當前位置:首頁 > 工業(yè)控制 > 工業(yè)控制
[導讀] 為了給傳感器配備一個通用的軟硬件接口,使其方便地接入各種現(xiàn)場總線以及Internet和Intranet,從1993年開始,美國國家標準技術(shù)研究所和IEEE儀器與測量協(xié)會的傳感技術(shù)委員會聯(lián)合制定了智能傳感器通用通信接口標準,即

 為了給傳感器配備一個通用的軟硬件接口,使其方便地接入各種現(xiàn)場總線以及Internet和Intranet,從1993年開始,美國國家標準技術(shù)研究所和IEEE儀器與測量協(xié)會的傳感技術(shù)委員會聯(lián)合制定了智能傳感器通用通信接口標準,即IEEE1451的智能變送器標準接口。針對變送器工業(yè)各個領(lǐng)域的要求,多個工作組先后建立并開發(fā)了接口標準的不同部分。

1 IEEE1451標準族介紹


IEEE1451是一個智能傳感器接口的標準族,它定義了一系列為使智能傳感器連接到微處理器、儀表系統(tǒng)和現(xiàn)場控制網(wǎng)絡(luò)的開放、通用、獨立于網(wǎng)絡(luò)的標準[1],提供了一系列基于監(jiān)測和控制應(yīng)用的有線或無線的協(xié)議。IEEE1451接口標準結(jié)構(gòu)如圖1所示[2]。

在IEEE1451標準族中,IEEE1451.0標準定義了傳感器和執(zhí)行器多種通用配置命令集,如點對點、分布多點和無線的配置,以適應(yīng)各種應(yīng)用的需要。而且還規(guī)定了通用變送器電子表(TEDS)的格式,目的在于提高IEEE1451系列標準之間的互操作性,簡化針對網(wǎng)絡(luò)適配器(NCAP)和智能變送器接口模塊(STIM)使用不同物理層傳輸介質(zhì)連接相關(guān)標準制定的工作難度和工作量。

IEEE1451.1:主要定義了NCAP的信息模型,這一標準為NCAP規(guī)定了一個公共的上層對象模型,網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和變送器模塊類型不同,其對象模型就有不同的版本。一個簡單的編程模型封裝了傳感器硬件實現(xiàn)的細節(jié),規(guī)定了不同NCAP與STIM物理層版本在具體實現(xiàn)時的軟件接口規(guī)范。
IEEE1451.4:主要針對于傳感器和變送器的混合模式通信協(xié)議及傳感器電子數(shù)據(jù)表格式。混合模式接口的智能型傳感器定義了一種為傳統(tǒng)模擬模式的傳感器和變送器增加自我識別技術(shù)的機制。
IEEE1451.5:定義了無線傳感器通信以及TEDS格式,定義了無線變送器模塊WTIM(Wireless Transducer Interface Module)與NCAP之間通過無線方法建立連接的有關(guān)事項。

2 系統(tǒng)概述

本系統(tǒng)的設(shè)計背景為遠程環(huán)境檢測??紤]到設(shè)備主要應(yīng)用在野外,地形比較復(fù)雜, IEEE1451.2-4標準都是基于有線連接的,連線困難。而IEEE1451.5標準是基于無線傳輸技術(shù)的,也就是NCAP和WTIM之間的通信是基于無線傳輸技術(shù),可以節(jié)省成本,而且還方便今后對系統(tǒng)的升級改造。但本系統(tǒng)的TIM部分和WTIM部分采用的是IEEE1451.4標準的MMI接口。因為MMI允許TEDS的數(shù)字信號和傳感器的模擬信號隔離傳輸,可以很方便地將傳統(tǒng)傳感器改造為符合標準的智能傳感器。系統(tǒng)框圖如圖2所示。

本系統(tǒng)包括三個部分:(1)變送器接口模塊(TIM)。該部分的主要功能是采集傳感器的模擬信號,并與TEDS的數(shù)字信號通過IEEE1451.4的標準MMI接口傳送到控制器;(2)無線變送器接口模塊(WTIM)。該部分包含一個控制器、一個無線收發(fā)器和MMI(Mixed-Mode Interface)接口。MMI接口接收TIM傳來的信息并對其進行處理,將處理完的信息傳給無線發(fā)送設(shè)備,由后者發(fā)送出去;(3)網(wǎng)絡(luò)適配器NCAP。該部分主要由無線收發(fā)設(shè)備、控制器和DTU設(shè)備組成。無線收發(fā)設(shè)備收到WTIM發(fā)送的信息后傳送給處理器,處理器做相應(yīng)處理后通過相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議將數(shù)據(jù)發(fā)送到遠程終端。

2.1 硬件設(shè)計

本設(shè)計選用STM32系列單片機作為各部分的主控制器。STM32 是意法半導體基于ARM CortexTM-M3 的32 bit嵌入式處理器,具有運算速度快、外設(shè)資源豐富等特點,而且其價格僅與8 bit單片機相當,性價比極高。因此本設(shè)計選用該芯片。

IEEE1451.5標準的目標是為使用不同通信技術(shù)的無線傳感器提供一個統(tǒng)一的接口,采用已經(jīng)成熟的無線通信技術(shù)作為接口標準,并不是開發(fā)一種新的無線通信技術(shù),而是基于該標準的無線傳感網(wǎng)絡(luò)接口在WTIM和 NCAP之間定義了多種無線通信方式。目前,其主要的通信協(xié)議有三種:IEEE 802.11協(xié)議、Bluetooth協(xié)議和ZigBee協(xié)議。從三者的開發(fā)成本、傳輸距離、速度等各個方面比較,本系統(tǒng)選用了由ZigBee技術(shù)來構(gòu)建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[3-4]。

本設(shè)計選用TI公司生產(chǎn)的符合ZigBee技術(shù)的CC2530射頻模塊。該芯片是一款真正的系統(tǒng)芯片(SoC)CMOS 解決方案,這種解決方案能夠提高性能并滿足以ZigBee為基礎(chǔ)的2.4 GHz IAM波段應(yīng)用對低成本、低功耗的要求。

2.2 操作系統(tǒng)

由于本系統(tǒng)的各部分任務(wù)比較多,所以軟件需要使用嵌入式操作系統(tǒng)。應(yīng)用比較廣泛的有以VxWorks、?滋C/OS等為代表的國外開發(fā)的操作系統(tǒng),也有以RT-Thread為代表的國內(nèi)開發(fā)的操作系統(tǒng)。國外的操作系統(tǒng)雖然應(yīng)用比較廣泛,但費用也比較高,使成本加大。

而國內(nèi)開發(fā)的RT-Thread是一個開放源代碼的實時操作系統(tǒng),并且商業(yè)許可證是非常寬松的實時操作系統(tǒng)。采用面向?qū)ο箫L格的設(shè)計是RT-Thread一個很大的特點,但它又不像eCOS操作系統(tǒng)那樣純粹使用C++來實現(xiàn),而是采用了一種C編碼的面向?qū)ο缶幊?。面向?qū)ο笤O(shè)計更適合于人類思考問題的特點(例如繼承),可以讓具備相同父類的子類共享使用父類的方法,這樣可以很方便地創(chuàng)造更多的函數(shù)。對象的好處在于封裝,因為當一個對象封裝好了并測試完成后,基本上就代表這個類是健全的,從這個類派生的子類不需要過多考慮父類的不穩(wěn)定性[5]。

3 TIM設(shè)計

IEEE1451.4標準的核心是TEDS,TEDS包含了傳感器的相關(guān)信息,其信息有:廠商信息、模塊編號、版本信息、產(chǎn)品序列號、靈敏度、測量范圍、物理單位、傳輸功能、輸出范圍、校準信息以及用戶數(shù)據(jù)等[6-7]。TEDS被存儲在EEPROM中,系統(tǒng)一旦上電或接受了請求,TEDS 就上載到系統(tǒng)。TEDS簡化了傳感器的安裝,一個被損壞的傳感器可以直接被替換而不需要更改任何設(shè)置。
TEDS包含一個64 bit的信息,稱為“Basic TEDS”,每一個傳感器必須包含一個Basic TEDS。表1為Basic TEDS包含的內(nèi)容。

由于TEDS存儲器大小的限制,Basic TEDS的信息應(yīng)該被壓縮到符合存儲器的要求。典型的系統(tǒng)存儲器存儲信息的單位為8 bit或者16 bit。但是TEDS可以做到按1 bit來存儲有效信息。這就要求謹慎小心地解析數(shù)據(jù)來獲得所需要的信息,給編程提出了更高的要求。此外,還可以根據(jù)不同的傳感器類型,選擇不同的模板來設(shè)計標準模板TEDS。最后可以根據(jù)用戶需要添加一些用戶自定義信息。本系統(tǒng)所使用的溫度傳感器的TEDS如表2所示。


4 WTIM 設(shè)計

WTIM 部分可以通過MMI 接口將傳感器的TEDS 讀出, 并將其通過無線設(shè)備發(fā)送給NCAP, 并且通過IEEE1451.0 標準定義的通用API 函數(shù)來控制可讀取傳感器和執(zhí)行器的運行狀態(tài)。WTIM 狀態(tài)圖如圖3 所示。

在WTIM一上電時即進入初始化狀態(tài),隨后馬上進入PREREG狀態(tài)。在PREREG狀態(tài)中TIM要通過完成向NCAPREG的任務(wù),之后進入NCAPREG狀態(tài)。進入NCAPREG狀態(tài)意味著WTIM已經(jīng)與一個NCAP進行了連接,但是并沒有被設(shè)置與TIM完成數(shù)據(jù)交互。當NCAP設(shè)置WTIM與TIM進行數(shù)據(jù)交互時,它就會發(fā)送一個開放命令和一個或多個寫命令,然后WTIM進入OPEN狀態(tài)。在OPEN狀態(tài)中,WTIM就可以和NCAP、TIM進行數(shù)據(jù)交互了。OPEN狀態(tài)可以被關(guān)閉命令終止。如果多次通信失敗,則表明TIM當前沒有通道可用,WTIM將由OPEN狀態(tài)轉(zhuǎn)為NCAPREG狀態(tài)。如果TIM沒有被注冊,則WTIM狀態(tài)由NCAPREG狀態(tài)轉(zhuǎn)為PREREG狀態(tài),進行TIM注冊。

5 NCAP設(shè)計

符合IEEE1451.5標準的NCAP支持接入多個同一技術(shù)標準的WTIM。當首次上電NCAP進入初始化狀態(tài)時,馬上進入UNREGDOT5狀態(tài)。根據(jù)設(shè)計要求,NCAP應(yīng)該包含一個符合ZigBee技術(shù)標準的協(xié)調(diào)器,在UNREGDOT5狀態(tài)意味著協(xié)調(diào)器并沒有建立一個有效的ZigBee網(wǎng)絡(luò)。之后NCAP將進行網(wǎng)絡(luò)的注冊和建立,這時NCAP就會進入DOT5REG狀態(tài)。DOT5REG狀態(tài)說明NCAP已經(jīng)建立了一個網(wǎng)絡(luò),但是并沒有和WTIM建立連接,因此也就不存在與TIM進行數(shù)據(jù)交互。NCAP網(wǎng)絡(luò)注冊狀態(tài)圖如圖4所示。


當一個NCAP 建立的網(wǎng)絡(luò)有一個或多個WTIM 注冊時, 它就會進入TIMREG 狀態(tài)。在這一狀態(tài)NCAP 會完成對所有TIM 的注冊。為了完成與TIM 的數(shù)據(jù)交互,NCAP 會發(fā)送一條開放命令和一條或多條寫命令, 隨后NCAP 進入OPEN 狀態(tài)。在OPEN 狀態(tài), 即可以和WTIM進行數(shù)據(jù)交互。OPEN 狀態(tài)可以被關(guān)閉命令結(jié)束。因為NCAP 維持各個WTIM 相互獨立, 所以NCAP 可以在任
何時刻發(fā)現(xiàn)和連接節(jié)點。NCAP 運行狀態(tài)圖和順序圖分別如圖5、圖6 所示。

在國外對于智能傳感器的研究起步比較早,到目前為止已有相當一部分投入到應(yīng)用中,如在遠程監(jiān)控和控制、分布測量和控制系統(tǒng)中的應(yīng)用和在協(xié)作式測量和控制中的應(yīng)用。而國內(nèi)對于IEEE1451標準族的研究還處于起步狀態(tài),一些高等院校也在進行針對IEEE1451標準族的研究,但是目前絕大部分的研究工作還是停留在對標準本身的解釋和闡述,并沒有將其應(yīng)用在實際的工程中。而且主要集中于對IEEE1451協(xié)議中較早版本的研究,明顯落后于國外的研究現(xiàn)狀。

本文將IEEE145標準族中的四種標準通過組合使用,設(shè)計完成了一套完整的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng),這對于IEEE1451標準的推廣有一定的現(xiàn)實意義。

本站聲明: 本文章由作者或相關(guān)機構(gòu)授權(quán)發(fā)布,目的在于傳遞更多信息,并不代表本站贊同其觀點,本站亦不保證或承諾內(nèi)容真實性等。需要轉(zhuǎn)載請聯(lián)系該專欄作者,如若文章內(nèi)容侵犯您的權(quán)益,請及時聯(lián)系本站刪除。
換一批
延伸閱讀

9月2日消息,不造車的華為或?qū)⒋呱龈蟮莫毥谦F公司,隨著阿維塔和賽力斯的入局,華為引望愈發(fā)顯得引人矚目。

關(guān)鍵字: 阿維塔 塞力斯 華為

加利福尼亞州圣克拉拉縣2024年8月30日 /美通社/ -- 數(shù)字化轉(zhuǎn)型技術(shù)解決方案公司Trianz今天宣布,該公司與Amazon Web Services (AWS)簽訂了...

關(guān)鍵字: AWS AN BSP 數(shù)字化

倫敦2024年8月29日 /美通社/ -- 英國汽車技術(shù)公司SODA.Auto推出其旗艦產(chǎn)品SODA V,這是全球首款涵蓋汽車工程師從創(chuàng)意到認證的所有需求的工具,可用于創(chuàng)建軟件定義汽車。 SODA V工具的開發(fā)耗時1.5...

關(guān)鍵字: 汽車 人工智能 智能驅(qū)動 BSP

北京2024年8月28日 /美通社/ -- 越來越多用戶希望企業(yè)業(yè)務(wù)能7×24不間斷運行,同時企業(yè)卻面臨越來越多業(yè)務(wù)中斷的風險,如企業(yè)系統(tǒng)復(fù)雜性的增加,頻繁的功能更新和發(fā)布等。如何確保業(yè)務(wù)連續(xù)性,提升韌性,成...

關(guān)鍵字: 亞馬遜 解密 控制平面 BSP

8月30日消息,據(jù)媒體報道,騰訊和網(wǎng)易近期正在縮減他們對日本游戲市場的投資。

關(guān)鍵字: 騰訊 編碼器 CPU

8月28日消息,今天上午,2024中國國際大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)博覽會開幕式在貴陽舉行,華為董事、質(zhì)量流程IT總裁陶景文發(fā)表了演講。

關(guān)鍵字: 華為 12nm EDA 半導體

8月28日消息,在2024中國國際大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)博覽會上,華為常務(wù)董事、華為云CEO張平安發(fā)表演講稱,數(shù)字世界的話語權(quán)最終是由生態(tài)的繁榮決定的。

關(guān)鍵字: 華為 12nm 手機 衛(wèi)星通信

要點: 有效應(yīng)對環(huán)境變化,經(jīng)營業(yè)績穩(wěn)中有升 落實提質(zhì)增效舉措,毛利潤率延續(xù)升勢 戰(zhàn)略布局成效顯著,戰(zhàn)新業(yè)務(wù)引領(lǐng)增長 以科技創(chuàng)新為引領(lǐng),提升企業(yè)核心競爭力 堅持高質(zhì)量發(fā)展策略,塑強核心競爭優(yōu)勢...

關(guān)鍵字: 通信 BSP 電信運營商 數(shù)字經(jīng)濟

北京2024年8月27日 /美通社/ -- 8月21日,由中央廣播電視總臺與中國電影電視技術(shù)學會聯(lián)合牽頭組建的NVI技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟在BIRTV2024超高清全產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展研討會上宣布正式成立。 活動現(xiàn)場 NVI技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)...

關(guān)鍵字: VI 傳輸協(xié)議 音頻 BSP

北京2024年8月27日 /美通社/ -- 在8月23日舉辦的2024年長三角生態(tài)綠色一體化發(fā)展示范區(qū)聯(lián)合招商會上,軟通動力信息技術(shù)(集團)股份有限公司(以下簡稱"軟通動力")與長三角投資(上海)有限...

關(guān)鍵字: BSP 信息技術(shù)
關(guān)閉
關(guān)閉