EEPROM器件的情况,可以使用虚拟TEDS,TEDS文件保存在远程计算机或网络上。变送器在运行时,NCAP把TEDS保存在NCAP中,目的是实现远程网络和使用者登录。终端用户可以获取TEDS信息来检测变送器的功能、位置、性能和其他文本格式信息。
5.物理单元表示
IEEE 1451.2用1个10bit二进制码编码物理单位,使用由SI规定的7个基本物理量来表示所有被测的物理量。7个基本物理量是长度(m)、质量(kg)、时间(s)、电流(A)、温度(K)、物质的量(mol)和光强(cd)。其他物理量是由它们推导出的,7个基本物理量在传感器数学模型中都有自己的精确表达式和处理方法。另有2个从基本国际单位中得到的导出单位:弧度(radians)与球面度(stemdians)。实际还有一些量纲为1的量(称无量纲),如应变,用国际单位表示为m/m,这同样需要通过国际标准单位来描述。包括上述的7个基本单位,在网络传感器的TEDS中,所有物理量单位用10个字节(10B)表示,每个单位的顺序如表6-3所示。
表6-3中的单位指数是使用上面10个单位表达被表示物理量单位时的对应指数。除第一个外,其他单位在TEDS域表示为128+2x(单位指数)。例如,欧姆可用标准单位表示为m2/(kg3·A2),其对应TEDS域表示为0、128、128、128、132、122、128、124、128、128。
表6-3 传感器物理量单位表示方法
6.校准数学模型
传感器本身存在一些问题,如其精度可能受到性能参数的非线性、温度、电源漂移、交叉敏感参量等影响,仅靠电路设计材料和制造工艺改进难以完全解决这些问题,但可以通过软件手段校正传感器的模型处理过程。IEEE 1451协议通过这种方式,在TEDS中定义校正TEDS并存储在TIM中,允许传感器制造商对各通道的多变量校准进行描述。
NCAP获取校正TEDS,通过校正引擎来完成传感器的校正。修正引擎从TEDS中读入校准参数(含各通道校准模型、被测物理量单位、校准系数等)和传感器的实际输出,并将其转换为实际的输入物理量值。修正引擎功能强大,它在为大范围内的传感器提供标准方式描述校准常数和修正系数方面,具有很大潜力。
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