（电路与系统专业论文）基于ieee1451标准的stim的研究与实现.pdf

大连理l 。人学硕士学位论文 摘要 本文重点研究了智能变送器接口模块s t i m 与网络适配器n c a p 之间的软硬件接口协 议i e e e l 4 5 1 标准。依据i e e e l 4 5 1 2 标准设计了智能变送器接口模块s t i m ，其中包括 对变送器独立接口t i i 和变送器电子数据表格t e d s 的研究与实现；实现了网络适配器 n c a p 的i e e e l 4 5 1 1 协议栈中完成对变送器和t e d s 信息进行描述和数掘存储的 c o m p o n e n t 类及其予树；开发了基于c # 的变送器电子数据表格t e d s 编辑软件；开发了 基于c + + 的变送器电子数据表格t e d s 解析软件。 本文着重从软硬件两个方面论述了智能变送器接口模块s t i m 的系统设计方案。硬 件方面，以模块化的设计方法将硬件按功能分为几大模块分别设计，在智能变送器接口 模块s t i m 中使用a d 7 7 1 0 a n 模数转换器实现对变送器传来的信号进行调理、转换、线性 化；使用a t 8 9 s 5 2 单片机实现对a d 7 7 1 0 a n 模数转换器的控制和与网络适配器n c a p 的通 信；使用铁电存储器f m 2 5 2 5 6 作为s t i m 和n c a p 的缓冲区和变送器电子数据表格t e d s 的存储区。软件方面，以智能变送器接口模块s t i m 部分的软件开发与调试为重点，按 照s t i m 模块预定的功能使用k e i lc 语言以模块化的编程方法，实现数掘采集、数据 处理、串行通讯等功能；使用c # 语言开发了基于p c 机的图形化系统支撑软件变送器电 子数据表格t e d s 编辑器，使得填写变送器电子数据表格t e d s 变得简单易行；使用c + + 语言开发了变送器电子数据表格t e d s 的解析软件，使得网络适配器n c a p 可以理解由智 能变送器接口模块s t i m 传输过来的变送器电子数据表格t e d s 的意义；使用c 十十语言编 写了网络适配器n c a p 的协议栈c o m p o n e n t 类库，用来存储变送器和变送器电子数据表 格t e d s 的相关信息。 本文依据i e e e l 4 5 1 标准设计了智能变送器接口模块s t i m 并实现了即插即用功能， 为智能变送器接口模块s t i m 的集成提供了功能验证，为符合i e e e l 4 5 1 标准的智能变送 器的研究奠定了基础，为开发各种i e e e l 4 5 1 标准的智能变送器模块s t i m 提供了范例。 关键词：i e e e l 4 5 1 标准；智能变送器接口模块；网络适配器；变送器电子数据表格 基于i e e e l 4 5 1 标准的s t i m 的研究与实现 r e s e a r c ha n dr e a l i z a t i o no fs t i mb a s e do ni e e e l 4 5 1s t a n d a r d a b s t r a c t 1 1 i i st h e s i ss t u d i e dt h es o f t w a r ea n dh a r d w a r ei n t e r f a c ep r o t o c o l si e e e l 4 5 1s t a n d a r d b e t w e e ns m a r tt r a n s d u c e ri n t e f f a c e m o d u l e ( s t i m ) a n d n e t w o r k c a p a b l ea p p l i c a t i o n p r o c e s s o r ( n c a p ) w i t he m p h a s i s ，d e s i g n e dt h es t i m b a s e do n e e l 4 5 1 2 ，i n c l u d i n gt o r e s e a r c ha n dr e a l i z et r a n s e u d e ri n d e p e n d e n ti n t e r f a c e ( t i i ) a n dt r a n s c u d e re l e c t r o n i cd a t as h e e t ( r e d s ) ；i tr e a l i z e dc o m p o n e n tc l a s si n c l u d i n gi t ss u b t r e e st h a ti sap a r to fm e e l 4 5 1 1s t a c k t h a tc o m p l e t ed e s c r i p t i o no fi n f o r m a t i o na n ds t o r eo fd a t a ；i th a sd e v e l o p e dt e d se d i t o r s o f t w a r eb a s e do n ( 辫：i th a sd e v e l o p e dt e d sa n a l y s i ss o f t w a r eb a s e do nc + + 1 1 1 i st h e s i se m p h a t i c a l l ye l a b o r a t e dt h es ，兀ms y s t e md e s i g np l a nf r o mt h es o f t w a r ea n d h a r d w a r et w oa s p e c t s i nt h eh a r d w a r ea s p e c t t h em o d u l a rd e s i g nm e t h o dd i v i d e si n t os e v e r a l b i gm o d u l e ss e p a r a t e l yt od e s i g na c c o r d i n gt ot h ef u n c t i o n u s i n ga d 7 7 1 0 a na d c r e a l i z e d s i g n a lc o n d i t i o n i n g , t r a n s f o r m a t i o na n dl i n e a r i z a t i o ni ns t i m ：u s e sa t 8 9 s 5 2m c ut or e a l i z e f u rt h ea d 7 7 1 0 a nc o n t r o la n dt h en c a pc o r r e s p o n d e n c e ；u s e sf m 2 5 2 5 6t ot a k es t i ma n d t h en c a pb u f f e ra n dt h et e d sm e m o r yb l o c k i nt h es o f t w a r ea s p e c t t a k et h es t i mp a r t i a l s o f t w a r ed e v e l o p m e n ta n dt h ed e b u g g i n ga st h ek e yp o i n t ，a c c o r d i n gt ot h es t i mm o d u l e f u n c t i o nu s e st h ek e i lc l a n g u a g ea n dm o d u l a t i o nt h ep r o g r a m m i n gm e t h o d ，r e a l i z e sd a t a a c q u i s i t i o n ，d a t ap r o c e s s i n g ，s e r i a lc o m m u n i c a t i o nf u n c t i o n sa n ds oo n ；u s e dt h e 饼l a n g u a g e t od e v e l o pb a s e do nt h ep c g r a p h i cs o f t w a r et e d se d i t o r , c a u s e dt of i l li nt e d s t ob es i m p l e ； u s e dt h ec + + l a n g u a g et od e v e l o pt e d sa n a l y s i ss o f t w a r e c a u s e dn ( a pt ob ea l l o w e dt o u n d e r s t a n dt r a n s m i t t e dt h et e d ss i g n i f i c a n c eb ys t i m ；u s e dt h ec + + l a n g u a g et oc o m p i l ea c o m p o n e n tc l a s so fn c a pp r o t o c o ls t a c k u s e df u rt os a v et r a n s d u c e r sa n dt e d sr e l a t e d i n f u r m a t i o n s t h er e s e a r c ho ns t i mb a s e do ni e e e l 4 5 1s t a n d a r dp r o v i d e dt h ef u n c t i o nc o n f i r m a t i o n f u ri n t e g r a t i o no fs t i m i ta l s oe s t a b l i s h e df o u n d a t i o nt os t u d yf o rt h ei e e e l 4 5 1n e t w o r k e d s m a r tt r a n s d u c e r , a n do f f e r e dt h ee x a m p l ef u rd e v e l o p i n gv a r i o u sk i n d so fs t a n d a r d i z e d m e e l 4 5 1s t i m k e y w o r d s ：i e e e l 4 5 1s t a n d a r d ：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 ( s t i m ) ；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 s o r ( n c a p ) ：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 ( t e d s l 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。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的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名： 导师签名 塑年_ l 月_ g _ e t 人连理i - 大学硕十学付论文 1 绪论 1 1 智能变送器的发展现状 网络变送器技术的基础是变送器技术、通信技术和计算机技术。它们分别完成对信 息的采集、传输和处理。随着这些技术的发展，变送器向着微型化、智能化和网络化的 方向发展。计算机技术和通信技术结合构成网络技术；计算机技术和变送器技术结合构 成智能变送器技术；网络技术和智能变送器技术结合构成网络化智能变送器技术，为变 送器技术的发展开辟了一个全新方向。 随着网络时代的到来和信息化要求的不断提高，将计算机网络技术和智能变送器技 术相结合就有必要和可能。智能变送器网络的概念即由此而产生。智能变送器网络化技 术致力于研究智能变送器的网络通信功能，将变送器技术，通信技术和计算机技术融合， 从而实现信息的采集、传输和处理真正的统一和协同。智能变送器网络技术是使智能变 送器的处理单元实现与网络的通信，从而构成一个分布式智能变送器网络系统。在该网 络中，变送器成为一个可存取的节点，在该网络上可以对智能变送器数据、信息远程访 问和对变送器功能在线编程i l j 。可以看出，智能变送器网络化的研究将对工业控制、智 能建筑、远程医疗和教学等领域带来重大的影响。它将改变传统的布线方式和信息处理 技术，不仅可以节约大量现场布线，而且实现现场信息共享。 变送器网络的发展分为三个阶段。 ( 1 ) 第一代变送器网络 第一代变送器网络是由传统变送器组成的，点到点输出的测控系统，采用二线制 4 2 0 m a 电流、l 5 v 电压标准，这种方式在目前工业测控领域中广泛运用【2 l o 它的最 大缺点上布线复杂，抗干扰性差。 ( 2 ) 第二代变送器网络 第二代变送器网络是基于智能变送器的测控网络，信号传输方式和第一代基本相 同，但随着现场采集信息量不断扩大，变送器智能化不断提高，人们逐渐认识到通信技 术是智能变送器网络发展的关键因素1 3 1 。其中数据通信标准r s - 2 3 2 、r s - 4 2 2 、r s 一4 8 5 等 通信标准的应用大大促进了智能变送器的应用。 ( 3 ) 第三代智能变送器网络 第三代智能变送器网络即基于现场总线和智能变送器网络。据现场总线基金会的定 义，现场总线是连接现场智能设备与控制室之间的全数字式、开放的、双向的通信网络。 现场总线的不断发展和基于现场总线的智能变送器的广泛使用，使智能变送器网络进入 基于i e e e l 4 5 1 标准的s t i m 的研究与实现 局部测控网络阶段【4 l 口这些局部测控网络通过网关和路由器实现与i n t e r n e t i n t r a n e t 网络相连。 1 2 现场总线面临的问题 现场总线种类很多，通信标准也多种多样。正因为现场总线技术的多种多样，通信 标准的各自为政，给现场总线的发展带来了不利影响。目前，国际电工委员会和现场总 线基金会正致力于现场总线通信标准的统一，但由于商业和技术两方面的原因，通信标 准的统一在短期内还难以实现【5 1 。为此，国际电子电器工程师协会( i e e e ) 审时度势， 专门建立专家组制定了i e e e l 4 5 1 协议族。目前，得到i e e e 组织认可的协议有： i e e e l 4 5 1 1 、i e e e l 4 5 1 2 、i e e e l 4 5 1 3 、i e e e l 4 5 1 4 标准，i e e e l 4 5 1 5 、i e e e l 4 5 1 6 、 i e e e l 4 5 1 0 正在制订中。 1 3 国内外对i e e e l 4 5 1 标准的研究现状 变送器网络从最初的点到点模拟系统发展到现在已经过了漫长的历程，未来的智能 变送器网络不可能被某一种架构所统治，但会不断集成现有的各种网络技术，尤其是现 在计算机网络技术已经走出了纯粹的网络领域而向更贴近具体应用需求的方向发展。智 能变送器网络的研究已经成为热点领域。 1 3 1 国外研究现状 ( 1 ) h p 公司在2 0 0 0 年初曾推出了支持i e e e1 4 5 1 标准的b f o o t1 1 5 0 1 、6 6 5 0 1 和 6 6 5 0 2 系列n c a p 芯片，芯片的大小为：l o o m m * 8 0 m m ，c p u 为6 8 0 0 0 - c l a s s ，功耗为 8 - 2 8 v ，2 w - 5 w 。其中带有定制w e b 页的嵌入以太网控制器，可以对自产的性能符合 i e e e l 4 5 1 1 的传感器进行网络控制，从而实现基于w e b 的传感器阵列控制。 ( 2 ) 美国加州c r o s s b o w 技术公司推出了工业上第个采用蓝牙( b l u e t o o t h ) 通 信标准的无线变送器结构( c r o s s n e t 结构) ，该结构中的变送器具有自识别能力，其 内部按i e e e1 4 5 1 定义的t e d s 实现，这使得在有大量阵列的变送器应用中，数据的 管理容易得多。 ( 3 ) n i 公司于2 0 0 4 年全力打造即插即用变送器，符合i e e e l 4 5 1 4 标准。并且 l a b v i e w 软件支持i e e e l 4 5 1 4 标准。n i 推出的模型体系中，通用计算机成为网络适 配器( n c a p ) 。 ( 4 ) a g i l e n tt e c h n o l o g y 开发出嵌入式网络服务器一6 6 5 0 2r a p i dp r o t o t y p i n g b o a r d ，用户通过与节点连接在同一e t h e r n e t 中的p c 上的浏览器对节点进行i p 设 一2 大连理t = 大学硕十学位论文 置，实现网络上任何节点对i ps e n s o r 的远程数据访问、信息实时发布与共享以及对i p s e n s o r 的在线编程。 ( 5 ) t m i ( t e l e m o n i t o r i n e ) 提出“让传感器拥有智能”( m a k es e n s o r sm a k es e n s e ) 的口号，并生产出c o g n i s e n s ee d l 5 2 0 智能传感器模块。e l e c t r o n i c sd e v e l o p m e n tc o r p 接着展示了基于e d l 5 2 0 的s t i md e v e l o p m e n tk i t ，如1 4 5 1 2 - k as t i mk i t 、e t h e r n e t s t i m k i t 、1 4 5 1 2 - k b e t h e r n e ts t i m k i t 等，其中t m l 2 一s a 带有一个模拟输入( s e n s o r ) 和一个模拟输出( a c t u a t o r ) 通道。 ( 6 ) 爱尔兰的l i m e r i c k 大学p e it e c h n o l o g i e s 一直致力于i e e e l 4 5 1 网络化智 能传感器的研究。他们提供了一个演示系统，基于a duc 8 1 2 的s t i m 与h p 的n c a p 组 成网络化智能传感器节点，借助以太网络，演示了对温度监测和电扇的远程控制。 ( 7 ) i n t e r n e t 技术的应用可为跨越一个学校、州、国家以至全球的测试问题创造 了一个新的解决方案。在i s a 9 8 上，n i s t 使用了基于j a v a 和i n t e r n e t 技术的网 络化智能传感器，实现了对机器运行温度的远程监控。一个基于i e e e l 4 5 1 2 的s t i m 和 n c a p 应用到了一个高速运行的机器温度监控系统中，并成功的在i n t e r n e t 上发布。 ( 8 ) 韩国采用i e e e l 4 5 1 标准和相关技术对主要城市的基础设施进行监测和监视。 这个项目由韩国的商业、工业部门以及能源部门共同承担。并有文章说用于汽车方面的 基于i e e e l 4 5 1 标准的智能变送器的研究也取得了成功。 1 3 2 国内研究现状 ( 1 ) 国内对于i e e e l 4 5 1 协议的研究还处于起步状态，目前对这个标准进行研究的 单位有中国科学院合肥智能机械研究所、合肥工业大学、上海交通大学、浙江大学、北 京化工大学和吉林大学等院校，一些关于i e e e l 4 5 1 传感器接口标准的综述性文章见于 期刊，但具体的应用研究成果还很少报道。 ( 2 ) 中国科学院合肥智能机械研究所开展了研制i e e e l 4 5 1 机器人手爪智能变送 器。其研究了i e e e l 4 5 1 智能变送器模块的实现以及基于n e t b o x 实现n c a p l 6 i 。但不知 道是否得到实际应用。 1 4 课题的来源和研究内容 本课题是校所合作项目，受到大连理工大学与沈阳自动化研究所合作基金的资助。 课题目的是实现符合i e e e l 4 5 1 标准的智能变送器模块( s t i m ) 及网络模块( n c a p ) 及 对应的i e e e l 4 5 1 协议栈，探索传感器即插即用及跨网络应用方法，为将来的开发和集 成打下基础。 本文研究的主要内容可分为以下六个方面： 基丁i e e e l 4 5 1 标准的s t i m 的研究与实现 t i i 。 ( 1 ) 研究了i e e e l 4 5 1 2 协议中电子数据表格t e d s 数掘格式和变送器独立接口 ( 2 ) 研究了i e e e l 4 5 1 1 协议中对数据进行存储的c o m p o n e n t 类和系统数据类型。 ( 3 ) 研制了基于i e e e l 4 5 1 2 标准的智能变送器接口模块s t i m 。 ( 4 ) 建立了本系统自己的数据类型，开发了基于c + + 的n c a p 协议栈c o m p o n e n t 类库。 ( 5 ) 开发了基于c # 的变送器电子数据表格t e d s 编辑软件。 ( 6 ) 开发了基于c + + 的变送器电子数据表格t e d s 解析软件。 大连理i ：人学硕十学位论文 2 智能变送器i e e e l 4 5 1 标准 制定i e e e l 4 5 1 的主要目标是要定义一整套与网络独立和与制造商独立的变送器接 口，使得移除和更换变送器变得更加容易，消除手动配置系统的步骤，支持通用的变送 器数据、控制、时序、配置和校正模型，开发电子数据表格，使变送器能够独立于网络 与现有基于微处理器的系统、仪器仪表和现场总线网络相连，并最终实现变送器到网络 的互换性与互操作性。 2 1i e e e l 4 5 1 标准概述 i e e e l 4 5 1 将网络变送器分成两个结构模块，第一个模块结构用来运行网络协议和应 用硬件，即网络匹配处理器n 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 ) ；第二 个模块为智能变送器接口模块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 ) ，其中包 括变送器和变送器电子数据表格t e d s 。这种模块化的模型结构，使得在基于各种现场总 线的分布式测量控制系统中，各种变送器的设计、制造无须考虑系统的网络结构1 7 1 。图 2 1 描述了i e e e l 4 5 1 标准协议族的整体框架和各成员问的关系。 n e t w o r k c a p a b l e簿运讲窝 a p p l i c a t i o n nc a n o p e “h 售l t e d s p r o c e s s o r a n y c a p ) 严竺_ o o i 一一i l n e t w o r k l e e e i e e e 1p m o i n t - t o - p o i n j l 睦喜l t e d s 1 4 5 1 1 p 1 4 5 1 0 、里1 1 1 1 兰4 蚤苫卜 一 r 1 p 羞i 叫t x d c r l 、广叫 c o m m o n c o m m o n f u n c t i o n a m 肼u 蝥li d r l 删pb u s h 匿f t 。e d so b j e c t a l i t y m o d e l 芦唑_ “l i l t e d s r v 苣葺la ，d it x d c f t x d c r2t r a n s d u c e r ( s e n s o ro ra c t u a t o r ) 图2 1i e e e l 4 5 1 智能变送器接口标准族 f i g 2 1i e e e1 4 5 1f a m i l yo fs m a r tt r a n s d u c e ri n t e r f a c es t a n d a r d s 基于i e e e l 4 5 1 标准的s t i m 的研究与实现 其中i e e e l 4 5 1 x 标准的刀= 发可以使它们工作在一起，构成网络化智能变送器系 统，但也可以各个i e e e l 4 5 1 x 单独应用；i e e e l 4 5 1 1 标准可以独立于其它1 4 5 1 x 硬 件接口标准而单独使用；而1 4 5 1 x 也可不需1 4 5 1 1 而单独使用，但是，必须要有一 个相似1 4 5 1 1 所具有的软件结构，它能够提供物理参数数据、应用功能函数和通信功 能来把1 4 5 1 x 设备与网络连接，实现1 4 5 1 1 的功能1 8 】。现在i e e e l 4 5 1 协议族由 i e e e l 4 5 1 0 ，i e e e l 4 5 1 1 ，i e e e l 4 5 1 2 ，i e e e l 4 5 1 3 ，i e e e l 4 5 1 4 ，i e e e l 4 5 1 5 ， i e e e l 4 5 1 6 构成，已经发布的标准有4 个，它们是i e e e l 4 5 1 1 ，i e e e l 4 5 1 2 ， i e e e l 4 5 1 3 ，i e e e l 4 5 1 4 。其余的正在制定中，还有可能继续扩展。 i e e e l 4 5 1 0 是一个与物理层独立的网络适配器( n c a p ) 到变送器的模型接口，它不仅 包括基本的命令集还包括通信协议。这是为了实现一种新的i e e e l 4 5 1 类型来定义物理 层，包括物理层电子数据表格( t e d s ) ，加上任意的特殊功能或必要的命令来支持选定的 物理层【。在i e e e l 4 5 1 0 的电子数据表格里新增加了p h y s i c a ll a y e rm e t a t e d s 和 p h y s i c a ll a y e rc h a n n e l t e d s 。应用i e e e l 4 5 1 0 可以增加整个i e e e l 4 5 1 协议族的通 用性和兼容性，降低了重复劳动的数量，标准化了消息，而不是标准化了媒介，在将来 有需要的时候可以轻松的加入其他的物理媒介。 i e e e1 4 5 1 1 定义了网络独立的信息模型，使变送器接口与n c a p 相连，它使用了 面向对象的模型定义提供给智能变送器及其组件。1 4 5 1 1 标准模型由一组对象类组成， 这些对象类具有特定的属性、动作和行为，它们为变送器提供一个清楚、完整的描述。 该模型也为变送器的接口提供了一个与硬件无关的抽象描述。该标准通过采用一个标准 的应用编程接口( a p i ) 来实现从模型到网络协议的映射1 1 0 l 。同时，这个标准以可选的 方式支持所有的接口模型的通信方式，如其它i e e e l 4 5 1 标准提供的s t i m 、t b i m ( t r a n s d u c e rb u si n t e r f a c em o d u l e ) 和混合模式变送器接口模型等。i e e e l 4 5 1 1 标 准支持的现场设备和应用提供了很多优点，如丰富的通信模型、支持客户机服务器模 型和发布订阅模型、强有力的模型简化了分布式测控系统软件的开发和系统的复杂度、 模块化的结构可以容易的定制任意大小的系统、现场总线无关、总线和现场设备对应用 来说是透明的，等等。i e e e1 4 5 1 1 标准是围绕着面向对象系统技术建立的，这些系统 中的核心是类的概念。一个类描述功能模块所共有的特征，这些功能模块被称为实例或 对象。基本类的概念被附加的规范所扩展以用于i e e e1 4 5 1 1 。这些规范包括发布集合 ( 类所产生的事件) ，订阅集合( 类所响应的事件) ，状态机( 一个大规模的状态转换 规则标准集) 以及一组数据类型的定义( 提供互用性所必需的一部分特性) 。 i e e ep 1 4 5 1 3 标准提议以一种“小总线”( m i n i b u s ) 方式实现变送器总线接口 模型( t b i m ) ，这种小总线因足够小且便宜可以轻易的嵌入到变送器中，从而允许通过 一6 大辽理r 大学硕十学衍论文 一个简单的控制逻辑接口进行最大量的数据转换。i e e ep 1 4 5 1 3 允许变送器的制造商 以很高的性能价格比且系统内部可操作的特点生产变送器【“i 。这个标准既允许以相对较 低的采样速率和合适的时序要求来设计和生产简单的设备，同时，在另一方面，也可兼 容高达几兆带宽和小到纳秒的时序要求的设备。也就是说，这两种不同频谱的设备能够 和平的共处于同一条总线上。一条单一的传输线既被用作支持变送器的电源，又用来提 供总线控制器与变送器总线接口模型t b i m 的通信。这条总线可具有一个总线控制器和 多个t b i m 。网络适配器( n c a p ) 包含了总线的控制器和支持很多不同终端、n c a p 和变 送器总线的网络接口。如果变送器总线存在于网络的内部，总线控制器只能在n c a p 中： 否则，它应该设在主机或其它的设备中。一个变送器总线接口模型t b i m 可以有一到多 个不同的变送器。所有t b i m 都包含有五个通信函数。这些通信函数将在一个物理传输 媒介上最少利用其中两个通信通道。通信通道将与启动变送器的电源共享这个物理媒 介。对高功耗的变送器来说，通过通信电缆共享也许是不够的，这时可提供外电源束驱 动变送器。最简单的系统只含有总线管理通信通道，它被用作所有的通信通道。总线通 信通道置于一个固定的频率，或至少是一个小频率，保证每一个总线控制器都能使用。 对简系统来说，t b i m 通信函数、同步函数、触发函数和数据传输函数都共享同样的通 信通道。 i e e ep 1 4 5 1 4 提议定义一个允许模拟量变送器( 如压电传感器、变形测量仪) 以 数字信息模式( 或混合模式) 通讯的标准，目的是变送器能进行自识别和自设置。此标 准同时建议数字t e d s 数据的通讯将与使用最少量的线一远远少于i e e e l 4 5 1 2 标准 所需的1 0 根线的变送器的模拟信号共享。一个i e e e1 4 5 1 4 的变送器包括一个变送器 电子数据表格t e d s 和一个混合模式的接口姗i 。作为i e e e l 4 5 1 标准成员之一，i e e e p 1 4 5 1 4 定义了一个混合模式变送器接口标准，如为控制和自我描述的目的，模拟量变 送器将具有数字输出能力【1 2 1 。它将建立一个标准允许模拟输出的混合模式的变送器与 i e e e l 4 5 1 兼容的对象进行数字通信。每一个i e e ep 1 4 5 1 4 兼容的混合模式变送器将至 少由一个变送器、变送器电子数据表格t e d s 和控制和传输数据进入不同的已存在的模 拟接口的接口逻辑。变送器的t e d s 很小但定义了足够的信息，可允许一个高级的1 4 5 1 对象来进行补充。 i e e ep 1 4 5 1 5 将对物理层的传送方式等问题做出规定。截止目前，一直在探讨 i e e e 8 0 2 1 5 i ( 蓝牙) 、i e e e 8 0 2 1 5 4 ( z i gb e e ) ，介于无线标记技术和蓝牙之间的 技术提案以及i e e e 8 0 2 1 i b 等的使用问题【1 3 1 。今后将着手制定耗电量、传送距离及接 收发送部件的成本等方面的标准。 基丁i e e e l 4 5 1 标准的s t i m 的研究与实现 i e e e p l 4 5 1 6 是一个为在每一个层次上有多个控制器的变送器和闭环控制器提供本 质安全的操作级联网络环境的标准。网络的传输层是一个串行c a n 总线，在各种微控制 家族和几个公司制造的单机c a n 控制芯片中作为一个串行接口被实现的。应用层可以在 没有许可和版税的情况下实现。i e e e p l 4 5 1 6 标准在没有本质安全定义的情况下已经在 许多传感器和闭环控制器罩被实现已经有十多年了，因此，这种方法可以被认为是经过 了测试和检验的1 1 4 1 。i e e e p l 4 5 1 6 标准进一步的定义了一个作为本质安全的开放物理层。 2 2i e e e l 4 5 1 2 标准 2 2 1i e e e l 4 5 1 2 标准功能概述 i e e e l 4 5 1 2 标准规定了一个连接变送器到微处理器的数字接口，描述了变送器电 子数据表格t 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 ) 及其数据格式，提供了一个连 接s t i m 和n c a p 的1 0 线的标准接口t i i ，使制造商可以把一个变送器应用到多种网络 中，使变送器具有“即插即用( p l u g a n d p l a y ) ”兼容性【1 5 j 。这个标准没有指定信号调 理、信号转换或t e d s 的如何应用，由各变送器制造商自主实现，以保持各自在性能、 质量、特性与价格等方面的竞争力。 i e e e l 4 5 1 2 智能变送器接口的关键特征是变送器与网络的数字通信协议、变送器 的自辨识能力。这意味着传感器把它自己向网络进行描述，从而简化了自动系统的组态。 将i e e e l 4 5 1 融合于变送器硬件，只要进行简单的“即插即用”升级，就可简单地维护 变送器和设备。 i e e e l 4 5 1 2 标准将变送器分为两个功能模块：第一个模块包括运行网络协议和应 用软件的n c a p ，第二个模块包括变送器和t e d s ，称为s t i m ，其模型如图2 2 所示， 其中s t i m 是本文主要研究内容。i e e e l 4 5 1 2 智能变送器接口的关键特征是变送器与网 络的数字通信协议、变送器的自辨识。这意味着变送器把它自己向网络进行描述，从而 简化了自动系统的组态。 ( 1 ) n c a p 主要执行网络通信、s t i m 通信、数据转换等功能。i e e e l 4 5 1 1 标准定义 了它的实体模型。n c a p 是作为标准变送器总线与专用网络总线之日j 的接口，变送器制 造商可以设计出带有标准接口的变送器。这一部分与微处理器集成到一起，在网络化变 送器中起控制的作用。n c a p 还支持热交换( h o t - s w a p ) 功能。 ( 2 ) s t i m 网络化的智能变送器节点。一个s t i m 能够支持单个或多个通道，它既 可与传感器也可与执行器相连接，每一个s t i m 最多可与2 5 5 个变送器通道相连接。从 n c a p 的角度来看，s t i m 像是一个内存设备。通常认为变送器是s t i m 的一部分，实际 上，为了提供关键的自辨识特征，在正常使用时变送器是不能与s t i m 分开的。 大连理t 大学硕七学位论文 图2 2i e e e l 4 5 1 2 变送器接口标准的功能框架 f i g 2 2i e e e l 4 5 1 2a r c h i t e c t u r eo f 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 2 2 2 变送器电子数据表格t e d s 变送器电子数据表格( t e d s ) 是s t i m 内部的一个写有特定格式的电子数据存储区， 用以描述s t i m 自身以及与之相连接的变送器。变送器通道之所以是智能的，是因为它 用t e d s 描述自己，并且t e d s 是可由n c a p 读出来的。t e d s 存储区被分成8 个域，每 个域描述s t i m 的不同方面。t e d s 是与变送器相关的，一旦变送器改变了，t e d s 就要 改变。集成一个好的系统的一个关键因素是系统元素要有“自觉”的功能，特别是它们 能够知道它们是什么，以及它们在哪儿。这种能力使得技术人员在为远距离设备配线时 省事不少，t e d s 恰好提供了这种功能【1 6 】。它存储了诸如产品名称、辨识数字、设备类 型、序列号、校验数据等信息，系统一旦上电或接受了请求，t e d s 就上载到系统。 在i e e e l 4 5 1 2 标准中共规定了8 种不同的数据表单，其中两种是必备，其他可选 择使用，两个必需的和两个选择性的结构用二进制数据格式定义，它只能由机器读取； 其它t e d s 结构可以由人读取，它存成字符串形式，该字符串由多种不同的字符组之一 组成。标准列举了用2 1 种国际字符组的1 8 种不同语言，并考虑到随后确定而增加新的。 t e d s 包括变换器本身的信息、数据模型、用户单位、校正因子及其它项目。它也考虑了 特殊工业对t e d s 的扩展要求。而扩展它需要规定标准的方法，以便用来表达从加热等 待时间到不确定性( 误差) 等等传感器之特征。下面对t e d s 各个组成部分作简单介绍： 基t - i e e e l 4 5 1 标准的s t i m 的研究与实现 表2 1m e t a - t e d s 数据块的数据结构 t a b 2 1d a ms t r u c t u r eo fm e t a - 1 1 e d sd a t ab l o c k 1 0 大连理工人学硕十学 寺论文 ( 1 ) m e t a t e d s 数据块必备，机器内部自动读取，描述t e d s 的数据结构，s t i m 的极限时间参数和通道组信息等有关s t i m 的总体信息。应用于通道零的功能地址1 6 0 应该访问此数据。m e t a t e d s 的功能应该使接口能够得到访问任何一个通道所需的所有 信息，以及所有通道共同的信息。m e t a - t e d s 是不变的，只读的。m e t a t e d s 的数据结 构见表2 1 。 表2 2 通_ j 唯一标识数据类型的结构 ! ! ! ：! ：! 堕! i ，旦! ! ! ! ! i 9 些! ! ! ! ! ! i ! ! ! i ! ! ! 型! ! ! 堡! 鲤! ! ! 堡 数据区号 描述位长度 基于i e e e l 4 5 1 标准的s t i m 的研究与实现 表2 3 通道t e d s 数据块的数据结构 t a b 2 3d a t as t r u c t u r eo fc h a n n e l1 e d sd a t ab l o c k 人连理f 人学硕士学位论文 m e t a - t e d s 子域u u i d 数据区允许为分布式系统提供更好的管理s t i m 组件的能力( 即 为操作和维护目的而对s t i m 进行追踪的能力) 。必须保证全球所有s t i m 的u u i d 都是 唯一的。不通过一个管理机构而计算出一个唯一u u i d 的算法，依靠时问以及地理位置 等参数来产生。因此，作为一个智能变送器的厂商应该按照i e e e 的定义算法来实现 u u i d 。u u i d 全局唯一标志的数据类型结构见表2 2 。 可以看出，每一段域的定义都给出了明确的界定范围，如时间年域的范围是公元 0 - - 4 0 9 5 年，起始年份视为从1 月i 号0 0 ：0 0 ：0 0 ，u t c 。用十进制表示。对于不同s t i m 制造商和时间的结合，u u i d 都各不相同，保证s t i m 不会有重复的版本出现。 ( 2 ) 通道t e d s 数据块一必备，机器自动读取，主要是用来对每个通道的函数模型、 校准模型、物理单位、启动时间、自检结果、不确定性、对象使用上下极限、使用时限 等参数进行定义，每个通道的这些数据以重复的格式存储在数据块中。其数据结构见表 2 3 。 通道类型键c h a n n e lt y p ek e y ： i e e e l 4 5 1 2 标准中规定了7 种变送器类型：s e n s o r ，a c t u a t o r ，b u f f e r e ds e n s o r ， d a t a b u f f e r e ds e n s o r ，b u f f e r e dd a t as e q u e n c es e n s o r ，e v e n ts e q u e n c es e n s o r 和g e n e r a lt r a n s d u c e r 前6 种是对目前变送器进行系统概括的归类，而 g e n e r a l t r a n s d u c e r 是为以后变送器的扩展所保留的。这种分类已经充分考虑到了传感 器的基本属性和扩展，是协议的难点和创新之处。通道类型关键字分别用0 到6 的数来 表示这7 种变送器通道类型。