（通信与信息系统专业论文）design+of+a+communication+protocol+interface+based+on+standard+ieee+1451+applied+on+a+smart+sensor+using+dsp.pdf

摘要 本文的主要目的是近年来获得一个高度可升级的智能传感器设计理念，该装置( 智 能传感器) 将更好地使用通过传感器收集的信息，然后在信号接收采用不同处理和 修正，为此连接一个温度传感器至u d s p ，通过串行端e 1 连接到电脑上，在系统中采 用并遵循i e e e l 4 5 1 标准。通过c o d ec o m p o s e rs t u d i ov 3 3 和m a t l a b 软件，进行数 字化操作，滤波和一些关于传感器的阈值设定测试。 这种智能传感器系统可应用于嵌入式电子系统，以控制其输入和输出参数，在实 时处理的过程中，系统还准许智能传感器通过使用计算机或者网络始终连接到一个 标准的接1 ：3 。 关键词 传感器变频器智能传感器通信协议i e e e l 4 5 1 标准d s p 数字滤波数据总线插值 方法温度传感器 i i a b s t r a c ta n dp r o jec to u t l i n e t h em a i n g o a lo f t h i st h e s i si s t oa c h i e v ea h i g h l y s c a l a b l ed e s i g nc o n c e p ti n r e c e n ty e a r s ，w h i c hi st h es m a r ts e n s o rc o n c e p t ，t h i sd e v i c e ( i n t e l l i g e n ts e n s o r ) w i l lh e l p u sb e t t e rt ou s et h ei n f o r m a t i o nc o l l e c t e dt h r o u g ht h es e n s o ro rt r a n s d u c e r , t h e na p p l y d i f f e r e n tt r e a t m e n t sa n dc o r r e c t i o n so ns i g n a l sr e c e i v e d ，f o rt h i sp u r p o s ew ea s s o c i a t ea t e m p e r a t u r es e n s o rt oad s pt h a tw ec o n n e c ti tv i aas e r i a lp o r tt oac o m p u t e r ，i no u r w o r kw ew i l la d o p tt h es c h e m eo f t h es t a n d a r di e e e l 4 5 1a n df o l l o wi t sd i a g r a m u s i n g t h ec o d ec o m p o s e rs t u d i ov 3 3l a n g u a g ea n dm a t l a bs o f t w a r ew ew i l lp e r f o r m d i g i t a l i z a t i o no p e r a t i o n ，f i l t e r i n ga n ds o m e t e s ta b o u tt h et h r e s h o l dv a l u et r a n s m i t t e df r o m t h es e n s o r t h i ss m a r ts e n s o rs y s t e mc a l lb ea p p l i e do ns u c ha se m b e d d e de l e c t r o n i cs y s t e m s t oc o n t r o li t si n p u ta n do u t p u tp a r a m e t e r s ，i nr e a lt i m ep r o c e s s i n gt h ei n t e l l i g e n ts e n s o r w i l la l s op e r m i tt ot h es y s t e mt ob ea l w a y sc o n n e c t e dt oas t a n d a r di n t e r f a c eu s i n ga c o m p u t e ro ran e t w o r k k e y w o r d s s e n s o r ，t r a n s d u c e r ，s m a r ts e n s o r , c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l ，i e e e14 51s t a n d a r d ，d s p ， d i g i t a lf i l t e r i n g ，d a t ab u s ，i n t e r p o l a t i o nm e t h o d s ，t e m p e r a t u r es e n s o r a c k n o l e g m e n t ia mv e r yg r a t e f u lt o m ya d v i s o rp r o f e s s o r ，f e n gc h if o r h i sg u i d a n c e ， i n s p i r a t i o na n de n c o u r a g e m e n tt h r o u g h o u tm yt h e s i sa n df o rd i r e c t i n gm y e f f o r t 1w o u l dl i k ea l s ot ot h a n kx ur a nf o r h i se n t h u s i a s m sa n dm a n yh e l p f u l s u g g e s t i o n s ；1w i s ht oe x p r e s sm yg r a t i t u d et om yt e a c h e r s ，f r i e n d sf o rt h e i rh e l ps u p p o r t i n t r o d u c t i o n i nt o d a y si n s t a n t - a c c e s sw o r l d ，p e o p l ew a n ta n de x p e c tt ob ea b l et og e ti n f o r m a t i o n w h e nt h e yw a n ti t ，i nt h ef o r mt h e yn e e d ，a n da tp r i c et h e yc a n a f f o r d ( p r e f e r a b l yf r e e ) w h i l es e n s o r sc o m ei nav a r i e t yo fk i n d ( e l e c t r o n i c ，m e c h a n i c a l ，c h e m i c a l ，o p t i c a l ，e t c ) ， w ew i l lf o c u si n t h i sw o r ko ne l e c t r o n i c so n e ，t h e i r so u t p u tt oac o m p u t i n ge l e m e n te a s i l y ( u s u a l l ym i c r o p r o c e s s o r ) i t st h ec o m p u t i n ge l e m e n tt h a ta l l o w su st oa d di n t e l l i g e n c et ot h e s e n s o r 【1 1 s e n s o r si n c o r p o r a t e dw i t hd e d i c a t e ds i g n a lp r o c e s s i n gf u n c t i o n sa r ec a l l e di n t e l l i g e n t s e n s o r so rs m a r ts e n s o r s p r o g r e s si nt h ed e v e l o p m e n to ft h ei n t e l l i g e n ts e n s o r si sat y p i c a l e x a m p l eo fs e n s i n gt e c h n o l o g yi n n o v a t i o n t h er o l e so ft h ed e d i c a t e ds i g n a lp r o c e s s i n g f u n c t i o n sa r et oe n h a n c e d e s i g nf l e x i b i l i t yo fs e n s i n gd e v i c e sa n dr e a l i z en e ws e n s i n g f u n c t i o n s a d d i t i o n a lr o l e sa r et or e d u c el o a d so nc e n t r a lp r o c e s s i n gu n i t sa n ds i g n a l t r a n s m i s s i o nl i n e sb y d i s t r i b u t i n gi n f o r m a t i o np i o e e s s i n gi nt h es e n s i n gs y s t e m s r a p i dp r o g r e s si nm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o lt e c h n o l o g yi sw i d e l yr e c o g n i z e d s e n s o r s a n dm a c h i n ei n t e l l i g e n c ee n h a n c ea n di m p r o v et h i f u n c t i o n so fa u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e m s d e v e l o p m e n to fn e ws e n s o rd e v i c e sa n dr e l a t e di n f o r m a t i o np r o c e s s i n gs u p p o r t st h i s p r o g r e s s a p p l i c a t i o nf i e l d so fm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o la r eb e i n gr a p i d l ye x p a n d e d t y p i c a l e x a m p l e so fn e w l yd e v e l o p e df i e l d sa r er o b o t i c s ，e n v i r o n m e n t a lm e a s u r e m e n ta n db i o m e d i c a l a r e a s t h ee x p a n d e da p p l i c a t i o no fi n t e l l i g e n tr o b o t s r e q u i r e sa d v a n c e ds e n s o r sa sa r e p l a c e m e n to ft h es e n s o r ys y s t e m so fh u m a no p e r a t o r s b i o m e d i c a ls e n s i n ga n dd i a g n o s t i c s y s t e m sa r ea l s op r o m i s i n ga r e a si nw h i c ht e c h n o l o g i c a li n n o v a t i o nh a sb e e nt r i g g e r e db y m o d e mm e a s u r e m e n ta n da u t o m a t i cc o n t r o lt e c h n i q u e s a n o t h e rp o w e r f u la p p r o a c ht oa d v a n c e dp e r f o r m a n c ei st h es y s t e m a t i z a t i o no fs e n s o r s f o rt h ee n h a n c e m e n to f s e n s i n gf u n c t i o n s i nt h i sp a r tt h er e c e n td e v e l o p m e n to ft r a n s d u c e r s ， s e n s o ra n di n t e l l i g e n ts e n s o r sa n dt h e i rb a c k g r o u n di sd e s c r i b e d 1 2 1 i i i c h a p t e r1m t r o d u c t i o na b o u ts e n s o ra r dc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l i i l l l l lf l l l l i i 一 c h a p t e r 1i n t r o d u c t i o na b o u ts e n s o ra n d c o m m u n i c a t i o n p r o t o c o l 1 1 。d e f i n i t i o n s 1 1 1t r a n s d u c e r at r a n s d u c e ri sad e v i c et h a tc o n v e r t so n et y p eo f e n e r g yt oa n o t h e r 弧ec o n v e r s i o n c a nb et o f r o me l e c t r i c a l ，e l e c t r o m e c h a n i c a l ，e l e c t r o m a g n e t i c ，p h o t o n i c ，p h o t o v o l t a i c ，o ra n y o t h e rf o r mo fe n e r g y w h i l et h et e r mt r a n s d u c e rc o m m o n l yi m p l i e su s ea sas e n s o r d e t e c t o r , a n yd e v i c ew h i c hc o n v e r t se n e r g yc a nb ec o n s i d e r e dat r a n s d u c e r t r a n s d u c e r sm a yb e c a t e g o r i z e db ya p p l i c a t i o n ：s e n s o r , a c t u a t o r , o rc o m b i n a t i o n 。as e n s o ri su s e dt od e t e c ta p a r a m e t e ri no n ef o r ma n dr e p o r ti ti na n o t h e rf o r mo fe n e r g y ( u s u a l l ya ne l e c t r i c a la n d o r d i g i t a ls i g n a l ) 。f o re x a m p l e ，ap r e s s u r es e n s o rm i g h td e t e c tp r e s s u r e ( am e c h a n i c a lf o r mo f e n e r g y ) a n dc o n v e r t i tt oe l e c t r i c i t yf o rd i s p l a ya tar e m o t eg a u g e a na c t u a t o ra c c e p t se n e r g y a n dp r o d u c e sm o v e m e n t ( a c t i o n ) 翻be n e r g ys u p p l i e d 协a l la c t u a t o rm i g h tb ee l e c t r i c a lo r m e c h a n i c a l ( p n e u m a t i c ，h y d r a u l i c ，e t e ) a ne l e c t r i c m o t o ra n da l o u d s p e a k e r a r eb o t h t r a n s d u c e r s ，c o n v e r t i n ge l e c t r i c a le n e r g yi n t om o t i o nf o rd i f f e r e n tp u r p o s e s c o m b i n a t i o nt r a n s d u c e r sh a v eb o t hf u n c t i o n s ；t h e yb o t hd e t e c ta n dc r e a t ea c t i o n 。f o r e x a m p l e ，at y p i c a lu l t r a s o n i ct r a n s d u c e rs w i t c h e sb a c ka n d f o r t hm a n yt i m e sas e c o n db e t w e e n a c t i n ga sa l la c t u a t o rt op r o d u c eu l t r a s o n i cw a v e s ，a n da c t i n ga sas e n s o rt od e t e c tu l t r a s o n i c 锌譬雌 1 1 2s e n s o r s as e n s o ri sad e v i c et h a tm e a s u r e sa 曲y s i c a lq u a n t i t ya n dc o n v e r t si ti n t oas i g n a l w h i c hc a nb er e a db ya no b s e r v e ro rb ya ni n s t r u m e n t f o re x a m p l e ，am e r c u r y - i n - g l a s s t h e r m o m e t e rc o n v e r t st h em e a s u r e dt e m p e r a t u r ei n t oe x p a n s i o na n dc o n t r a c t i o no fal i q u i d w h i c hc a nb er e a do nac a l i b r a t e dg l a s st u b e at h e r m o c o u p l ec o n v e r t st e m p e r a t u r et o 髓 o u t p u tv o l t a g e w h i c hc a l lb er e a d b y av o l t m e t e r f o r a c c u r a c y ，m o s t s e n s o r s a r ec a l i b r a t e da g a i n s tk n o w ns t a n d a r d s 。 s e n s o r sa r eu s e di ne v e r y d a yo b j e c t ss u c ha st o u c h s e n s i t i v ee l e v a t o rb u t t o n s ( t a c t i l e s e n s o r ) a n dl a m p sw h i c hd i mo rb r i g h t e nb yt o u c h i n gt h eb a s e t h e r ea r ea l s oi n n u m e r a b l e a p p l i c a t i o n sf o rs e n s o r so fw h i c hm o s tp e o p l ea r en e v e ra w a r e a p p l i c a t i o n si n c l u d ec a r s ， m a c h i n e s ，a e r o s p a c e ，m e d i c i n e ，m a n u f a c t u r i n ga n dr o b o t i c st 4 as e n s o ri sad e v i c ew h i c hr e c e i v e sa n dr e s p o n d st oas i g n a l as e n s o r ss e n s i t i v i t y i n d i c a t e sh o wm u c ht h es e n s o r so u t p u tc h a n g e sw h e nt h em e a s u r e dq u a n t i t yc h a n g e s f o r i n s t a n c e ，i ft h em e r c u r yi nat h e r m o m e t e rm o v e s1c mw h e nt h et e m p e r a t u r ec h a n g e sb ylo c ， t h es e n s i t i v i t yi s1c m o c ( i ti sb a s i c a l l yt h es l o p ed y d xa s s u m i n gal i n e a rc h a r a c t e r i s t i c ) s e n s o r st h a tm e a s u r ev e r ys m a l lc h a n g e sm u s th a v ev e r yh i g hs e n s i t i v i t i e s s e n s o r sa l s oh a v e a ni m p a c to nw h a tt h e ym e a s u r e , f o ri n s t a n c e ，ar o o mt e m p e r a t u r et h e r m o m e t e ri n s e r t e di n t oa h o tc u po fl i q u i dc o o l st h el i q u i dw h i l et h el i q u i dh e a t st h et h e r m o m e t e r s e n s o r sn e e dt ob ed e s i g n e dt oh a v eas m a l le f f e c to nw h a ti sm e a s u r e d ；m a k i n gt h e s e n s o rs m a l l e ro f t e ni m p r o v e st h i sa n dm a yi n t r o d u c eo t h e ra d v a n t a g e s t e c h n o l o g i c a l p r o g r e s sa l l o w sm o r ea n dm o r es e n s o r st ob em a n u f a c t u r e do nam i c r o s c o p i cs c a l ea sm i c r o s e n s o r su s i n gm e m s ( m i c r oe l e c t r o n i cm a c h i n es y s t e m ) t e c h n o l o g y i nm o s tc a s e s ，am i c r o s e n s o rr e a c h e sas i g n i f i c a n t l yh i g h e rs p e e da n ds e n s i t i v i t y c o m p a r e d 、访t hm a c r o s c o p i ca p p r o a c h e s 1 1 3w h a ti sas m a r ts e n s o r ? s e n s o r sa n da c t u a t o r sa r ew i d e s p r e a d t h e ya l eu s e di nav a r i e t yo fa p p l i c a t i o n st h a t t o u c hp e o p l e sl i v e se v e r yd a y ，r a n g i n gf r o mi n d u s t r i a la u t o m a t i o nt oe n v i r o n m e n t a lc o n d i t i o n m o n i t o r i n ga n dc o n t r o lt oi n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m st oh o m e l a n dd e f e n s e s ow h a ti sa s m a r tt r a n s d u c e r ? as m a r tt r a n s d u c e ri sad e v i c et h a tc o n v e r t se n e r g yf r o mo n ef o r mi n t o a n o t h e r t h et r a n s d u c e rm a ye i t h e rb eas e n s o ro ra na c t u a t o r as e n s o ri sat r a n s d u c e rt h a t g e n e r a t e sa ne l e c t r i c a ls i g n a lp r o p o r t i o n a lt oap h y s i c a l ，b i o l o g i c a l ，o rc h e m i c a lp a r a m e t e r a n a c t u a t o ri sat r a n s d u c e rt h a ta c c e p t sa l le l e c t r i c a ls i g n a la n dt a k e sa p h y s i c a la c t i o n t 3 as m a r tt r a n s d u c e ri st h ei m e g r a t i o no fa na n a l o go rd i g i t a ls e n s o ro ra c t u a t o re l e m e n t , ap r o c e s s i n gu n i t , a n dac o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e as m a r tb a n s d u c e rc o m p r i s e sah a r d w a r eo r s o f t w a r ed e v i c ec o m i s t i n go fas m a l l ，c o m p a c tu n i tc o n t a i n i n gas e n s o ro ra c t u a t o re l e m e n t , a 2 m i c r o c o n t r o i l e r ，ac o m m u n i c a t i o nc o n t r o l l e ra n dt h ea s s o c i a t e ds o f t w a r ef r o ms i g n a l c o n d i t i o n i n g , c a l i b r a t i o n ，d i a g n o s t i c s ，a n dc o m m u n i c a t i o n b a s e do nt h i sp r e m i s e ，as m a r t t r a n s d u c e rm o d e li ss h o w ni nf i g u r e1 1 【3 1 i tc o n s i s t so ff o u rp a r t s ：t r a n s d u c e r s ( s e n s o r sa n da c t u a t o r s ) ，s i g n a lc o n d i t i o n i n ga n d d a t ac o n v e r s i o n , a p p l i c a t i o np r o c e s s o r , a n dn e t w o r kc o m m u n i c a t i o n t h ea n a l o go u t p u to fa s e n s o ri sc o n d i t i o n e da n ds c a l e d ( a m p l i f i e d ) ，t h e nc o n v e r t e dt oad i g i t a lf o r m a tb ya na d c o n v e r t e r t h ed i g i t i z e ds e n s o rs i g n a lc a r lt h e nb ee a s i l yp r o c e s s e db ya m i c r o p r o c e s s o ru s i n g ad i g i t a la p p l i c a t i o nc o n t r o la l g o r i t h m t h em e a s u r e do rc a l c u l a t e dp a r a m e t e r sc a nb ep a s s e d o nt oah o s to rm o n i t o r i n gs y s t e mi nan e t w o r kb ym e a n so fn e t w o r kc o m m u n i c a t i o n p r o t o c o l s i nar e v e r s em a n n e r , a na c t u a t i o nc o m m a n ds e n tf r o mah o s tv i at h en e t w o r kc a nb eu s e dt o c o n t r o la na c t u a t o r f i g u r e1 1 ( a ) s m a r tt r a n s d u c e rm o d e l ，( b ) t h i sa r c h i t e c t u r ea d d st e d sa n dt h es y s t e m p a r t i t i o ni n t on c a pa n dt i m ，w i t hat i i 3 1 h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y 1 1 3 1n c a l p an 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 ( n c a p ) i sad e v i c eb e t w e e nt h es t i ma n d t h en e t w o r kt h a tp e r f o r m sn e t w o r kc o m m u n i c a t i o n s ，s t i mc o m m u n i c a t i o n s ，d a t ac o n v e r s i o n f u n c t i o n s ，a n da p p l i c a t i o nf u n c t i o n s i ta l s op r o v i d e sp o w e r t ot h es t i mc i r c u i t r y t h en c a p u s u a l l yc o n t a i n sac o n t r o l l e ra n dt h ei n t e r f a c et ot h eb r o a d e rn e t w o r k t h a tm a ys u p p o r to t h e r n o d e s a nn c a pc o u l db ea n8 b i tm i c r o p r o c e s s o rf o rad e v i c e n e tc o n t r o ln e t w o r k , o ra 3 2 一 b i tm i c r o p r o c e s s o rf o ra ne t h e m e t - b a s e dc o n t r o ln e t w o r k o n c eat e d si sr e a d ，t h en c a p k n o w sh o wf a s ti tc a nc o m m u n i c a t e 嘶mas t i m ，h o wm a n yc h a n n e l sas t i mc o n t a i n s ，a n d t l l ed a 妇f b m i a to fe hs t i m st r a n s d u c e r 1 3 5 1 i ta l s ok n o w sw h a tp h y s i c a lu n i t sa r eb e i n gm e a s u r e d ，a n dh o wt oc o n v e r tt h ela w r e a d i n g si n t oc o r r e c t e ds iu n i t s a nn c a pc a l lb eu s e d 鹤an o d ec o n t r o l l e ri nam u l t i p l e - n o d en e t w o r k i tc a n c o m m u n i c a t ew i t l lo t h e rn c a pn o d e sv i at h ec l i e n t s e r v e rp r o t o c o lo rp u b l i s h s u b s c r i b e p r o t o c 0 1 1 1 3 2 盯i m as t i md r i v e ri sc o m p r i s e do f4m a j o rf u n c t i o n s ： s o f t w a r ei n t e r f a c ed r i v e r ：r e s p o n s i b l ef o rg e t t i n gd a t aa c r o s st h ei n t e r f a c e teds p a r s e r ：h a sk n o w l e d g ea b o u tt h e14 5 1 2t e d ss t r u c t u r ea n da s s e m b l e s t h ed a t ai n t om e a n i n g f u lp i e c e s c o r r e c t i o ne n g i n e ：t h ea l g o r i t h mt h a tc o n v e r t sr a wr e a d i n g sf r o mt h es t i m i n t ou n i t ss p e c i f i e di nt h et e d sf o rs e n s o r so ru n i t ss p e c i f i e di nt h et e d si n t os t i m s e t t i n g sf o r a c t u a t o r s 14 51 2a p p l i c a t i o np r o g r a m m i n gi n t e r f a c e ( a p i ) d r i v e r ：p r o v i d e sa c c e s st o t e d sb l o c k s ，s e n s o rr e a d i n g s ，a c t u a t o rc o n t r o l ，t r i g g e r sa n di n t e r r u p tr e q u e s t s 【3 5 】 4 1 1 4w h a tt h es m a r ts e n s o rc a nd o t h es m a r t c o n c e p tp r o v i d e sas t a n d a r dm o d u l a rp l a t f o r mf 0 rt h ec o m p l e t er a n g eo f s e n s o rp r o d u c t s i te n a b l e st h es e n s o rt os t a n da l o n ew i t ht h ep r o c e s s i n gp o w e rn o r m a l l y a s s o c i a t e dw i t hm u c hl a r g e rd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m s t h ei n t e l l i g e n c eb u i l ti n t ot h es m a r t s e n s o ra l l o w sm e a s u r e m e n t ，s t o r a g ea n dp r o c e s s i n go fr a wd a t ao nm u l t i p l ec h a n n e l sw i t h i na c o m p a c t ，r u g g e d a n dt e c h n i c a l l ya d v a n c e dr e c o r d i n gu n i t ，a b l et o w i t h s t a n dh a r s h e n v i r o n m e n t a lc o n d i t i o n s e a c hs e n s o ri sb a n dr u ni nat e m p e r a t u r ec o n t r o l l e do v e nw h i c he s t a b l i s h e st h e s e n s i t i v i t yo ft h ei n d i v i d u a lp a r a m e t e r st oa m b i e n tt e m p e r a t u r ev a r i a t i o n s t h ed a t ac o l l e c t e d d u r i n gt h ep r o c e s si su s e da sab a s i s t op r o v i d es o f t w a r ee r r o rc o r r e c t i o nf o rp a r a m e t e r so v e r t h es p e c i f i e dt e m p e r a t u r er a n g e t h i sp r o c e s sp r o v i d e se r r o rc o r r e c t i o no fa n o r d e ro f m a g n i t u d eb e t t e rt h a nt r a d i t i o n a lt e c h n o l o g i e s j 1 1 5c a l i b r a t i o no