（检测技术与自动化装置专业论文）现场总线传感器系统互操作性研究.pdf

学位论文数据集 中图分类号 t p 2 12 6 ：t p 2 7 3 学科分类号 5 10 8 0 4 0 论文编号 l0 0 1 0 2 0 0 7 0 4 8 4 密级公开 学位授予单位代码 10 0 l o 学位授予单位名称北京化工大学 作者姓名祁化龙学号 20 0 4 0 0 0 4 8 4 检测技术与自动化装 获学位专业名称获学位专业代码 0 8 1 1 0 2 置 课题来源其他项目研究方向现场总线 论文题目 现场总线传感器系统瓦操作性研究 关键词现场总线，百- 操作性，| j c ) 4 络化传感器，设备描述，x m l 论文答辩日期2 0 0 7 年6 月11 日论文类型应用研究 学位论文评阅及答辩委员会情况 姓名 职称 工作单位学科专长 刘淑敏副教授楼字自动化 指导教师北京化工大学 何泉博士图像与数字水印 评阅人1王建林教授北京化工大学测控技术，虚拟仪器 评阅人2张朝晖教授北京科技大学测控技术 评阅人3 评阅人4 评阅人5 答辩委员会主席王学伟教授北京化工大学数字信号处理 答辩委员1王建林教授北京化工大学测控技术，虚拟仪器 答辩委员2 周富强 副教授北京航空航天大学图像与光学测控 答辩委员3 答辩委员4 答辩委员5 注：一论文类型：1 基础研究2 应用研究3 开发研究4 其它 二申图分类号在中国图书资料分类法查询。 三学科分类号在中华人民共和国国家标准( g b t13 7 4 5 - 9 ) ( ( 学科分类与代码中 查询。 四论文编号由单位代码和年份及学号的后四位组成。 fj 现场总线传感器系统互操作性研究 摘要 本文针对现场总线传感器系统互操作性及其应用进行研究，提出了对 现场总线传感器级设备进行设备描述的方法，目的是实现现场总线传感器 级设备互操作。其具体实现结合c a n 现场总线的应用来进行。 首先对现场总线互操作性进行分析，引入x m l 技术和网络化传感器 技术用于现场总线互操作性领域，提出了基于x m l 实现通用传感器设备 描述解决方案。主要分为：基于x m l 的设备描述；基于x m l 的设备描 述文件的解析；实现总线网络内设备管理：实现总线网络内设备的组态和 应用功能。 在分析网络化传感器的结构基础之上，设计了一种网络化传感器的实 一。 际应用模型，通过对s t i m 和n c a p 模块的设计，初步实现了通过t i i 标 准接r 将仪表传感变送部分与网络传输部分分开的功能，在一定程度上解 决了传感器到网络之间的互换性和互通性。并对转速测量传感器系统进行 设计，采用测量周期法来测量转速，并将测量信号通过t i i 接口传输至 c a n 总线网络上，通过p c 主节点将数据转化为标准x m l 文件。根据解 决方案实现设备注册与管理应用功能。 为了验证系统设计方案构建了实验，实验测试结果表明网络化传感器 与x m l 这两大优势技术可以共同应用于现场总线实际系统中，并可有效 推动现场总线互操作性的发展，对其最终解决具有重要的指导意义和应用 价值。 摘篮 关键词：现场总线，互操作性，网络化传感器，设备描述，x m l a b s t r a c t i n t e r o p e r a b i l i t yr e s e a r c ho ff i e l d b u s s e n s o rs y s t e m a b s t r a c t t h i sp a p e rm a k e sr e s e a r c ho nf i e l d b u ss e n s o rs y s t e mi n t e r o p e r a b i l i t ya n d i t s a p p l i c a t i o n ，w h i c hg i v i n g t h es o l u t i o nt og e td e v i c ed e s c r i p t i o no ft h e f i e l d b u ss e n s o rf a c i l i t i e s t h ep u r p o s ei st or e a l i z ef i e l d b u si n t e r o p e r a b i l i t ya t s e n s o rl e v e l i t sp r a c t i c a l i m p l e m e n t a t i o ni s c o n d u c t e db yt h ea p p l i c a t i o no f c a n a tf i r s t ，f i e l d b u si n t e r o p e r a b i l i t yi sa n a l y s e da n dx m lt e c h n o l o g ya n d n e t w o r k e ds e n s o ri si n t r o d u c e dt oi n t e r o p e r a b i l i t ya p p l i c a t i o n as o l u t i o no f r e a li z i n gg e n e r a ls e n s o rd e v i c ed e s c r i p t i o nb a s e do nx m li sa l s op r o p o s e d t h em a i ns t e p sa r ea sf o l l o w s ：t h eh a r td e v i c ed e s c r i p t i o nb a s e do nx m l ， t h e p a r s i n g o fd e v i c e d e s c r i p t i o nf i l e ，t h e d e v i c e m a n a g e m e n t ，t h e i m p l e m e n t a t i o no fc o n f i g u r a t i o na n da p p l i c a t i o nf u n c t i o n a p r a c t i c a la p p l i c a t i o nm o d e li sd e s i g n e db a s e do n t h es t r u c t u r ea n a l y s i s o fn e t w o r k e ds e n s o r t h ef u n c t i o no fs e p a r a t ei n s t r u m e n ti n t ot r a n s d u c i n gp a r t a n dn e t w o r kp a r tb yt i ii n t e r f a c ei sb a s i c a l l yr e a l i z e d ，w h i c hu s i n gt h ed e s i g n o fs t i mm o d u l ea n dn c a pm o d u l e t h e i n t e r c h a n g e a n d i n t e r - c o m m u n i c a t i o nf u n c t i o nb e t w e e ns e n s o ra n dn e t w o r ki ss o l v e dt o a a b s t r a c t c e r t a i ne x t e n t t h em e a s u r e m e n to fr o t a t i o ns p e e du s i n g c y c l em e t h o di s d e s i g n e dt or e a l i z et h er o t a t i o ns p e e ds e n s o rs y s t e m t h es i g n a lo fs e n s o ri s s e n tt oc a nb yt i i i n t e r f a c ea n dt h ed a t ao fs i g n a li s c h a n g e dt os t a n d a r d x m lf i l e b yp cm a i nn o d e t h ec o n f i g u r a t i o na n da p p l i c a t i o nf u n c t i o n i s i m p l e m e n t e db a s e do nt h es o l u t i o n e x p e r i m e n t sa r ec o n d u c t e dt ov e r i f yt h es y s t e md e s i g n t h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t sp r o v et h a ta d v a n c e dt e c h n o l o g i e so fn e t w o r k e ds e n s o ra n dx m lc o u l d b e a p p l i e d i nf i e l d b u s a p p l i c a t i o ns y s t e m ，w h i c hc o u l dp r o m o t et h e i n t e r o p e r a b i l i t ye f f e c t i v e l y t h es o l u t i o ni ss i g n i f i c a n ta n dv a l u a b l et os o l v e t h ei n t e r o p e r a b i l i t yp r o b l e m k e yw o r d s ： f i e l d b u s ，i n t e r o p e r a b i l i t y ，n e t w o r k e ds e n s o r ，d d ( d e v i c ed e s c r i p t i o n ) ，x m l ( e x t e n s i b l em a k e u pl a n g u a g e ) i v t；一 h 录 目录 第一章概述1 1 1 现场总线互操作性技术分析1 1 1 1 现场总线及其互操作性研究背景l i 1 2 现场总线互操作性研究范畴2 1 1 3 现场总线互操作性研究现状概述2 1 1 。4 现场总线互操作性研究的意义4 1 2 系统应用背景概述4 1 2 1 智能传感器网络化的意义4 1 2 2 国内外网络化传感器的发展概况5 1 2 3 日前面临的问题与发展趋势6 1 3 本课题研究的主要内容与意义6 第二章现场总线互操作性及解决方案7 2 1 现场总线互操作性技术分析7 2 1 1 - 与：操作性定义7 2 1 2 互操作性分类9 2 1 3 瓦操作性三种度量于段1 0 2 1 - 4 操作性实现步骤1 l 2 1 5 一i 可互操作产生的原因1l 2 2x m l 技7 r 13 2 2 1 引入x m l 技术的必要性1 3 2 2 2x m l 技术概述l5 2 2 2 1x m l 定义及标准l5 2 2 2 2x m l 技术相关说明l5 2 2 2 3x m l 设计目标l7 2 2 2 4x m l 的广泛应用l8 2 3 网络化传感器接口标准i e e e l 4 5 1 1 8 2 3 1i e e e l 4 5 1 标准概述及现状18 2 3 2i e e e l 4 5 1 标准发展趋势19 v h 录 2 4 现场总线互操作性解决方案1 9 2 4 1 基于可互操作性的智能传感器建模2 0 2 4 1 1 传感器接【j 标准化面临的问题2 0 2 4 1 2 智能传感器功能模型2 0 2 4 2 基于x m l 实现通用传感器设备描述解决方案2 l 2 4 2 1 基于x m l 的现场总线设备的描述2 l 2 4 2 2 设备描述文件的解析2 2 2 4 2 3 设备描述文件的应用2 3 2 5 小结与展望2 3 第三章现场总线传感器应用系统设计2 4 3 1 系统设计要求及目标2 4 3 2 系统总体设计方案2 4 3 3 应用系统硬件设计2 5 3 3 1 转速传感器设计2 6 3 3 1 1 转速测量原理2 6 3 3 1 2 转速测量系统设计2 8 3 3 2s t i m 模块设计2 9 3 3 2 1t ii 接口2 9 3 3 2 2s p i 通讯协议31 3 3 3n c a p 模块设计3 3 3 3 3 1c a n 控制器s j a l 0 0 0 3 4 3 3 3 2c a n 总线驱动器8 2 c 2 5 0 3 5 3 4 应用系统软件设计3 6 3 4 1 转速信号周期测量子程序3 7 3 4 2s p i 双机通讯子程序3 7 3 4 3c a n 控制器初始化及报文收发了科序3 9 3 。5 j 、结4 0 第四章基于x m l 的现场总线系统及互操作性研究4 l 4 1 基于x m l 的h a r t 设备互操作性解决4 l 4 1 1 实现方案步骤4 1 4 1 2 基于x m i 。的h a r t 设备描述4 l i 毒 目录 4 1 3 实现h a r t 设备x m l 描述文件的解析4 5 4 1 3 1x m l 语法分析及显示4 5 4 1 3 2x m l 设备描述文件的解析4 5 4 1 4 设备注册及设备管理5 0 4 1 5 设备组念及应用功能5 3 4 2 基于x m l 的c a n 设备互操作性探讨5 4 4 2 1c a n 总线互操作性5 4 4 2 2 基于x m i 。的c a n 设备互操作性解决5 4 4 2 2 1 实现方案概述5 4 4 2 2 2 基于x m l 的c a n 设备描述一5 5 4 2 2 3 基于x m l 的c a n 设备描述义件解析5 6 4 2 2 4 实现网络内c a n 设备注册和设备管理5 6 4 3 现场总线网络设备测量、控制与管理一体化5 8 4 4 小结与展望5 9 第五章系统实验测试6 0 5 1 系统实验测试说明6 0 5 2 传感器系统实验测试6 0 5 2 1 测试实验系统6 0 5 2 2 通讯数据帧格式6 0 5 2 3c a n 通讯的实现6 l 5 2 4 测试实验数据6 3 5 3 设备描述文件测试实现6 3 5 3 1h a r t 设备描述文件解析实现6 3 5 3 2c a n 设备捕述文件解析实现6 5 5 3 3 测量参数加载与显示6 5 5 3 4 设备注册与设备管理实现6 6 第六章结论与展望6 7 参考文献6 9 致谢7 2 研究成果及发表的学术论文7 3 v l i h 录 作者简介7 4 v 1 1 i - 一 c o n t e n t s c h a p t e r1 i n t r o d u c t i o n i i ii n t r o d u c t i o no ff i e l d b u si n t e r o p e r a b i l i t y 1 1 1 1 b a c k g r o u n do f f i e l d b u sa n di n t e r o p e r a b i l i t y 1 1 1 2c a t e g r o yo f f i e l d b u si n t e r o p e r a b i l i t y 2 1 1 3s t a t u so ff i e l d b u si n t e r o p e r a b i l i t yr e s e a r c h 2 1 1 4 s i g n i f i c a t i o no f f i e l d b u si n t e r o p e r a b i l i t yr e s e a r c h 4 1 2 b a c k g r o u n do f a p p l i c a t i o ns y s t e m 4 1 2 1 s i g n i f i c a t i o no fn e t w o r k e ds m a r ts e n s o r 4 1 2 2s t a t u so fn e t w o r k e ds e n s o rd e v e l o p m e n t 5 1 2 3p r o b l e m sa n dd i r e c t i o n 6 1 3m a i nc o n t e n t so f t h ep a p e r 6 c h a p t e r 2f i e l d b u si n t e r o p e r a b i l i t ya n ds o l u t i o n 7 2 1a n a l y s i so ff i e i d b u si n t e r o p e r a b i l i t y 7 2 1 1d e f i n i t i o no fi n t e r o p e r a b i l i t y 7 2 1 2c l a s s e so fi n t e r o p e r a b i l i t y 9 2 1 3m e a s u r e m e n to fi n t e r o p e r a b i l i t y 10 2 1 4r e a l i z a t i o na p p r o a c ho fi n t e r o p e r a b i l i t y 11 2 1 5r e a s o no fn o n i n t e r o p e r a b i l i t y 11 2 2x m l t e c h n o l o g y 13 2 2 1n e c e s s i t yo fi n t r o d u c i n gx m l 13 2 2 2i n t r o d u c t i o no fx m l 15 2 2 2 1x m ld e f i n i t i o na n ds t a n d a r d 15 2 2 2 2x m ls t a t e m e n t 15 2 2 2 3x m l o b j e c t s 17 2 2 2 4x m l a p p l i c a t i o n 18 2 3n e t w o r k e ds e n s o ri n t e r f a c es t a n d a r di e e el4 5l i8 2 3 1i e e e l 4 5 1s u m m a r i z e 1 8 2 3 2i e e e l 4 5 1d e v e l o p m e n t 1 9 c o n t e n t s 2 4s o l u t i o no ff i e l d b u si n t e r o p e r a b i l i t y 19 2 4 1m o d e lo fn e t w o r k e ds e n s o rb a s e do ni n t e r o p e r a b i l i t y 2 0 2 4 。1 1p r o b l e m so fn e t w o r k e ds e n s o rs t a n d a r d i z a t i o n 2 0 2 4 1 2f u n c t i o nm o d e lo fs m a r ts e n s o r 2 0 2 4 2i m p l e m e n to f g e n e r a ls e n s o rd e v i c ed e s c r i p t i o ns o l u t i o nb a s e do nx m l 2 1 2 4 2 1f i e l d b u sd e v i c ed e s c r i p t i o nb a s e do nx m l 2 i 2 4 2 2p a r s i n go fd e v i c ed e s c r i p t i o nf i l e s 2 2 2 4 2 3 a p p l i c a t i o no f d e v i c ed e s c r i p t i o n 2 3 2 5b r i e f s u m m a r ya n de x p e c t a t i o n 2 3 一 c h a p t e r 3f i e l d b u ss e n s o ra p p l i c a t i o ns y s t e md e s i g n 2 4 3 1 r e q u e s ta n do b j e c t s 2 4 3 2t h ew h o l ed e s i g nb l u ep r i n t 2 4 3 3h a r d w a r ed e s i g no fa p p l i c a t i o ns y s t e m 2 5 3 3 1r o t a t es p e e ds e n s o rd e s i g n 2 6 3 3 1 ir o t a t es p e e dm e a s u r e m e n tt h e o r y 2 6 3 3 1 2r o t a t es p e e dm e a s u r e m e n ts y s t e md e s i g n 2 8 3 3 2s t i mm o d e ld e s i g n 2 9 3 3 2 1t i ii n t e r f a c e 2 9 3 3 2 2s p ic o m m u n i c a t i o np r o t o c o l 3 1 3 3 3n c a pm o d e ld e s i g n 3 3 3 。3 3 1c a nc o n t r o l l e rs j a l 0 0 0 3 4 3 3 3 2c a nd r i v e r8 2 c 2 5 0 3 5 3 4s o f t w a r ed e s i g no f a p p l i c a t i o ns y s t e m 3 6 3 4 1c i r c l em e a s u r es u b p r o g r a mo fr o t a t es p e e ds i g n a l 3 7 3 4 2s p ic o m m u n i c a t i o ns u b p r o g r a m 3 7 3 4 3i n i t i a la n dm e s s a g er e c e i v i n ga n ds e n d i n gs u b p r o g r a mo fc a n c o n t r o l l e r 3 9 3 5 s u m m a r y 4 0 c h a p t e r 4r e s e a r c ho ff i e l d b u ss y e t ma n di n t e r o p e r a b i l i t yb a s e do nx m l 4 1 4 1s o l u t i o no fh a r td e v i c ei n t e r o p e r a b i l i t yb a s e do nx m l 4 1 4 1 1s t e p so f s o l u t i o n 4 l x c o l l t e t i t s 4 1 2h a r td e v i c ed e s c r i p t i o nb a s e do nx m l 4 l 4 1 3p a r s i n go fh a r td e v i c ex m l d e s c r i p t i o nf i l e s 4 5 4 1 3 1x m l p a r s i n ga n dd i s p l a y 4 5 4 1 3 2p a r s i n go f h a i u 、d e v i c ed e s c r i p t i o nf i l e s 4 5 4 1 4d e v i c er e g i s t r a t i o na n da d m i n i s t r a t i o n 5 ( ) 4 1 5d e v i c ec o n f i g u r a t i o na n da p p l i c a t i o nf u n c t i o n 5 3 4 2d i s c u s s i o no f c a nd e v i c ei n t e r o p e r a b i l i t yb a s e do nx m l 5 4 4 2 1 i n t e r o p e r a b i l i t yo f c a n 5 4 4 2 2c a nd e v i c ei n t e r o p e r a b i l i t ys o l u t i o nb a s e do nx m l 5 4 4 2 2 1s u m m a r yo fs o l u t i o n ! ；z i 4 2 2 2c a nd e v i c ed e s c r i p t i o nb a s e do nx m l 5 5 4 2 2 3 p a r s i n go f c a n d e v i c ed e s c r i p l ：i o nf i l e sb a s e do nx m l 5 6 4 2 2 4c a nd e v i c er e g i s t r a t i o na n 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o n ，设备捕述 d d l ：d e v i c ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e ，设备描述语言 d o m ：d o c u m e n to b j e c tm o d u l e ，文档对象模魁 d t d ：d o c u m e n tt y p ed e f i n i t i o n ，文档类型定义 f f ：f o u n d a t i o nf i e l d b u s ，基金会现场总线 h a r t ：h i g h w a y a d d r e s s a b l er e m o t et r a n s d u c e r ，高速可寻址远程传感器 h m i m m i ：h u m a n m a nm a c h i n ei n t e r f a c e ，人机接口 1 e e e ：t h ei n s t i t u t eo f e l e c t r i c a la n de l e c t r o n i c se n g i n e e r s ，电气电了工程师协会 i s o ：i n t e r n a t i o n a ls t a n d a r