IEEE1451系列标准的介绍和应用

1）IEEE 1451系列标准的诞生

微处理器与传统传感器相结合，产生了功能强大的智能传感器。智能传感器的出现使传统的工业测控取得了巨大的进步，并且在工业生产、国防建设和其他科技领域发挥着重要的作用。

继模拟仪表控制系统、集中式数字控制系统、分布式控制系统之后，基于各种现场总线标准的分布式测量和控制系统得到了广泛的应用。这些系统所采用的控制总线网络多种多样、千差万别，其内部结构、通信接口、通信协议等各不相同。

目前市场上在通信方面所遵循的标准主要包括IEEE 803.2（以太网）、IEEE 802.4（令牌总线）、IEEE FDDI（光纤布式数据接口）、TCP／IP（传输控制协议／互联协议）等。人们以此来连接各种变送器，包括传感器和执行器，并要求所选的传感器／执行器必须符合上述标准的有关规定。一般来说，这类测控系统的构成都可以采用如图6－1所示的结构来描述。

图6－1　一种分布式测量和控制系统结构的示例

图6－1简单地表示了一种分布式测量和控制系统的典型应用案例，是目前市场上比较常见的现场总线的系统结构。实际上，由于这种系统的构造和设计是基于各种网络总线的标准而定的，每种总线标准都有自己规定的协议格式，相互之间互不兼容，这给系统的扩展、维护等带来了不利的影响。

对传感器／执行器的生产厂家来说，要让自己的产品得到更大的市场份额，产品本身就必须符合各种标准的规定，因此需要花费很大的精力来了解和熟悉这些标准，同时要使硬件的接口符合每一种标准的要求，这无疑将增加制造商的成本。对于系统集成开发商来说，必须充分了解各种总线标准的优缺点，并能够提供符合相应标准规范的产品，选择合适的生产厂家提供的传感器／执行器使之与系统匹配。对于用户来说，经常要根据需求来扩展系统的功能，要增加新的智能传感器／执行器，选择的传感器／执行器就必须能够符合原来系统所选择的网络接口标准。但在很多情况下这是难以满足的，因为智能传感器／执行器的大多数厂家都无法提供满足各种网络协议要求的产品。如果更新系统，将给用户的投资利益带来很大的损失。

针对上述情况，1993年开始，有人就提出了构造一种通用的智能化变送器标准，并在1995年5月给出了相应的标准草案和演示系统，这最终成为了一种通用标准。智能化网络变送器接口标准的实施，有效地改善了因多种现场总线网络并存而让变送器制造商无所适从的现状，智能化传感器／执行器在分布式网络控制系统中得到了广泛的应用。

IEEE 1451系列标准是由IEEE仪器和测量协会的传感器技术委员会发起并制定的。由于现场总线标准不统一，各种现场总线标准都有自己规定的通信协议且互不兼容，这给智能传感技术的应用与扩展带来了不便。IEEE 1451标准族就是在这样的情况下被提出来的。对于智能化网络传感器接口的内部标准和软硬件结构，IEEE 1451系列标准都作出了详细的规定。该标准大大简化了由传感器／执行器构成的各种网络控制系统，并能够最终实现各个传感器／执行器厂家的产品相互之间的转换。

制定IEEE 1451系列标准的目的就是通过定义一套通用的通信接口，以使变送器，即传感器／执行器能够独立于网络，并与现有的基于微处理器的系统、仪器仪表和现场总线网络相连，以解决不同网络之间的兼容性问题，能够最终实现变送器到网络的互换性与互操作性。IEEE 1451标准族定义了变送器的软、硬件接口，而且该标准族的所有标准都支持变送器电子数据表（Transducer Electronic Data Sheets，TEDS）的概念，为变送器提供了自识别和即插即用的功能。

IEEE 1451标准将传感器分成了两层模块结构。第一层模块用来运行网络协议和应用硬件，称之为网络适配器（Network Capable Application Processor，NCAP）；第二层模块为智能变送器接口模块（Smart Transducer Interface Module，STIM），其中包括变送器电子数据表。

2）IEEE 1451系列标准的发展历程

1993年9月，IEEE的第九技术委员会，即传感器测量和仪器仪表技术协会接受了一种智能传感器通信接口的协议。1994年3月，美国国家标准技术协会和IEEE共同组织了一次关于制定智能传感器接口和智能传感器连接网络通用标准的研讨会。1995年4月，成立了两个专门的技术委员会，即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工作组主要定义了TEDS和数字接口标准，包括STIM和NACP之间的通信接口协议和引脚定义分配。

IEEE 1451.1标准在1999年6月通过了IEEE的审核批准。IEEE 1451.1标准采用面向对象的方法定义了一个与网络无关的信息对象模型，并将这个信息对象模型作为网络适配器与各类智能变送器相连的接口，如图6－2所示。IEEE 1451.1标准为所支持的设备和设备的应用提供了良好的通用性，使得智能变送器与各网络之间的连接所受到的限制更少，连接变得更加容易。

图6－2　IEEE 1451.1标准的智能变送器模型(www.xing528.com)

IEEE 1451.2标准被称为变送器与微处理器的通信协议和变送器电子数据表格式。它定义了变送器电子数据表及其格式、一个连接变送器到微处理器的10线变送器独立接口（Transducer Independent Interface，TII）和变送器与微处理器之间的通信协议。IEEE 1451.2标准在1997年9月通过了IEEE的审核批准。它是在变送器和微处理器之间需要制定一个独立的数字通信接口标准的情况下产生的，它使得变送器具有很好的兼容的即插即用功能。

后来，技术委员会针对大量的模拟量传输方式的测量控制网络和小空间数据交换问题，成立了另外两个工作组P1451.3和P1451.4。P1451.3负责制定与模拟量传输网络与智能网络化传感器的接口标准，P1451.4则负责制定小空间范围内智能网络化传感器相互之间的互联标准。

IEEE 1451.3标准被称为分布式多点系统数字通信和变送器电子数据表格式，在2003年9月被IEEE审核批准。它为连接多个物理上分散的变送器定义了一个数字通信接口，同时还定义了TEDS数据格式、电子接口、信道区分协议、时序同步协议等。

IEEE 1451.4标准被称为混合模式通信协议和变送器电子数据表格式，在2004年3月得到了IEEE的认可。这是一项实用的技术标准，它使变送器电子数据表格与模拟测量相兼容。

制定IEEE 1451.4标准的主要目的包括：通过提供一个与传统传感器兼容的通用IEEE 1451.4传感器通信接口使得传感器具有即插即用功能，简化智能传感器的开发，简化仪器系统的设置与维护，在传统仪器与智能混合型传感器之间提供一个桥梁，以及使得内存容量小的智能传感器的应用成为可能。

虽然许多混合型，即能非同时地以模拟和数字的方式进行通信的智能传感器的应用已经得到了发展，但是由于没有统一的标准，市场接受起来比较缓慢。一般来说，市场可接受的智能传感器接口标准不但要适应智能传感器与执行器的发展，而且还要使其开发成本较低。

IEEE 1451.4就是一个混合型智能传感器接口的标准。它使得工程师们在选择传感器时不用考虑网络结构，这就减轻了制造商要生产支持多网络的传感器的负担，也使得用户在需要把传感器移到另一个不同标准的网络时能够减少开销。IEEE 1451.4标准通过定义不依赖于特定控制网络的硬件和软件模块来简化网络传感器的设计，这也推动了含有传感器的即插即用系统的开发。

IEEE 1451系列标准的组成结构如图6－3所示。从图中可以看出，这些标准既可以在一起应用，构成多种网络类型的智能传感器系统，也可以单独使用。

图6－3　IEEE 1451系列标准的组成结构

讨论IEEE 1451系列标准时，一定要注意到所有的IEEE 1451系列标准都能单独或联合使用。例如，一个具有P145 1.1模型的“黑盒子”传感器与一个P1451.4兼容的传感器相连接，是符合P1451系列标准定义的。

3）IEEE 1451系列标准的发展动向

IEEE还在着手制定无线连接的各种传感设备的接口标准。该标准的名称为IEEE 1451.5，主要用于使用计算机等主机设备综合管理建筑物内各传感设备获得的数据。

随着无线通信技术的发展，基于手机的无线通信网络化仪器和基于无线互联网的网络化仪器等新兴仪器正在改变着人类的生活。IEEE 1451.5提议标准即无线传感器通信与TEDS格式，早在2001年6月就被提出来了，其主要是要在已有的IEEE 1451系列标准的框架下，构筑一个开放的标准无线传感器接口，以满足工业自动化等不同应用领域的需求。

IEEE 1451.5提议标准主要能为智能传感器的连接提供无线解决方案，尽量减少有线传输介质的使用。需要指出的是，IEEE 1451.5提议标准描述的是智能传感器与NCAP模块之间的无线连接，并不是指NCAP模块与网络之间的无线连接。

IEEE 1451.5提议标准的工作重点在于制定无线数据通信过程中的通信数据模型和通信控制模型。它主要包括两个内容，一个是为变送器的通信定义一个通用的服务质量（Quality of Service，QoS）机制，以使其能够对任何无线电技术进行映射服务；另一个是对于每种无线发送技术都要有一个映射层，用来把无线发送的具体配置参数映射到QoS机制。