（控制理论与控制工程专业论文）基于ieee1451标准网络传感器的研究.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 传感器作为信息时代的数据源己越束越重要，而随着计算机技术与通讯技术 的发展，传感器技术的发展也进入了新的阶段一智能化与网络化阶段。如何将传 感器与不断普及与完善的计算机网络相结合，已成为传感器的一个重要的发展方 向。 目前市场上多种现场总线并存，各个厂家从各自的技术基础和市场应用角度 出发，推出的智能传感器产品往往互不兼容，这就影响了智能传感器的发展和实 际应用，为了解决智能传感器产品互不兼容的问题，实现在网络条件下智能传感 器接口的标准化，i e e e 组织制定了针对网络化智能变送器( 传感器) 的接口标准 皿e e l 4 5 1 。 “ 本文在深入分析和研究智能传感器标准- - i e e e l 4 5 1 标准的基础上，结合以太 网网络，研究了网络传感器原理，提出了网络传感器的软、硬件设计方案。 根据难e e l 4 5 1 1 和i e e e l 4 5 1 2 标准，网络传感器分为智能变送器接口模块 s t i m 和网络适配器模块n c a p 两部分，硬件实现采用双m c u 设计，网络适配器模 块n c a p 的控制器采用飞思卡尔的m c 9 s 1 2 n e 6 4 单片机，智能变送器接口模块 s t i m 的控制器采用p i c l 6 f 8 7 7 单片机。 t 智能变送器模块s t i m 遵循i e e e l 4 5 1 2 标准，研究了电子数据表格t e d s 、1 0 线的t i i 接口以及地址逻辑功能，实现了传感器的自我描述功能和即插即用功能。 网络适配器模块n c a p 主要研究了t c p 协议栈和嵌入式w 曲服务器功能，提供了 以太网接入功能，实现了传感器的网络化，同时该模块还研究了数据校正引擎功 能。并且由于一个n c a p 可以连接多个s t i m ，可以容易的形成分布式控制。 最后，对网络传感器的功能进行了测试。实验表明，网络传感器的模型是可 行的，可用于以太网环境下的分布式测控。 关键词：i e e e l 4 5 1 标准t c p i p 协议网络传感器w e b 服务器 i i i 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t s e n s o ra sas o u r c eo f d a t ai sm o r ea n dm o r ei m p o r t a n ti ni n f o r m a t i o ne r a w i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n to f c o m p u t e ra n dc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e s ，t h es e n s o r t e c h n o l o g yh a sd e v e l o p e di n t oan e wp e r i o d ，n a m e l yt h es m a r ta n dn e t w o r k e ds e n s o r s h o wt oc o m b i n es e n s o ra n dn e t w o r k ，i tb e c o m e sai m p o r t a n tw a yf o rs e n s o r a tp t e s e n t ，i n t e l l i g e n ts c t = l s o r sa r en o tc o m p a t i b l eb e c a u s eo fm u l t i f i e l db u s t h i s w i l li n f l u e n c ei n t e l l i g e n ts e n s o r s d e v e l o p m e n ta n di m p l i c a t i o n a m i n ga tt h i sq u e s t i o n ， i e e es e t sd o w ni n t e l l i g e n ts e n s o ri n t e r f a c es t a n d a r d i e e e l 4 5 1f o r r e a l i z i n g t r a n s d u c e ri n t e r f a c es t a n d a r d i z a t i o n a f t e rac a r e f u ld i s c u s s i o no ft h es m a r tt r a n s d u c e rs t a n d a r d i e i e e e1 4 5 1 s t a n d a r d ，t h i sd i s s e r t a t i o np r e s e n t sa ni n t e r n e t e n a b l e ds m a r tt r a n s d u c e rm o d e l ，i e a n n e t w o r ks e n s o rm o d e l ，a n dr e a l i z e si t sf u l lw o r k i n gp r o t o t y p e a c c o r d i n gt oi e e e l 4 5 1 1a n d1 4 5 1 2 ，h e r e i n ，t h ep r o p o s e dn e t w o r ts e n s o rm o d e l i sm a d eu po ft w op a r t s ：i n c l u d i n gn a m e l yn e t w o kc a p a b l ea p p l i c a t i o np r o c e s s o r m o d u l e ( n c a p ) a n ds m a r tt r a n s d u c e ri n t e r f a c em o d u l e ( s t i m ) t h eh a r d w a r eu s e s t o w m c u w h i c h m c 9 s 1 2 n e 6 4 f o r n e a p a n d p i c l 6 f 8 7 7 如r s t i m t h es t i mi sc o m p l i a n tw i t hi e e e1 4 5 1 2s t a n d a r da n di n c l u d e st r a n s d u c e r e l e c t r o n i cd a t as h e e t ( t e d s ) ，t r a n s d u c e r - i n d e p e n d e n ti n t e r f a c e ( t i i ) a d d r e s s i n g l o g i c ，e t c n e a pi m p l e m e n t st h et c p f l ps t a c ka n da ne m b e d d e dw e bs e r v e ra n d p r o v i d e st h es t a n d f i r du s e ri n t e r f a c eb a s e do nw e bb r o w s e r s ，w h i c hm a k e t h en e ts e n s o r i n t e m e tv i s i b l ea n dc a p a b l e n e a pa l s oi m p l e m e n t st h ed a t ac o r r e c t i o ne n g i n e f i n a l l y , s o m ee x p e r i m e n t sa l em a d et ov e r i f yt h ef u n c t i o n so ft h ep r o p o s e dn e t s e n s o r t h er e s u l t se x p e r i m e n t a l l ys h o wt h a tt h ep r o p o s e dn e ts e n s o ri sf e a s i b l ea n d s u i t a b l ef o ri n t e m e t - b a s e d a p p l i c a t i o n s k e yw o r d s ：i e e e l 4 5 1t c p i pw e bs e r v e rn e t w o r k s e n s o r 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：盥：生日期：塑! ：竺塑 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，、同意学校保留或向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅：本人 授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数掘库进行检索，可 以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：! l 些二导师签名：趸鱼习兰日 期：掣塑 山东大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 自8 0 年代提出现场总线概念以来，国际上著名自动化产品及现场设备生产厂 家，意识到现场总线技术是未束发展方向，纷纷结成企业联盟，推出自己的总线 标准及产品，在市场上培养用户、扩大影响，并积极支持国际标准组织制定现场 总线国际标准。与此相适应，各种基于现场总线的智能传感器技术也迅速地发展 起来。但目前市场上多种现场总线并存，各个厂家从各自的技术基础和市场应用 角度出发，推出的智能传感器产品往往互不兼容，这就影响了智能传感器的发展 和实际应用 t l 。 而对于大型工业现场设备的测控系统，连接的传感器、执行器数以万计，这 样就不仅要解决各种现场总线标准彼此之间互不兼容的问题，还要考虑随着现场 环境的变化和网络系统的必要调整，如何对大量的传感器进行再次校准的问题。 因此，对于企业来说特别需要减少其中的总线数量最好是能够统一为一种总线或 网络，这样有利于简化布线，既节省空间又降低了成本，而且在系统维护方面也 ， 大为方便。 为了解决智能传感器产品互不兼容的问题，实现在网络条件下智能传感器接 口的标准化，i e e e 组织制定了针对网络化智能变送器( 传感器) 的接1 2 1 标准i e e e 1 4 5 1 。i e e e l 4 5 1 标准的出现为研究解决通用智能传感器的设计开发问题，提供了 一个可以共同遵循的基础，使得构造通用智能传感器的设计开发平台有了可能。 另一方面，基于全球通用的t c p i p 协议的以太网在企业和工厂中普遍应用， 这就使数据采集和信息传输等都能直接i n t e r a c t 上进行，既统一了标准，又使工业 测控数据能直接在i n t e m e t 上动态发布和共享，供相关技术人员、管理人员参考， 使企业拥有一个一体化的网络平台。使传感器实现t c p i p 协议，使现场测控数据 在网络所能及的范围内适时发布和共享，正是具有以太网功能的网络传感器的研 究目标所在。 本论文在深入分析和讨论i e e e l 4 5 1 标准和t c p i p 协议的基础上提出网络传感 器的模型，并详细论述了网络传感器的研究过程。 山东大学硕士学位论文 1 2 网络传感器的发展及研究现状 传感器是能够感受舰定的被测量并按一定规律转换成可用输出信号的器件或 装霄的总称，通常被测量是非电物理量，输出信号一般为电量【2 1 。当今世界正面临 一场新的技术革命，这场革命的主要基础是信息技术，而传感器技术被认为是信 息技术三大支柱之一。一些发达国家都把传感器技术列为与通信技术和计算机技 术同等位置。随着现代科学发展，传感技术作为一种与现代科学密切相关的新兴 学科也得到迅速的发展，并且在工业自动化、测量和检测技术、航天技术、军事 工程、医疗诊断等学科被越来越广泛地利用，同时对各学科发展还有促进作用。 目前在全世界有6 0 0 0 多家公司生产传感器，品种多达上万种【3 1 。 传感器的发展大致可分为三个阶段，即模拟传感器、数字传感器和智能传感 器。 变送器单元 信号条理单元 模拟网络接口 l 数字化处理 数据处理中心 变送器单元 信号条理单元 数字化处理模块 数字网络接口 ili + + + 数据处理中心 变送器单元 信号条理单元 数字化处理模块 数据处理模块 智能控制模块 独立网络接口 1 模拟传感器2 数字传感器3 智能传感器 图1 1 传感器发展过程及内部结构 第一阶段的传感器是模拟仪表和计算机时代的产物。主要设计思想是把外部 信息变换成摸拟电压或电流信号。模拟传感器输出的信号没经过处理，它的功能 很少、输出幅值小、灵敏度低。 2 0 世纪7 0 年代以来，计算机技术、微电子技术、光电子技术获得迅猛发展， 加工工艺逐步成熟，新型的敏感材料不断被开发，在高新技术的渗透下，尤其是 计算机硬件和软件技术的渗入，促使传感器技术与计算机技术相结合，将信号处 理电路集成到传感器中，对传感器输出的信号进行数字化处理，再进行数字化传 2 山东大学硕士学位论文 输，从而提高传感器的性能，这就是数字传感器【4 j ，如图1 1 ( 2 ) 所示，与模拟传 感器相比，它增加了数字化处理模块和数字化网络接口。这种传感器有了一定的 数据处理能力，但智能化较弱。 2 0 世纪8 0 年代以来，网络通讯技术逐步走向成熟并渗透到各行各业。计算机 技术与通讯技术的结合就是在这个时期发生的。智能变送器，即智能传感器与智 能执行器的总称，就是把模拟或数字的传感器或执行器单元与集成了处理器、存 储器、接口电路和网络控制器的本地微控制器进行整合，使变送器具有一定程度 的智能如图1 1 ( 3 ) 。智能传感器具有信号处理，a d 转换，数据处理以及自校检、 自补偿等功能。微处理器是智能传感器的核心，它不但可以对传感器测量的数据 进行计算、存储和处理，还可以通过反馈回路对传感器进行调节瞪】。同时由于现场 总线技术的发展，将现场总线技术应用于智能传感器，大大减少了传感器与主控 系统的连线以及通信带宽，有效降低了系统成本与复杂度，特有的分层体系结构 尖现了分布式智能。这种具有通信功能的智能传感器也被认为是网络传感器。 现场总线最初的目的是形成单一标准的控制网络协议，但是，一方面由于商 业利益的驱动，各开发商根据不同的工业需求开发出不同总线协议的产品，从而 在目前形成了多种现场总线协议并存的局面，比较有影响的现场总线有：c a n 、 ， l o n w o r k s 、p r o f i b u s 、h a r t 、f f 和w o r d f i p 等。每砷总线标准都有自己规定的协 议格式，相互之间互不兼容，给系统的扩展、维护等带来j 不利的影响：对于传 感器执行器的生产厂家来说，如果希望自己的产品占较大的市场份额，产品本身 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坐标准， 同时硬件的接口必须符合每一种标准的要求，这无疑增加了制造商的成本；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和能够提供符合相应 标准规范的产品，选择合适的生产厂家提供的传感器和执行器，使之与系统匹配； 对用户来说，如果需要扩展系统的功能( 根据需要，这种情况经常发生) 、增加新的智 能传感器或执行器，则要求所选择的传感器执行器必须能够适合原来系统所选择 的网络接口标准。这在很多的情况下很难满足，因为一般智能传感器执行器的厂家 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。为了降低传感器的成本，便于系统的集成，急需一个开放式的标 准接口来解决传感器与各种网络相连的问题。如何成功连接各种传感器并支持各 山东大学，硕士。学位，| 、论文 种不同的网络侨议，是一项极富挑战性的工作。一个通用的传感器接口标准呼之 欲出，i e e e l 4 5 l 标准便应运而生t t , ”。 1 e e e t c 9 在1 9 9 0 年9 月接受和制定了一种智能传感器通信接口的建议n1 9 9 4 年3 胄，n i s t ( t h en a t i o n a li _ n s t i t u t eo f s t a n d a r da n dt e c h n o l o g y ) ：稚l e e e ( t h ei n 或i 沁t eo f e l e c t r i c a l & e l e c t r o n i ce n g i n e e r ) 共同组织了一次关于制定智能传感器接口的研讨会， 会上讨论了开发一种简化控制网络和智能传感器连接标准接口的可能性。之后， 1 9 9 5 年通过了两个杯准，i i i e e e l 4 5 1 ，1 和i e e e l 4 5 1 2 标准。 i e e e l 4 5 1 1 2 针对传感器网络化的需要对智能传感器进行了重新定义：一种变送 器，除了必须能够提供正确表示传感量或控制量的功能外，还能够提供其他功能， 尤其是显著简化把传感器执行器集成到网络环境应用中的功能。智能传感器的概 念就是这个定义的传感器版本，其核心就是智能传感器够增加数据的信息量， 并能够支持分布式处理与决策【s 】。i e e e l 4 5 1 1 标准定义了一个信息模型，：l7 詈传 感器具有独立的网络接口1 9 1 。 。 i e e e l 4 5 1 是一个开放标准，它包括智能变换器接r ! 涣块( s m a r tt r a n s d u c e r i n t e r f a c em o d u l e ，s t f m 闸网络适配器模块m e t 二- kc a p a b l e a p p l i c a t i o np r o c e s s o r , n c a p ) 。它的目标不是歼发一种新的护- q 矗，而是在控制网络和传感器之间定 义一个标准接口，f 叫，伐4 7 。o 选择和控制t 4 络的选择分开，达到使用户可以根据 自己的需要，逸j 。、同厂家生产的智能传感器，实现真正意义上的即插即用0 ) l u g a n d p l a y ) 。，7 7 c n 摇t 的出现，给人类生活和工农业生产带来了翔时代的进步。远程控制、 。妒数据采集和远程故障诊断系统，在i n t e m e t = | 支术的推动下，已经走向成熟， ； 始迈入实用化阶段，在某些领域已经取得了较好的效益。传感器作为信息技术 的三大支柱之一( 传感器技术，通信技术和计算机技术) 也必须适应这一时代 发展的要求，故相应的出现了基于以太网的网络传感器。 对于网络传感器的研究国外取得了一定的进展。a 参l e 珏t t e c h n o l o g y 实现了一 种基于i e e e l 4 5 1 2 标准的传感器工作模型，其中包括连接传感器的s t i m 和连接以 太网的n c a p 两个部分，内含嵌入式网服务器，远程用户可以使用浏览器通过因特 网访问其中的网页。a g i l e n t t e c i l l l o l o g y 和t e l e m o n i t o r 公司联合推出了基于网络设 备服务器的t m l l 4 5 1 2 ，k c l lo 】。t m l l 4 5 1 2 - k c 由两部分组成：n c a p 和s t i m ，n c a p 4 山东大学硕士学位论文 和s t i m 之间通过t i i ( t r a n s d u c e r i n d e p e n d e n t i n t e r f a c e ) 进行通信，采片j i e e e1 4 5 1 2 协议，对外界信号( 例如温度、压力、速度等) 进行采集和处理，它还实现了w e b 服 务器。h p 实验室提供了一种基于i e e e l 4 5 1 2 标准传感器模型，其中包括连接传感 器的s t i m 和连接e t h e m e t 的n c a p 两个部分，每个部分的内容可以在p c 机上通过浏 览器读取。p a u lc o n w a y 等研制出了遵循i e e e l 4 5 1 标准的智能传感器，n c a p 基于 以太网实现，s t i m 实现了两个通道，实现对温度和一个电扇的远程操作与控制 1 。 国内对网络传感器的研究也取得了一定的进展。中国单片机公共实验室b o l 的因特网传感器技术在这方面的研究取得了较大的进展。章利标等应用了i e e e 1 4 5 1 的一些突出特点，研制了网络化智能机器人手爪传感器系统，可以通过因特 网对手爪的传感器信息和状态进行远程采集和监控。 1 3 课题研究的目的和意义 本课题研究的目的在于开发一种符合i e e e l 4 5 1 标准的网络传感器接口，此 网络传感器网络接口是基于t c p i p 协议，以适应传感器技术网络化、信息化发展 潮流。采用与嵌入t c p i p 协议相结合，即通过软件或硬件的方式将t c p i p 协议 嵌入到网络传感器中，使传感器在本地运行t c p i p ，传感器采集的数据先经滤波、 非线性补偿等算法处理后，再经t c p i p 协议打包封装后传送到以太网上去，实现 传感器与以太网的无缝连接。基于嵌入t c p f l p 协议的网络化传感器是当前国内外 研究的热点之一，其具有以下优点， 1 网络传感器本身实现t c p i p 网络通信协议，并且能直接接以太网而无需另 外的通讯处理机或网关，也不再保留低层通讯模式，从而实现了真正的会分铂式 测控网络系统和即插即用。这极大简化了系统结构，提高了系统的可靠性，使组 网和维护更加快捷方便。 2 网络传感器与p c 机一样，成为以太网中的节点，各种现场信号均可在网t 实时发白和共享，任何网络授权用户均可通过浏览器进行实时浏览，并可在网络 上的任意位置根据实际情况对传感器进行在线控制、编程和组念等，为实现智能 传感器的功能和进行远程操作开辟了新途径。 山东大学硕士学位论文 1 4 本文的主要任务 本文主要内容是围绕嵌入式网络传感器的网络化研究，丌发一种i e e e l 4 5 1 标 准的网络传感器网络接口，此网络传感器接口是基于嵌入式t c p f i p 协议的，以适 应传感器技术网络化、信息化发展潮流。主要工作如下： 1 首先了解了网络传感器的发展及研究现状，提出了基于嵌入式以太网的网 络传感器的概念。 2 了解并熟悉i e e e l 4 5 1 标准，特别是i e e e l 4 5 1 1 和i e e e l 4 5 1 2 ，详细讨论了 网络传感器的工作原理及其特点。 3 分析t c p i p 协议的构成以及每部分的功能。 4 确定整个网络传感器设计方案，并着重丌发网络传感器网络接口部分，以 及各种接口程序的设计与应用。 5 分析网络传感器的软件设计结构，研究嵌入式t c p 口协议栈在网络传感器 上的应用，以及w e b j 艮务器的研究并初步讨论了数掘校j 下引擎。 最后对全文进行总结，并指出了进一步的发展方向。 山东大学硕士学位论文 第二章网络传感器结构模型 本章在深入讨论和分析智能传感器标准- - i e e e l 4 5 1 杯准的基础上，结合以太 网技术，提出了网络传感器模型，对其组成和工作原理做了详细的分析。 2 1i e e e l 4 5 1 标准 i e e e l 4 5 标准的目的就是为了简化智能传感器与现有的各种网络的连接，赋 予传感器即插即用的特性，使数据格式与通信协议标准化，降低网络化智能传感 器构建的难度 1 3 - 1 5 1 。它由五个部分组成，即1 4 5 1 1 、1 4 5 1 2 、1 4 5 1 3 、1 4 5 1 4 和 1 4 5 1 5 。i e e e l 4 5 标准可以分为面向软件的接口与面向硬件的接口两大部分。软 件接口部分借助面向对象模型来描述网络化智能变送器的行为，定义了一套使智 能变送器顺利接入不同测控网络的软件接口规范。它提供了一个简单、可扩展、 系统的编程模型，封装了变送器硬件实现和不同网络协议实现的细节，用盘系列 功能模块比如i o 驱动硬件抽象等来支持各种各样的变送器。这项工作己经完成 并成为i e e es t d1 4 5 1 1 1 9 9 9 ，即网络适配器信息模型n c a p ( n e t w o r kc a p a b l e a p p l i c a t i o np r o c e s s o r ) 【9 1 。由于传感器应用领域广泛，因此针对具体的应用需求， 硬件接口部分包含许多分支，它们分别是i e e e l 4 5 1 2 、i e e e p l 4 5 1 3 、i e e e p l 4 5 1 4 和i e e e l4 5 1 5 ，将在后面部分分别介绍。 2 1 1 相关术语介绍 ls t d v i ：s m a r tt r a n s d u c e ri n t e r f a c em o d u l e ，智能变送器接口模块。s t i m 是连 接变送器与n c a p 的标准接口，它包括电子数据表格t e d s 、用于实现变送器接口 的逻辑模块、信号转换与信号调理、变送器等。s t i m 通过t i i 数字接口被n c a p 所 控制。一个s t d “可支持单个或多个通道，它既可以与传感器也可以与执行器相连 接，最多可拥有多达2 5 5 个通道的传感器或执行器，使用时不能与变送器分开。 2n c a p ：n e t w o r kc a p a b l ea p p l i c a t i o np r o c e s s o r ，网络适配器。n c a p 是介于 s t i m 和数字网络之间的微处理器模块，具有局部智能化，是网络通信接口，是智 能传感器具有网络化的关键。s t i m 借助t i i 连接到n c a p ，它与网络的通信是透明 的。s t v i 工作时通过n c a p 连接到通信网络。n c a p 可对来自s t i m 的传感器的原 7 山东大学硕士学位论文 始数据进行校i f ，还包括针对特定应用的数据处理和控制功能。 3t i i ：t r a n s d u c e ri n d e p e n d e n ti n t e r f a c e ，变送器独立接口。t i i 是n c a p 与s t m 之间的硬件接口。它是通过1 0 根线按照s p i ( s e r i a l p e r i p h e r a l i n t e r f a c e ) 标准串行通讯 方式的引脚连接在一起，如图2 1 所示，各引脚功能见表2 1 d i n 网络 d o u t 。 d c l k 。n i o f 智能变送器 n t r i g网络适配器 接口模块 n a c k模块 s t i m n c a p n i n t n s d e t r + 5 v c o m m o n 图2 1t i i 接口信号线与控制线示意图 表2 1t i i 接口引脚功能 信号线逻辑驱动源 功能 d n 、丁 正逻辑 n c a p从n c a p 向s t i m 传输地址和数据 d o u t正逻辑s t m从s t i m 向n c a p 传输数据 d c l kn c a p时钟 n 1 0 en c a p片选信号 n t r i g n c a p 触发信号 n a c ks t 口m1 触发应答2 数掘传输应答 n i n ts t 订由s t i m 使用向n c a p 请求任务 n s d e ts t i m由n c a p 检测s t i m 存在与否 p o w e rn an c a p 5 v c o m m o nn an c a p信号公共端或地 在写数据时，n c a p 保持d c l k 并将数据加到d i n 上。在读数据时，n c a p 保持 d c l k 并从d o u t 上读入数据。n i n t 是s t i m 被允许控制的唯一的t i i 信号线。除它 之外，n c a p 控制所有通信和启动所有信息的交换。n s d e t 是个被动的信号( 引脚 连着c o m m o n ) 用来侦探s t “的存在。n i o e 可以看作是用来完成实现数据传输功 能触发的片选信号。n a c k 只有n c a p 有动作才反应，它除了被s t i m 用做触发响应 外，同时用作数据传输响应。对于单个变送器场合，n t r i g 是由n c a p 用来控制读 山东大学硕士学位论文 传感器数据或向执行器发送数据的时问。 4t e d s ( t r a n s d u c e re l e c t r o n i cd a t as h e e t ，变送器电子数据表单) 。它描述了 s t i m 和传感器相关的参数，比如传感器生产商的名称、传感器的类型和序列号等。 通过定义，t e d s 必须与s t i m 始终在一起。电子数据表单t e d s 是i e e e l 4 5 1 2 最重 要的技术革新之，创新之处在于s t i m 利用内嵌的t e d s 实现对各种不同类型的变 送器的支持。t e d s 由一些数据域组成，它们可以充分描述传感器的类型，行为和 性能属性。 2 1 2i e e e l 4 5 1 1 标准 i e e e l 4 5 1 1 标准的目标是应用现有的各种网络技术 6 - t g 】，开发出从智能变送器 到网络的标准连接方法，而对使用何种网络协议和网络收发器没有限制，运用面 向对象的思想为网络化的智能变送器定义了一个标准的对象模型，为描述该模型 的每一个类定义了软件接口。在模型中，每个类都具有特定的属性和方法，它们 为网络化的智能变送器提供一个清楚、完整的描述，这些类的结合形成了智能变 送器的各个功能模块、组件和服务。对象模型利用面向对象的编程模型封装了变 送器的硬件实现，降低了对传感器或执行器自颂件接口编程的复杂程度。网络服 务接口则封装了各种不同的通信协议的实现。图2 2 所示为网络化智能传感器的模 型。 网络 n c a p 网络抽象逻辑接 口规范 变送器抽象逻辑 接口规范 一一一一l i 网网： 箍辚i 件议!蕊j | 鱼 微处理器硬件 变古 送接 器口 固硬 件件 n c a p 支持的逻辑接口 变送器 ( 传感 器或执 行器) 1 变送器硬件接 口规范如 图2 2 网络化智能传感器的模型 9 山东大学硕士学位论文 可以分别从物理层角度和逻辑层角度束分析这个模型。从物理层角度来看， 实线部分表示了系统的各个物理组成部分。图2 2 中，传感器和执行器组成了变送 器模型，变送器通过接口连接到了微处理嚣或控制器，而微处理器或控制器连接 到了网络。在传感器或执行器与其它的设备硬件之间的硬件接口定义为n c a p 。 n c a p 的物理层硬件由微处理器及其支持电路组成，含连接变送器的输入接口和连 接到网络的输出接口。 虚线部分表示了系统的逻辑层次。逻辑层可分为应用组件和支持组件两大部 分。支持组件包括操作系统，网络协议和变送器固件组件，如图2 2 中n c a p 支持的 逻辑接口所示。第二个逻辑接口是网络抽象逻辑接口。它由端口和服务器对象分 配组件组成。这个接口提供了一个包含一些通讯指令的抽象模型，来隐藏某一个 给定网络的通讯细节，使用户不用考虑通讯协议。第三个逻辑接口是变送器抽象 逻辑接口。该接口规范为变送器的输入输出硬件和固件定义提供了同样的抽象模 型，事实上，这个接口使所有这些变送器接口象i o 驱动器一样。功能模块由组件 和服务组成。n c a p 模块规定了各种应用模块之间的组织关系，并支持不同模块。 以上所有这些模块、组件和服务在i e e e1 4 5 1 1 标准中有详细的定义。需要注意的 是，这些接口是可选的，并不需要在一个n c a p 的应用中实现所有的接口。 2 1 3i e e e l 4 5 1 2 标准 。 i e e e l 4 5 1 2 标准”定义了一个连接传感器到微处理器的数字接i t i i ，描述 了电子数据表格t e d s 及其数据格式，定义了一系列的读写逻辑功能，包括读写电 子数据表格、读传感器数据和设置执行器数据等。传感器本身被看作是s t i m 的一 部分，在正常的使用期间，传感器和s t 蹦电路是不可分离的。一个s t m 由传感器 执行器( 组) 、信号调理与变换、逻辑接口和t e d s 组成。i e e e l 4 5 1 2 标准中仅定义 了接口逻辑和t e d s 的格式，没有指定信号条理、信号转换、或t e d s 如何使用， 这些部分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。同时，该标准提供了一个连接s t i m 和n c a p 的1 0 线的标准接d t i i ， 使传感器制造商可以把一个传感器应用到多种网络和应用中。i e e e1 4 5 1 2 传感器 标准将大大简化由传感器或执行器到微处理器，以及网络的连接，从而构成各种 网络控制系统，为人们提供一个工业标准的接口，来有效地连接传感器与微处理 1 0 山东大学硕士学位论文 器，以及微处理嚣与各种网络的连接，并能够最终实现真萨意义上的即插即用。 图2 3 为1 4 5 1 2 接口的方框图。 智能变送器接u 模块s t i m 传感器 执i j 器 x d c r x d c r 电f 数据表单 t e d s a d c d a c d i o 地 址 逻 辑 2 1 4i e e e l 4 5 1 3 标准 网络适酣器模块n c a p 校 正 引 鏊 应 用 处 理 网 络 接 口 图2 31 4 5 1 2 接口方框图 网络 i e e e l 4 5 1 3 标准，即分布式多点系统数字通信与t e d s 格式( d i g i t a l c o m m u n i c a t i o na n dt r a n s d u c e re l e c t r o n i cd a t as h e e tf o r m a t sf o rd i s t r i b u t e d m n i t i d r o ps y s t e m s ) 1 2 2 1 。它使用扩展频谱调制技术在单一传输媒体上实现多个时间 同步的、高带宽的传感器数据信道，主要用于点对多点分布式智能传感器系统的 同步数据采集与通信。 2 1 5i e e e l 4 5 1 4 标准 i e e e p l 4 5 1 4 标准 2 3 - 2 5 1 ，即混合模式通信协议与t e d s 格式( m i x e d - m o d e c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l s a n dt r a n s d u c e re l e c t r o n i cd a t as h e e tf o r m a t s ) 。i e e e l 4 5 1 4 标准主要致力于基于已存在的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：混合模式接口一方面支持数字就口对t e d s 的读写，另一方面也支 持模拟接口对现场仪器的测量；同时使用紧凑的t e d s 对模拟传感器的简单、低成 本的连接。 山东大学硕士学位论文 2 1 6i e e e l 4 5 1 5 标准 i e e e p l 4 5 1 5 标准，即无线通信与t e d s 格式( w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n p r o t o c o i sa n dt r a j l s d u c e re l e c t r o n i cd a t as h e e tf o r m a t ) 【2 6 】。提议的i e e e1 4 5 1 5 标准 致力于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。 需要特别指出的是，i e e e l 4 5 1 5 标准描述的是智能传感器与n c a p 模块之问的无线 连接，而并不是指n c a p 模块与网络之间无线连接。目前，能用于智能传感器与 n c a p 模块无线连接的无线技术有很多，如：i e e e 8 0 2 1 l b 、b l u e t o o t h ( 蓝牙) 、 p 8 0 2 1 5 4 等，i e e e1 4 5 1 5 标准的工作重点在于无线数据通信过程中的数据和控制 模型。 图2 4 描述了正e e l 4 5 l 标准族的整体框架和各成员问的关系。其中1 4 5 1 x 虽然 是互相协同工作的，但它们也可以彼此独立发挥作用。 t f f f l 4 5 11a d ? i 网 络 数字点对点 1 4 5 1 2 多点总 1 4 5 1 3 1 4 5 1 4 图2 4i e e e l 4 5 1 标准族整体框架 紫 o j 变 山东大学硕士学位论文 2 2i e e e l 4 5 1 标准的意义 i e e e l 4 5 1 标准定义了网络化智能传感器接口标准，解决了以往各种现场网络 之间的不兼容性和不可互操作性。i e e e l 4 5 1 标准对研制网络化智能传感器具有重 要指导意义【2 7 】： l 标准化的接口和软硬件定义 在i e e e l 4 5 1 标准颁布之前，各种现场总线都有各自定义的协议和接口标准， 它们之间互不兼容，不能互相通用，不具有互操作性，不便于测控网的系统集成。 i e e e l 4 5 1 定义的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 准化的通信接口和软硬件的定义，使不同的现场网络之问可以通过i e e e l 4 5 1 定义 的接口进行互连，实现互操作。 2 使网络化智能传感器具有即插即用性和网络无关性 i e e e l 4 5 1 标准为传感器到微处理器、再到网络建立了一个通用的接口标准， 以及通过通用的t e d s 和a p i ，建立了一个面向对象的信息模型，简化了传感器到 微处理器、网络的连接，便于软件移植和维护。因此，使得基于i e e e l 4 5 1 的智能 传感器在多种现场网络的不同设备之间能够即插即用，与具体的网络无关。 3 使网络化智能传感器具有自我描述和白识别能力 t e d s 是i e e e l 4 5 1 2 最重要的技术革新之一，它是一个的通用传感器模型，可 以支持很多种类的传感器与执行器，使传感器具有了自我描述能力和自我识别能 力。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，例如，传感 器生产商的名称、传感器的类型和序列号等。t e d s 和传感器一起移动，使一个传 ， 一 感器所需的所有信息总是随时可得的。 i e e e l 4 5 l 标准的不足 1 推广困难【2 8 1 自八十年代提出现场总线的概念以来，由于最初没有统一的国际标准，国外 一些企业相互联合在一起，纷纷制定出各自的总线标准，并推出了自己的产品， 并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。针对现场总线之自】这种不可互操作的现实而制定的 山东大学硕士学位论文 i e e e l 4 5 1 枷：准，由于各大现场总线技术厂商都不愿放弃己有的产品和市场，短期 内不愿寻求统一，自然难有作为。 ， 2n c a p 难以开发 i e e e l 4 5 1 ，l 标准定义了网络独立的信息模型，使传感器通过标准接1 ：3 n c a p 相连，它以面向对象的模型定义的形式提供给智能传感器及其组件。但是， 对一般厂家而言，该模型过于复杂，内容多，分析工作量大，难于理解，在实现 上有一定难度，缺乏一个功能相对简单的智能传感器信息模型子集。i e e e l 4 5 1 1 标准定义的信息模型与当静应用广泛的e t h e r n e t 网络不兼容，这也增加了应用、推 广的难度。 2 3 网络传感器模型 由于i e e e l 4 5 1 标准的智能传感器存在不足，在改进这些不足的基础上，并适 应本设计嵌入式i n t e m e t 远程监控的需要，本文提出了网络传感器模型。网络传感 器是面向基于嵌入式i n t e m e t 的远程监控网络，以设备性能检测、远程监控和智能 维护系统等为主要应用领域的网络化智能传感器。由于网络类型单一，因此网络 接口部分的实现就比较简单。 网络传感器的核心是使传感器本身实现t c p f l p 网络通信协议，将传感器作为 网络节点直接与计算机网络通信。根据对i e e e l 4 5 1 标准的讨论，基于嵌入式i n t e m e t 的网络传感器的模型结构如图2 5 所示。 1 4 图2 5 网络传感器模型 山东大学硕士学位论文 网络传感器主要分为两大模块：第一个模块为智能变送器接口模块s t i m ，包 括变送器、信号处理模块s t l t e d s 等，主要完成信号处理、数据交换和智能控制， 它遵循i e e e l 4 5 1 2 标准。第二个模块是网络适配器应用模块n c a p ，用束运行网络 协议堆栈和应用软件，包括以太网接口、t c p i p 协议、w e b 服务器、数据校正引擎 等服务程序，以实现数据的以太网传输，它遵循i e e e l 4 5 1 1 标准。一个n c a p 根据 需要可以挂多个s t 订。 s t i m 和n c a p