（测试计量技术及仪器专业论文）智能光辐射探测器与网络化虚拟仪器技术.pdf

摘要 随着科学技术的飞速发展，现代科技的各个领域对测试计量技术提出了愈来 愈高的要求，测试计量技术己成为一个国家科学技术现代化的重要标志。因此， 需要时时关注国内外测量技术的发展动态，加大对该领域高新技术的科研力度， 进一步加速科研成果在计量领域内的推广、移植和转化。智能化探测器技术和网 络化虚拟仪器技术代表了现代仪器技术智能化、微型化、集成化和网络化的发展 方向，两项技术的结合运用更是本次课题的一大创新。 智能光辐射测量系统作为虚拟仪器技术与智能化探测器技术的一个应用案 例，将传统的光辐射探头、信号调理电路、数据采集电路以及微处理器集成到智 能光辐射探测器接口模块s t i m 中，并提供电子数据表单t e d s ，用以存储智能 光辐射探测器的关键信息，如产品型号，重要参数及校准信息，实现了智能光辐 射探测器自描述自识别的能力。此外，运用虚拟仪器技术在计算机及p d a 上完 成了智能光辐射测量系统的虚拟控制面板的设计，并通过即插即用的u s b 总线、 应用广泛的串行接口及点对点的串口红外通信三种通信方式实现了光辐射探测 器接口模块和系统虚拟控制面板之间的数据传输。 远程智能光辐射测量系统在智能光辐射测量系统设计的基础上，应用了网络 化虚拟仪器技术中的d a t a s o c k e t 技术，实现了远程监控端对多个测试点的实时 监控。 关键词：智能探测器；网络化虚拟仪器；光辐射测量；u s b 通信；串口红外通信 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c et e c h n o l o g y , t h ei n t e l l e c t u a l i z e d ，s u b m i n i a t u r e a n dn e t w o r k e dm e a s u r e m 印ti n s t r u m e n t ss y m b o l i z e db yn e t w o r k e d v i r t u a l i n s m n n e m sa n ds m a r td e t e c t o rd e v e l o p sv e r yf a s t s ot h es t u d yo nn e t w o r k e d v i r t u a l e n t st e c h n o l o g ya n ds m a r td e t e c t o rt e c h n o l o g yi sn e c e s s a r y a p p l i n gb o t hn e t w o r k e dv i r t u a li n s t r u r a e n t st e c h n o l o g ya n ds m a r td e t e c t o r t e c h n o l o g yt oo p t i c a lr a d i a t i o nm e a s u r e m e n t , i ti sap o i n to fi n n o v a t i o n a sa l l a p p l i c a t i o nc a s e ，t h eo p t i c a lr a d i a t i o nm e a s u r e m e n ts y s t e mi sd e s i g n e dt o i n c l u d e t h r e ep a r t s ：s t i m ( 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 ) ，v i r t u a li n s t r u m e n tc o n 仃o l p a n e l 。a n dc o n u n u n i c a t i o ni n t e r f a c eb a s c do nu s b ，o rr s 2 3 2 ，o rs i r ( s e r i a l i n f r a r e d ) s t i mi n t e g r a t e st r a d i t i o n a ld e t e c t o r , a n a l o gs i 倒p r o c e s s i n gc i r c u i t , d a t a a c q u i r e m e n tc i r c u i ta n dm c u ，a n dc o n t a i n st e d s ( t r a n s d u c e r e l e c t r c l n i cd a t as h e e t ) t h a tp r o v i d e st h ek e yi n f o r n i n t i o na b o u ts m a r td e t e c t o rt oa l l o wt h ed e t e c t o rt oi d e n t i f y , d e s c r i b ea n dc a l i b r a t ei t s e l f b a s e do nt h eg l a n g u a g e 蓼a p m c a ld e v e l o p m e n t ，t h ev i r t u a li n s t r u m e mc o n t r o l p a n e lf o ro p t i c a lr a d i a t i o nm e a s u r e m e n tc r e a t e sp o w e r f u l ，f l e x i b l e ，w e l l s t r u c t u r e d ， c o s t e f f e c t i v ea n df r i e n d l yh m l ( h u m a n m a c h i n ei n t e r f a c e ) m e a s u r e m e n ts y s t e m n l e d e s i g no ft h e r e m o t eo p t i c a lr a d i a t i o nm e a s u r e m e n ts y s t e ma p p l i e s d a t a s o e k e tt e c h n o l o g y , o f f e r i n gu s e r 8t h ea b i l i t yt or e m o t e l ym o m t o rt h em u l t i p o i n t b yr e m o t e5 e l - v e r k e y w o r d s ：s m a r td e t e c t o r ；v i r t u a li n s t r u m e n tb a s e do nn e t w o r k ；o p t i c a lr a d i a t i o n m e a s u r e m e n t ；u s bc o m m u n i c a t i o n ；s i rc o m m u n i c a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国计量科学研究院或其它教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：王牵色再 时间： 2 缈年加2 口日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国计量科学研究院有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同意中国计量科学研究院可以用不 同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 研究生签名： 导师签名： 互艳痦 l 弓矽 时间：厶”歹年钿幻日 时间：叫f 年f 月t o 日 第一章绪论 1 1 现代测量仪器技术的发展方向 现代仪器仪表技术是计算机技术和多种基础学科紧密结合的产物。随着微电 子技术、计算机技术、软件技术、网络技术的飞速发展，新的测试理论、测试方 法、测试领域以及新的仪器结构不断出现，在许多方面已经冲破了传统仪器的概 念，电子测量仪器的功能和作用发生了质的变化。在此背景下，网络化虚拟仪器技 术及智能化探测器技术相继应运而生。 在过去的2 0 年里，p c 机应用的迅速普及促进了铡试测量和自动化仪器系统 的革新，其中最为显著的就是虚拟仪器概念的出现和发展，以及虚拟仪器为工程 师和科学家们在提高生产率、测量精度及系统性能方面做出的贡献。 虚拟仪器是通过应用程序将通用计算机与仪器硬件结合起来，用户可以通过 友好的图形界面操作这台计算机，就像在操作自己定制的一台传统仪器一样。【i 】 虚拟仪器以透明的方式把计算机资源( 如微处理器、内存、显示器等) 和仪器硬件 ( 如a d ，d a 、数字i o 、定时器、信号调理等) 的测量、控制能力结合在一起， 通过软件实现对数据的分析处理、表达以及图形化用户接口。虚拟仪器的核心思 想是利用计算机强大硬软件资源使本来需要硬件实现的技术软件化，以便最大限 度的降低系统成本，增强系统功能和灵活性。 作为代表当今仪器技术发展的方向的虚拟仪器技术，从诞生之日起，就以其 强大的用户自定义功能、开发周期短、成本低廉以及实用范围广、维护升级方便 等众多优点被迅速推广应用到国防军工、科研教育、航天航空、船舶车辆、能源 交通、通讯信息、石油开采、电力工程、医疗与生物工程等多个领域，成为发达 国家研究开发的热点技术之一。2 1 世纪初，虚拟仪器的生产厂家将超过千家， 品种将达到数干种，市场占有率将占到电测仪器的5 0 。目前，国际上大约有 6 0 的仪器仪表生产厂家( 如美国惠普公司、f l u k e 公司、日本m o i ( i 公司、 瑞士a b b 公司和l e m 公司等) 都已采用虚拟仪器技术作为产品开发的重要 手段。国内对虚拟仪器的研究虽然起步较晚，但随着个人计算机最近几年在中国 的迅猛发展，虚拟仪器技术在国内各领域的应用也日益增多。国家自然科学基金 委员会已将虚拟仪器研究作为现代机械工程科学前沿学科之一，并被列为“十五” 期间优先资助领域。据专家预测，到“十五”末我国虚拟仪器行业的产值将达到 仪器仪表行业总产值的5 0 。f 2 传感器是新技术革命和信息社会的重要技术基础，传感器技术是实现测试与 自动控制的重要环节。在测试系统中，传感器被作为次仪表定位，直接作用于被 测量，作为信息探测，感知和捕获的器件，如果没有传感器对被测的原始信息进 行准确可靠的捕获和转换，一切准确的测试与控制都将无法实现，传感器的优劣 对测量系统的功能起着决定性的作用。 从微处理器带来的数字化革命到虚拟仪器的飞速发展，对传感器的综合精 度、稳定可靠性和响应要求越来越高，传统传感器已不能适应多种测试要求，随 着微处理智能技术和微机械加工技术在传感器上的应用，智能探测器诞生了。 智能探测器是由传感器和微处理器相结合而构成的。它充分利用计算机的计 算和存储能力，对传感器的数据进行处理，并能对它的内部工作进行调节。随着 科学技术的发展，智能探测器的功能将不断增强。它将利用人工神经网络和人工 智能技术以及模糊理论等信息处理技术，使传感器具有更高的智能化。例如具有 分析、判断、自适应、自识别的功能，可以完成图像识别、特征检测和多维检测 等复杂任务。多年来从事传感器研制的工程技术人员一直为传感器的温度漂移和 输出非线性作大量的补偿工作，但都没有从根本上解决问题，而智能探测器的自 补偿和计算功能为传感器的温度漂移和非线性补偿开辟了新的道路。 1 2 论文选题的目的和意义 科学技术的飞速发展，特别是信息等高新技术的发展，催生了众多新工艺、 新材料、新产品，给人们的生产生活带来了日新月异的变化，然而所有这些新工 艺，新材料和新产品都离不开测试计量技术和精密仪器，测试计量技术是这些产 品质量的重要保证，而精密仪器是测试计量必不可少的工具。不仅如此，随着被 测系统、产品的发展日趋提高，人们对测试计量技术和精密仪器的要求也越来越 高，这便促使我们要不断地探索和研究测试测量技术和测量仪器中出现的新技术 和新方法。 我院开设的测试计量技术及仪器研究生专业，其目的也是致力于先进的测试 2 测量技术和测量仪器的研发，以进一步促进现代测试测量技术和精密仪器的发 展，加快科研成果在计量领域内的推广、移植和转化的步伐。 正是基于此，本文选择网络化虚拟仪器技术及智能化探测器技术做为研究课 题，并重点放在硬项技术在光辐射测量中的应用。实现具有光电信号转换能力， 信号调理能力，模数转换能力，数据处理能力，探测器自识别能力的智能光辐射 探测器模块，通过即插即用的u s b 总线，或串行接口，或无线红外通信三种方 式，与基于p c 机或p d a 的虚拟控制面板进行数据的传输，在此基础上还可通 过网络实现远程监控。该课题充分体现了智能探测器技术与网络化虚拟仪器技术 在光辐射测量领域发挥的优势，为传统的光辐射测量系统向智能化、微型化、网 络化的发展提供了可行的方案。 第二章网络化虚拟仪器技术及智能化传感 器技术综述 2 1 引言 网络化虚拟仪器技术和智能探测器技术是本次课题研究的理论基础，两项技 术的结合也是本次课题的一个创新点。本章首先对网络化虚拟仪器技术和智能探 测器技术的做了概括性的论述，重点介绍了两项技术的核心思想、关键技术及其 特点。在此基础上，深入探讨了两项技术在测量仪表中结合的可能性和优势。 2 2 网络化虚拟仪器技术 2 2 1 虚拟仪器技术的概念 虚拟仪器是计算机技术介入仪器领域所形成的一种新型的、富有生命力的仪 器种类。虚拟仪器的概念最早是由美国国家仪器公司( n a t i o n a li n s t r u m e n t s ) ，简 称n i ，在1 9 8 6 年提出的，但其雏形可以追溯到1 9 8 1 年由美国西北仪器系统公司 推出的a p p l e i i 为基础的数字存储示波器。这种仪器与个人计算机的概念相适 应，当时被称为个人仪器( p e r s o n a li n s t r u m e n t ) 。个人仪器的思想代表了仪器技 术与计算机技术相结合的发展趋势，但是由于当时计算机软件发展水平的限制。 编写仪器驱动程序和人机交互界面是一项专门的技术工作，需要由专业的厂商才 能完成，这种状况使得个人仪器的推广和应用没有形成工业标准【3 1 。从2 0 世纪 s 0 年代中期开始，微软公司w i n d o w s 操作系统出现，使得计算机操作系统的图 形支持功能得到了很大的提高。1 9 8 6 年，m 公司推出了图形化的编程环境 l a b v i e w ，标志着虚拟仪器设计软件平台基本成型，虚拟仪器从概念构思变成 了工程师可实现的具体对象| 4 1 。 所谓虚拟仪器，就是利用现有的计算机，配上必要的通用硬件平台，和在图 形化开发环境下建立的直观、灵活、快捷的虚拟仪器面板，形成即有普通仪器的 基本功能，又有一般仪器所没有的特殊功能的高档低价的新型仪器。 4 虚拟仪器的出现代表着从传统硬件为主的测量系统到以软件为中心的测量 系统的根本性转变。它打破了传统仪器由厂家定义，用户无法改变的工作模式， 使得用户可以根据自己的需求，设计自己的仪器系统，在测试系统和仪器设计中 尽量用软件代替硬件，充分利用计算机技术来实现和扩展传统测试系统与仪器的 功能。“软件就是仪器”是虚拟仪器概念最简单，也是最本质的表述。 在同一个硬件平台上，调用相同的仪器驱动程序，通过改变应用程序中的数 据处理方式、程序结构，可以创建出功能和特性完全不同的仪器：通过改变人机 界面的设置，如控件的位置，界面的色彩调节，可以轻易地搭配出最适合用户喜 好的虚拟仪器面板。仪器的功能特性和形式完全由软件决定。软件系统就是虚拟 仪器的核心。 2 2 2 虚拟仪器系统的结构 从虚拟仪器的系统结构上来看，与传统仪器的最大区别是，计算机成为了虚 拟仪器最重要的组成部分。虚拟仪器充分利用计算机强大的c p u 处理能力，总 线吞吐能力及显示器技术，将原来固化在传统仪器硬件中的信号的采集与控制单 元、信号的分析与处理单元、结果的表达与输出单元转移给计算机来完成。这也 充分体现了“软件就是仪器”的虚拟仪器设计思想。 下图是虚拟仪器系统结构的层次图。虚拟仪器的硬件平台由计算机和接口模 块两部分组成。按照接口总线的不同，虚拟仪器的接口模块可分为数据采集插卡 式d q a 接口模块、r s 2 3 2 r s 4 2 2 接1 2 1 模块、并行接1 2 1 模块、u s b 接口模块、g p i b 接口模块、v x i 接1 2 1 模块、p x i 接1 2 1 模块和i e e e l 3 9 4 接1 3 模块。接1 2 1 模块的主 要完成被测信号的采集、调理和模数转换【5 】。 虚拟仪器应用程序 虚拟仪器软件开发环境 ( l a b y z 哪, l a b w i n d o w s c v i ，h pf e e ，珊，v c ) 虚拟仪器驱动陛序接口函数 虚拟仪器驱动程序 v i $ a i 牢 操作i 系统 计算机 串口匿线u s b 睁线g p r b 陋线张i 娅线其他培 i 袁暑l 饕各ii 疑孳ii 爱毛il 其他 图2 1 虚拟仪器系统结构层次图 从虚拟仪器的硬件结构上，可以看出它以计算机为核心，在其基础上支持多 种接口设备，构成了不同类型的虚拟仪器系统。从另一个角度来说，虚拟仪器己 冲破了单个仪器的概念，完全可以实现多种不同仪器的协同工作。 硬件是虚拟仪器的基础，但不是核心。虚拟仪器的硬件仅仅是软件赖以生存 和运行的物理环境，是用来调节信号，以便于软件的后续的处理。软件才是整个 仪器的核心构件。尤其是开放性铡试系统软件标准的建立和先进图形化编程开发 环境的发展和应用，成为了虚拟仪器软件技术发展的巨大推动力。 虚拟仪器软件系统可以分为应用程序和仪器驱动程序两大部分。应用程序建 立在仪器驱动程序之上，直接面对操作用户，通过提供直观友好的测控界面、丰 富的数据分析与处理功能，来完成自动测试任务。虚拟仪器的应用程序是一系列 按功能分组的主副软面板，每块软面板又由一些按键、旋钮、表头等控件组 合而成每个控件都对应不同的功能。它的底层是基于一组仪器驱动接口函数。 实时模式下，和用户直接打交道的是虚拟仪器软面板上的控件，对控件的操作将 直接反映到真实的仪器上。 虚拟仪器应用程序开发环境是虚拟仪器技术的重要组成部分。一般而言，常 用的可视化编程语言v i s u a lc + + 、v i s u a lb a s i c 等都可用作虚拟仪器的软件开发 环境，但图形化编程语言以其不可比拟的优势成为了开发虚拟仪器的最佳平台。 6 拟基件柯 匿壤阱瀚 鳓似蒯蝌 虚仪硬结 、-ill、fflj，、tiiifi、riji， 目前常见的图形化编程语言有n 1 公司的l a b v i e w 和l a b w i n d o w s c v l ，h p 公司 的h p v e e 。 仪器驱动程序是完成对某一特定仪器控制与通信的软件程序集，也可以认为 是仪器的软件描述，它是应用程序实现仪器控制的桥梁。由于虚拟仪器需要提供 模拟实际仪器操作面板的虚拟面板，虚拟仪器驱动器不仅仅是实施仪器控制的程 控代码，而是仪器程控代码、高级软件编程与先进人机交互技术三者相结合的产 物，是一个包含实际仪器使用、操作信息的软件模块。 仪器驱动程序负责与某一专门仪器通信和控制的具体过程，通过封装复杂的 编程细节，为用户使用仪器提供了简单的函数接口。用户不必对各种诸如g p i b 、 v x i 、数据采集板等仪器硬件有专门的了解，就可以通过仪器驱动接口函数来进 行应用软件层的编写。仪器驱动程序一般由仪器厂商以动态链接库d l l 的形式 提供给用户。 在仪器驱动程序的开发方面已形成了一系列标准，这使得各个厂商能遵循统 一的标准来开发驱动程序。当测试要求改变，需要更换新的仪器硬件时，只需要 配置不同的设备参数，而不需要更改原有的应用程序。尤其是v i s a 标准的制定， 为高级仪器驱动程序和低级i o 驱动程序之间提供了一个层，使得高级仪器驱动 程序和硬件无关，更是大大提高了各种接口的仪器的互换性。 v i s a 是用于仪器编程的标准i o 函数库及其相关规范的总称，一般称这个 i o 函数库为v i s a 库。v i s a 库驻留于计算机系统中，是计算机与仪器之间的软 件层连接，用以实现对仪器的程控。v i s a 对于软件开发者来说是一个可调用的 操作函数集，本身不提供仪器编程能力，它只是一个高层a p i ，通过调用低层的 驱动程序来控制仪器【们。 1 9 9 8 年美国n i 公司提出了一种新的基于状态管理的仪器驱动程序体系结 构，即可互换虚拟仪器驱动器( i n t e r c h a n g e a b l e v i r t u a l i n s t r u m e n t s ，i v i ) 模型和规 范，并开发了基于虚拟仪器软件平台的i v i 驱动程序库 7 1 。i v i 仪器驱动器使建 立在仪器驱动器的测试程序独立于仪器硬件，很快成为新的仪器驱动器标准，并 得到了业界的认可。i 基金会共制定了示波器数字化议、数字万用表、任意 波形发生器函数发生器、开关多路复用器矩阵、电源五类仪器的规范。i v i 驱动程序库包括了这五类仪器的标准驱动器、仿真驱动程序和软面板，为仪器的 7 互换提供了一个标准接口，通过定义一个可互换性虚拟仪器的驱动模型来实现仪 器的互换性，n i 公司设计的i 体系结构如下图2 ，2 所示。 应用程序i 耵配置功能 j i i v i 类驱动程序 土、 ( i v b i 擎) t 广 m 专门驱动程序 j i v i s a l 上 ， p 1 l 备类茬口仪器i i i 配置文件 图2 2i v i 体系结构 从图2 2 可以看出，i 驱动程序比v i s a 规范更高一层，它扩展了v i s a 标准，并加上了仪器的可互换性、仿真和状态缓存等特点，使得仪器厂商还可以 继续使用他们的仪器特征和新增功能。虽然i v i 驱动程序和v i s a 驱动程序的内 部结构完全不同，但对于用户来说，它们的使用方法是一样的。 2 2 3 虚拟仪器技术的优势 基于p c 机的虚拟仪器系统，诞生以来就充分利用了现成即用的p c 机所带 来的最新科技。这些科技和性能上的优势迅速缩短了独立的传统仪器和p c 机之 间的距离，包括功能强大的处理器，操作系统及微软w i n d o w sx p 、n e t 技术和 a p p l em a co s x 。除了融合诸多功能强大的特性，这些平台还为用户提供了简单 的联网工具，具体体现在： 1 ) 融合计算机强大的硬件资源，突破了传统仪器在数据处理、显示、存储等方面 的限制，大大增强了传统仪器的功能； 2 ) 利用计算机丰富的软件资源，实现了部分仪器硬件的软件化，节省了物质资源， 增强了系统灵活性；通过软件技术和相应数值算法，实时、直接地对测试数据 进行各种分析与处理；通过图形用户界面技术，真正做到界面友好、人机交互： 3 ) 虚拟仪器的硬、软件都具有开放性、模块化、可重复使用及互换性等特点因 此，用户可根据自己的需要，选用不同厂家的产品，使仪器系统的开发更为灵活 效率更高，缩短了系统组建时间； 4 1 使用虚拟仪器解决方案，您可以大幅降低资金投入、系统开发成本和系统维 护成本，同时还为用户加快产品上市时间并提高产品质量提供了可能。 5 1 虚拟仪器可维护性好、可扩展性强。在一定开发环境下，用户可以对现有的 虚拟仪器程序作二次开发，修改，增加原有仪器的功能，可大大缩短开发周 期。 2 2 4 网络化虚拟仪器技术概述 正如计算机给测量带来的变革一样，网络技术的发展使网络化的虚拟仪器成 为测量领域的一个重要发展方向。由于虚拟仪器是基于软件而不是硬件定义的仪 器，使开发者可以容易地以数据流程图模式把虚拟仪器通过不同的通讯接口连接 起来，组成一个网络化的虚拟仪器。尤其对于较复杂的测控系统，将测量方案中各 个组成部分分布在最佳应用点，利用网络技术将分散在不同地理位置不同功能的 测试设备联系在一起，组成一个网络测控系统，这样可以使昂贵的硬件设备、软件 在网络内得以共享，减少了设备重复投资，同时，大大提高开发效率，增加了测试系 统功能。 与传统的仪器和单独的虚拟仪器相比，网络化虚拟仪器具有很多优点，主要有 下面几点： 1 ) 资源共享。工程师们可以随时随地得到有关虚拟仪器的最新情况，节约许多研 究的时间和精力以及费用。另外还可以降低组建系统的费用，节省大量开发测 量系统的时间。 劲远程测试。可以通过网络测试那些人们不易钡4 试的测试点及数据，使得虚拟仪 器高度智能化和自动化。 3 ) 广泛支持诸如c a n 、f i e l d b u s 、p r o f i b u s 等各种工业总线标准。因此，能够方 便地构建自动测试系统，实现测量、控制过程的网络化 s l 。 4 】强大的功能和价格优势。使得网络化虚拟仪器在仪器计量领域具有很强的生 命力和十分广阔的前景。 2 3 智能探测器技术 传感器是人类探知自然界信息的触角，是获取信息的重要工具，是信息系统 9 的第一道门槛，为人们认识和控制相应的对象提供条件和依据，在工农业生产、 国防建设、日常生活和科学技术等领域发挥着巨大作用。随着工业现代化的飞速 发展，测控系统自动化、智能化的技术进步，要求传感器在准确度高、可靠性好， 稳定性强的基础上，具备一定的数据处理能力，能自检、自校和自补偿，并且具 备网络互联功能。在此背景下，智能探测器技术应运而生。 2 3 1 智能探测器标准的发展历史 自二十世纪5 0 年代以来，从智能化、网络化和信息化角度来看，传感器的 发展已经经历了模拟传感器( a n a l o gs e n s o r ) 、数字传感器( d i g i t a ls e n s o r ) 的 发展历程，正逐步向智能探测器( s m a r ts e n s o r ) 发展1 9 】。虽然它们都“感受规定 的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号”，但在结构和功能上已发生了 巨大变化。 早期的模拟传感器功能、结构比较简单。主要由传感器单元、信号调理单元 和模拟网络接口单元组成输出是可用于电测量的原始信号如模拟电压或电流信 号。模拟传感器由于没有智能单元，因此不具备智能化，更谈不上信息化，功能 单一，性能差【。 随着集成电路技术的发展，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，再进行数字化传输，从而提高传感器的性能，这就是数 字传感器，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。数字传感器采用数字通信标 准r s 2 3 2 ，r s - 4 2 2 。r s - 4 8 5 进行数据传输，从很大程度上解决了信号的远程 传输问题，为实现分布式远程测控提供了技术基础。1 9 8 3 年i n t e l 公司推出了 位总线技术( b i t b u s ) 和8 0 4 4 微控制器，该项技术主要将低速面向过程的输入输 出通道与高速的计算机总线分离，将i o 板从计算机内转移到现场，计算机和现 场设备之间以双绞线为物理传输媒体，以r s - 4 8 5 为数据通信标准，通过远程访 问命令( r e m o t ea c c e s sc o m m a n d ) 而实现数据通信和信息传输。首次实现了用传 感器总线取代直接电缆连线来连接传感器。为总线技术奠定了现场总线技术的雏 形1 1 ”。 1 9 8 2 年，w e nh k o 和c l i f f o r dd f u n g 首先提出了智能探测器的概念。 1 0 智能探测器，就是把模拟或数字的传感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，使传感器具有一定程度的智能。智能 探测器包含了智能控制单元，也就是微控制器或微处理器。它能够充分利用微处 理器的计算和存储能力，对传感器的内部行为进行调节，使输出的数据达到最佳。 智能探测器具有信号处理，a d 转换，数据处理以及自校自检自补偿等功能。 微处理器是智能探测器的核心，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。由于微处理器充分发挥各种软 件功能，可以完成硬件难以完成的任务，从而大大降低了传感器的制造难度，提 高传感器的性能，降低了成本。 2 0 世纪八十年代末至九十年代初，为适应工业测控网络的需要，人们推出 了现场总线( f i e l d b u s ) 技术【1 2 】。现场总线是连结智能化现场设备和主控系统之间 全数字、开放式、双向通信网络。将现场总线技术应用于智能探测器，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 的分层体系结构实现了分布式智能。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； 由于应用领域不同，各种总线都有其一定的优势，在现存的现场总线中，仅一种 总线协议恐怕难于应付各种工业控制要求。所以，每个厂商的产品一般都支持几 种现场总线标准，与此同时，每个最终用户为满足不同的工业自动化需求，也可 能会选择几种不同协议的现场总线。结果，在一个企业中，可能有几种现场总线 并存于工业现场，需要解决不同标准系统之间的互连接和互操作的问题。由于现 场总线标准各异，相互之间互不兼容，互操作性差，各种产品既不能互连互换， 也不能统一组态，给系统的扩展、维护等带来不利的影响。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。如何成功联接各种传感器并支持各种不同的网络协议，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 e1 4 5 1 标准便应运而生了。 i e e es t d1 4 5 1 2 - 1 9 9 7 针对传感器网络化的需要对智能探测器进行了重新定 义：一种传感器，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集成到网络环境应用中的功能。智能探 测器的概念就是这个定义的探测器版本，其核心就是智能探测器能够增加数据的 信息量，并能够支持分布式处理与决策f 1 翔。i e e e1 4 5 1 1 标准定义了一个信息模 型，使智能探测器具有独立的网络接口。 2 3 2 智能探测器的国内外研究现状 自从i e e e1 4 5 1 标准推出以来，国外在这方面的研究取得了较大的进步。 a g i l e n tt e c h n o l o g y 研制了n c a 2 芯片b f o o t l c a m a r a 等用3 2 位的m c u 实 现了基于c a n 总线的n c a p ，用8 位的m c u 实现了s t i m ，从而实现了温 度的远程测量。d a r o l dw o b s c h a l l 研制出了符合i e e e l 4 5 1 2 标准的n c a p ，实现 了8 种基于串行口通信的探测器接i s l ：r s 2 3 2 ，r s 4 8 5 m o d b u s 和t i l ( 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 ) 等【1 4 】。a n a l o gd e v i c el n c 也推出了i e e e l 4 5 1s m a r t t r a n s d u c e ri n t e r f a c e 的芯片a d u c 8 1 2 。目前一些智能探测器的商业化产品，大 多数只实现了1 4 5 1 2 部分，尽管实现了t i i ，但并没有提供网络互联功能。主要 原因除了现场总线仍然占主导地位，制造厂商不愿使用i e e e l 4 5 1 1 标准外，更 重要的是n c a p 模型过于复杂，具体实现比较困难，尤其对于低端产品来说， 更是如此。 国内对i p 探测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 的因特网探测器技术( i s t , i n t e m e ts e n s o rt e c h n o l o g y ) 在这方面的研究取得了较大 的进展。童利标等应用了1 e e e1 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i n t e m e t 对手爪的传感器信息和状态进行远程采集和 监控。华中科技大学智能维护技术中心对i p 传感器的发展也做了有益的探索。 无线传感器的研究也有很大的进展。无线传感器通过射频取代电缆连线收发 数据。对于许多任务，比如军事侦察，气候监测等，如果用有线传感器网络将是 十分昂贵、笨重甚至是不可能实现的。而使用无线传感器网络将会使闯题迎刃而 解。常使用的无线网络技术是无线以太网( w t r e l e s se t h e m e t ，i e e e8 0 2 1 i x ) 、蓝牙 ( b l u e t o o t h ) 技术和通用分组无线业务g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 等。 美国c r o s s b o w 公司已经开发出了基于蓝牙技术的无线传感器产品并采用了 i e e e1 4 5 1 2 标准【1 5 1 。 2 随着传感器技术与嵌入式网络技术的发展和融合，微机电技术、集成电路技 术和信号处理技术的进步，新材料、新工艺的发现以及人工智能和神经网络等方 法的应用，传感器将进一步向微型化、智能化、网络化和信息化方向发展。基于 i n t e m e t e t h e r n e t 的分布式网络将是传感器网络的下一个标准：利用w e b 服务器 可以为用户提供标准的用户接口，利用人工智能、神经网络等应用算法实现多传 感器的信息融合进一步提高传感器的智能化和信息化。这些方面都是传感器发 展的趋势，也是当前研究的热点。 2 3 3i e e ep 1 4 5 1 智能探测器接口标准族简介 i e e ep 1 4 5 1 标准族是基于目前现场总线标准不一，各种现场总线标准都有 自己规定的通信协议，互不兼容，从而给智能探测器技术的应用、扩展和维护等 带来不利影响的基础上提出来的。目的是通过定义一整套通用的通信接口，大大 简化由传感器构成的各种网络控制系统，解决不同网络之问的兼容性问题，并能 够最终实现各个厂家的产品相互之间的互换性与互操作性。 i e e ep 1 4 5 1 提议标准族定义了传感器的软硬件接口。该组所有标准都支持 电子数据表格( t e d s ) 概念，这为传感器提供了自识j | j i ( s e l f - i d e n t i f i c a t i o n ) 和即插即 用( p l u g a n d p l a y ) 功能。以下是i e e ep 1 4 5 1 家族系列标准的简要介绍。 2 3 3 1i e e ep 1 4 5 1 0 标准 i e e ep 1 4 5 1 0 提议标准，即通用的功能、通信协议和传感器电子数据表格式 ( c o m m o nf u n c t i o n s ，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 a s h e e tf o r m a t s ) 。i e e ep 1 4 5 1 提议标准族由几个标准组成，尽管它们之间有共同 的特征，但是却没有通用的功能、通信协议和电子数据表格式的设置，这影响了 这些标准之间的互操作性。阻碍了这些标准在用户群中的广泛使用。i e e e p 1 4 5 1 0 提议标准就是为解决这一问题提出来的，通过定义一个包含基本命令设 置和通信协议的独立于n c a _ p 到传感器模块接口的物理层，为不同的物理接口 提供通用、简单的标准，以达到加强这些标准之间的互操作性【j “。 2 3 3 2i e e es t d1 4 5 1 1 标准 i e e es t d1 4 5 1 1 标准，即智能探测器网络应用处理器信息模型( n e t w o r k c a p a b l ea p p l i c a t i o np r o c e s rt n f o r m a t o nm o d e f o rs m a r tt r a n s d u c e r ) ，1 9 9 9 年7 月 通过i e e e 认可。该标准采用面向对象的方法精确地定义了通用的智能探测器信 息模型，涵盖了网络化传感器的各种应用，通过一个标准的应用编程接口来实现 从模型到网络协议的映射，采用系列功能模块比如i o 驱动硬件抽象等来支持 各种各样的传感器f 1 7 1 。如图2 3 所示。 图2 3 i e e es t d1 4 5 1 i 智能探测器接口模块框图 2 3 3 3i e e es t d1 4 5 1 2 标准 i e e es t d1 4 5 1 。2 标准，即传感器与微处理器通信协议和传感器电子数据表格 式( t r a n s d u c e r t o m i c m p m c e s s o r c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l sa n dt 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 tf o r m a t s ) ，1 9 9 7 年9 月通过了i e e e 认可。该标准具体定义 了电子数据表格式t e d s 和一个1 0 线数字接1 2t i l ( t r a n s d u c e ri n d e p e n d e n t i n t e f f a c e ) 以及传感器与微处理器间的通信协议，如图2 4 所示，使智能探测器模 块具有了即插即用能力，测控网络也可以通过访问t e d s 来监测和配置传感器通 道f 1 8 】。 标准数j # 接 1 4 塑塑塑兰墨壁墨旦塑曼掣 络迁陀处理磊 变蜡器卜叫a d c 型到啷惋 孤磊、丽l 幽 奎竺竺h ! 广讳r l 电下投懈裳i | | 憔 斑j i j 硬件 1 45 1 2 接l 1 1 驱动 援正弓i 擘 图2 4i e e es t d1 4 5 1 2 智能探测器接口模块框图 2 3 3 3i e e es t d1 4 5 1 3 标准 i e e es t d1 4 5 1 3 标准，即分布式多点系统数字通信和传感器电子数据表格式 ( d i 百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 订o n i cd a t as h e e tf o r m a t sf o r d i s t r i b u t e dm u l t i d r o ps y s t e r m ) ，2 0 0 3 年l o 月通过了i e e e 认可。该标准利用展布 频谱技术( s p r e a ds p e c t r u mt e c h n i q u e ，) ，在一根信号电缆上实现数据同步采集、通 信和对连接在传感器总线上的电子设各供电。i e e e l 4 5 1 3 分布式多点传感器接 口，如图2 5 所示。 嘲 络 图2 5i e e e 刚1 4 5 1 3 分布式多点传感器接口简图 2 3 3 4i e e es t d1 4 5 1 4 标准 i e e ep 1 4 5 1 4 提议标准，即混合模式通信协议和传感器电子数据表格式 ( m i x e d - m o d ec o m m u n i c a t i o n p r o t o c o l sa n dt r a n d u c e re l e e t r o n i ed a t as h e e t f o r m a t s ) 。i e e e1 4 5 1 1 、i e e e l 4 5 1 2 和i e e e1 4 5 1 3 标准主要针对可数字方式读 的具有网络处理能力的传感器。i e e e p l 4 5 1 4 标准主要致力于基于己存在的模拟 量传感器连接方法提出一个混合模式智能探测器通信协议：混合模式接口一方面 支持数字接口对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。基于i e e ep 1 4 5 1 4 混 合模式智能探测器接口【1 9 j ，如图2 6 所示。 罔 络 i e e ep 1 4 5 1 4 混合模式接口 和 目络适配处理器 ( n c p ) i e e e1 4 5 1 4 混合模式变送器 自萄 图2 6i e e e1 4 5 1 4 混合模式传感器接口简图 2 3 3 5i e e ep 1 4 5 1 5 标准 i e e ep 1 4 5 1 5 提议标准，即无线通信与传感器电子数据表格式( w i r e l e s s c o m m u n i e a t i o na n dt r a n s d u c e re l e c