（水声工程专业论文）矢量水听器智能化技术研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 a bs t r a c t v e c t o rh y d r o p h o n ei san e wc o n c e p th y d r o p h o n ea n di sc h a r a c t e r i z e db y s m a l ls i z e ，h i g h s e n s i t i v i t ya n dg o o dl o wf r e q u e n c yd i r e c t i v i t y , e t c i t i s e x t e n s i v e l ya p p l i e di np r a c t i c a lh y d r o a c o u s t i ce n g i n e e r i n g t h e a p p e a r a n c eo ft h e s e r i e so fs t a n d a r d si e e e14 51f o r i n t e l l i g e n t t r a n s d u c e r ss o l v e st h e p r o b l e mo fs t a n d a r d i z a t i o no fi n t e l l i g e n t t r a n s d u c e r i n t e r f a c e ，p r o v i d e sn e ww a y sf o rt h ei n t e l l i g e n t t r a n s d u c e r st o c o m p l e t e s e l f - i d e n t i f i c a t i o n , s e l f - d e s c r i p t i o na n dc o n n e c t w i t hn e t w o r k s t h e r e f o r e ，t h e c o m b i n a t i o no fv e c t o r h y d r o p h o n et e c h n o l o g y a n d i n t e l l i g e n t t r a n s d u c e r t e c h n o l o g yw i l lf a c i l i t a t et h ea p p l i c a t i o no fv e c t o rh y d r o p h o n e t h ep a p e rc o n d u c t sa n i n - d e p t hs t u d yo ft h ei e e e l 4 5 1s t a n d a r d sf o r i n t e l l i g e n tt r a n s d u c e ri n t e r f a c ea n da n a l y z e st h ep r i n c i p l e so fm i x e dm o d e s i n t e r f a c ea n dt e d se l e c t r o n i cb i l l ；i ta l s os t u d i e st h ec l a s s i f i c a t i o na n df e a t u r e so f v e c t o rh y d r o p h o n e ，o u t l i n e st h ee q u i v a l e n te l e c t r i cc i r c u i to fc o - v i b r a t i n gv e c t o r h y d r o p h o n et h a ta d o p t sp i e z o e l e c t r i cs e n s i n ge l e m e n ta n dd e s i g n st h ei n t e l l i g e n t i n t e r f a c ec i r c u i tf o rv e c t o rh y d r o p h o n e 、析t 1 1c o r r e s p o n d i n gf u n c t i o n st h a tm e e t s t h es t a n d a r d s t h e p a p e ra l s oc o n d u c t sa ni n - d e p t hs t u d yo fc a n b u sb u s p r o t o c o l ，d e s i g n sa n dd e v e l o p sc a n b u sc o m m u n i c a t i o nm o d u l e t h ei n t e l l i g e n ti n t e r f a c eh a r d w a r ep l a t f o r mf o rv e c t o rh y d r o p h o n e ，w h i c h m e e t st h es t a n d a r d so ft h ep r o t o c o l ，c o n s i s t so fe m b e d d e dp r o c e s s o r so fl o w p o w e rc o n s u m p t i o n , h i 曲一s p e e da n dp a r a l l e ld a t ac o l l e c t o r s ，c a n b u sa d a p t e r s a n dt r a n s c e i v e r s i tc a np e r f o r mh i 曲一s p e e da n dp a r a l l e ld a t ac o l l e c t i o na n d t r a n s m i tt h ed a t av i ac a nb u sn e t w o r k c o n t r o lp r o g r a ms u i t a b l ef o ri n t e r f a c e a p p l i c a t i o nh a sb e e nd e v e l o p e d k e yw o r d s ：v e c t o rh y d r o p h o n e ；t e d s ；c a nb u s 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献等的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。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 体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：夜林 日期： 矽多年尹月多e l 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 水声学和换能器技术的发展 水声工程是以水声理论为基础的水媒质环境中的应用声学工程，是船舶 与海洋学科的一个重要分支，主要是为满足海军水下作战和海洋开发的需求 而发展起来的一门新兴工程技术。它主要利用声波进行水下探测、定位、导 航、识别、通信。因此，水声工程集物理学、电子技术、信息工程、计算机 技术、传感器技术等多学科为一体。 水声工程主要研究的是声波在水下的产生、传播和接收过程，用以解决 与水下目标探测和信息传输过程有关的声学问题。因为声波是迄今为止人类 所掌握的唯一能在浩瀚大海中远距离传递信息和能量的载体，它作为一种机 械波，可以在海水中进行远程能量传递，而其他类型的能量场在水中衰减很 快，如以无线电波和光波为代表的电磁场。水声学随着海洋的开发和利用发 展起来，并得到了广泛的应用。1 8 2 7 年左右，瑞士和法国的科学家首次相当 精确地测量了水中声速。1 9 1 2 年“泰坦尼克 号客轮同冰山相撞而沉没，促 使一些科学家研究对冰山回声定位，这标志了水声学的诞生。美国的费森登 设计制造了电动式水声换能器，1 9 1 4 年就能探测到两海里远的冰山。1 9 1 8 年，朗之万制成压电式换能器，产生了超声波，并应用了当时刚出现的真空 管放大技术，进行水中远程目标的探测，第一次收到了潜艇的回波，开创了 近代水声学，也由此发明了声纳。随后，水声换能器的革新，关于温度梯度 影响声传播路径的机理、声吸收系数随频率变化等水声学研究的成就，使声 纳得以不断改进，并在第二次世界大战期间反德国潜艇的大西洋战役中起了 重要作用。第二次世界大战以后，为提高探测远距离目标( 如潜艇) 的能力， 水声学研究的重点转向低频、大功率、深海和信号处理等方面。同时，水声 学应用的领域也越加广泛，出现了许多新装置，例如：水声制导鱼雷，音响 水雷主、被动扫描声纳，水声通信仪，声浮标，声航速仪，回声探测仪，鱼 群探测仪，声导航信标，地貌仪，深、浅海底地层剖面仪，水声释放器以及 水声遥测、控制器等。现代水声学的研究课题涉及面很广，主要有：新型水 哈尔滨工程大学硕士学位论文 声换能器；水中非线性声学；水声场的时空结构；水声信号处理技术；海洋 中的噪声和混响：散射和起伏，目标反射和舰船辐射噪声；海洋媒质的声学 特性等。特别是水声学正在与海洋、地质、水生物等学科互相渗透，而形成 海洋声学等研究领域。到目前为止，还没有出现能够威胁到声场优势地位的 技术，声场仍然是海洋深层信息收集、传递和处理的最重要形式。 面对广阔的海洋，声纳肩负着重要的使命：触及浩瀚大海的各个角落、 识别其中形色各异的事物、告诉人们海底世界的真面目、协助人们探究海洋 的奥秘，并成为水下通信导航、水产渔业、海洋资源开发、海洋地质地貌探 测、军事武器等领域的重要手段。随着声纳技术应用领域的不断扩大，军事 对抗及作战需求的日益提高，新原理、新技术、新型声纳设备纷纷涌现，层 出不穷。新型声纳技术的发展要求带动了换能器技术的飞速发展，同样换能 器领域的技术突破也让声纳系统“耳目一新 。如各种新材料水声换能器以 及新结构新机理水声换能器等等，极大的丰富了水声换能器的种类，使其应 用越来越广泛。、 1 2 矢量水昕器的特点和分类 目前声纳的工作频段已经拓展到很宽的范围，主动声纳从几十赫兹到几 十兆赫兹，被动声纳的低频端也已经拓展到次声范围，在如此宽的频带内， 按规定的信号形式激发产生声波和不失真地感知接收水中声波信号的重要器 件被称为声纳换能器或声纳基阵。这些器件是声纳系统最前端的设备，也是 声纳系统与水介质相互作用、交流信息的“窗口，是声纳系统功能的“实 现者，于是声纳换能器或声纳基阵被人们形象地喻为声纳系统的“耳目。 这些器件被我们总称为水声换能器，包括水下各种发射、接收测量用的传感 器。它们将水下的声信号转换成电信号( 接收换能器) ，或将电信号转换成水 下的声信号( 发射换能器) ，是声纳的重要组成部分。一部声纳性能的优劣与 水声换能器性能的优劣直接相关。在水声工程中，换能器技术处于一个基础 性的地位。换能器技术的进步可带动声纳系统技术水平的提高，因此新型水 声换能器的研究工作具有重要意义。 水声换能器作为水下声波的接收设备，被认为是水声学最重要的声学测 量仪器。一般可以分为无指向性和有指向性两大类，无指向性指的是水听器 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 对来自于声场空间各方向的声波具有相同的响应，不存在空间选择性；反之 则为有指向性，即水声换能器只对空间某些方向的声波有响应。在连续介质 中，任意一点附近的运动状态可用压强、密度及介质运动速度表述。在声场 中的不同地点，这些物理量有不同的值，具有空变性；而且，对同一空间坐 标点这些量又是随时间改变的，又具有时变性。因此，描述声场的声学量声 压、质点振速和压缩量都是时间和空间的函数。在理想流体中没有切应力， 所以，声压为标量，质点振速为矢副。声场所含丰富信息既包含在标量参 数中也包含在矢量参数中，在声场测量过程中，仅测量声压参数是不够的。 同时测量标量信息和矢量信息，即同时得到声压和质点振速值才能获得完整 的声场信息。这样才能有助于信号处理系统获得更有价值的信息，并做出正 确的判断。例如：采用新型组合传感器( 声压和振速的联合) 的联合信息处理 系统较传统的单纯声压信息处理系统具有良好的抗相干干扰能力和线谱检测 能力聊；采用单个小尺度的组合传感器通过联合信号处理，就可以进行目标 方位的声压、振速联合估计唧；此外，从能量检测的角度讲，矢量水听器的 采用使系统的抗各向同性噪声的能力获得提高，并可实现远场多目标的识别 等。目前，矢量水听器的研究工作受到越来越大的重视，包括矢量信息在内 的多信息检测也成为声纳系统的一个发展趋势，正越来越被各个海军大国所 重视。 质点振速传感器是矢量水听器的核心部件，因此，矢量水听器的分类主 要是指质点振速传感器的分类，它原则上分为声压梯度式和同振式两种类型。 同振式是指将惯性传感器，如加速度计等对振动敏感的传感器安装在刚性的 球体、圆柱体或椭球体等几何体中。当有声波作用时，刚性体会随流体介质 质点同步振动，其内部的振动传感器拾取相应的声质点运动信息，因此亦称 为惯性式。声压梯度式多是利用空间两点处声压的有限差分的原理来近似得 到声压梯度，这可以通过反相串并联的线路连接在传感器内部实现，而声压 梯度与介质质点的加速度之间的关系由e u l e r 公式确定，通过计算间接得到 介质质点振动信息。同振式声矢量传感器是对简谐声场中介质质点振动真正 意义上的直接测量。由于这两类声矢量传感器的工作机理的差异，则相应的 性能参数也明显地不同。一般情况下都习惯将同振式质点振速传感器统称为 质点振速传感器。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 矢量水听器中的振速水听器按照换能原理可分为压电式、电动式、电磁 式、磁致伸缩式、电容和光纤式等。压电式振速传感器是利用压电效应，将 压力转化为电信号记录下来；电动式矢量水听器是利用电磁感应现象，线圈 在磁场中运动时产生感应电动势，从而记录下这一信息；电磁式矢量水听器 是利用膜片振动时线圈中的磁通量发生变化而产生感应电动势来记录信息； 磁致伸缩式矢量水听器是利用反磁致伸缩效应来记录声场信息的；电容式矢 量水听器，是因为在声场中声波的作用下两电极板的间距发生变化会产生电 容量的变化，利用这一变化来记录声场中的信息。光纤式矢量水听器，则是 利用力一光效应。其中压电式的质点振速传感器因其性能稳定可靠仍占据着 当前研究和应用的主导地位。 表1 1 矢量传感器分类 按换能原理压电式、电动式、电磁式、磁致伸缩式、电容和光纤式等 按其所测量的物理量声压梯度水听器、位移水听器、加速度水听器 不同 按其与声场的相互作 压差型( 压差式) ；同振型( 惯性型) 用方式 按照维数 一维、二维、三维矢量水听器 按水听器与声场的相双声压水听器型、外壳静止型和同振型 互关系 1 3 矢量水听器的智能化和网络化 当前，网络化智能传感器技术的蓬勃发展，将网络技术应用于矢量水听 器，研制具有网络接口的智能矢量水听器，并把它们组网用于测量与控制已 成为可能，并体现出了越来越重要的意义。所谓智能传感器就是指内部集成 或安装了微控制器或微处理器，使其能够在现场对采集到的原始传感信息进 行必要的处理，如信号放大、调理、a d 转换等，最后转换成某种标准的数 字格式并通过现有的标准通信协议发送给用户的传感器。把多个智能矢量水 听器联网组成高精度、功能强大的水声换能器网络，可以使成本更低，安装 配置升级更快，维护更方便，极大的提高系统的可靠性。 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 近年来智能传感器的发展非常迅速，但是由于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，并且总线的 协议也不同，这就影响了智能传感器的发展和实际应用。尤其在配有大量传 感器的网络系统中，人们不仅要解决各种现场总线标准彼此互不兼容的问题， 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。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1 ：3 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 ：3 标准i e e e1 4 5 1 。其作为本课题重要的研究内容之一，将在后 文对此标准进行详细的介绍。 智能传感器网络的发展历程从2 0 世纪5 0 年代以来，大约经历了三个比 较明显的发展阶段。几十年来得益于信息技术的飞速发展，特别是传感技术 计算机技术和通信技术的不断进步，各种传感器的功能不断增强，应用范围 不断拓宽，传感器网络领域不断吸收这些最新的技术，逐渐在向更高效的系 统更小的体积，更简单的联接，更低的成本发展。第一代传感器网络是由传 统传感器组成的测控系统，采用点到点传输的接口规范，比如二线制4 - - - 2 0 m a 电流和1 5 v 电压标准。这种系统曾经一度在测控领域广为应用，但由于其 布线复杂、成本昂贵、抗干扰性差，已逐渐淡出市场。第二代传感器网络是 基于智能传感器的测控网络。智能传感器与控制设备之间仍然采用传统的模 拟电流或电压信号通信。微处理器的发展和与传感器的结合使传感器具有了 计算能力，随着节点本地智能化的不断提升，现场采集信息量的不断增加， 人们逐渐认识到传统的通信方式已成为智能传感器网络发展的瓶颈。随着数 字通信标准r s 2 3 2 、r s - 4 2 2 、r s 4 8 5 等的推出与广泛应用以及微控制器的 流行，许多新的传感器网络系统也应运而生。第三代传感器网络h ，也即是 现在正蓬勃发展的新一代传感器网络，是基于现场总线( f i e l db u s ) 的智能传感 器网络。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，是当前传感器网络领域受到广泛认可的主流物理通信媒体。 现场总线技术利用数字通信代替了传统的4 - - - 2 0 m a 模拟信号，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。 虽然矢量水听器相比声压水听器有了相当大的进步，但是由于水下环境 5 一 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i t 宣；宣暑宣葺宣暑宣萱宣；宣昌暑宣昌；i i 薯；宣昌暑；昌宣i 昌昌暑暑暑宣i i i ；昌暑暑i i 宣i 宣i i 置i i i i i 昌i i ；i i 暑i i i i ；昌j i ；i 昌宣；暑宣置置 具有复杂性和很高的不确定性，单个传感器接收的信息依然显得不全面且可 靠性不高。近年来，随着水下结构减振降噪的水平的不断提高，对水下结构 的振动测量的要求也越来越高。单点振动测量已经不能满足对振动测量的需 要，多个传感器的联合使用成为一个趋势，需要一种具有大面积多点采集能 力的设备。矢量水听器阵也就在声压水听器阵的基础上孕育而生了。受益于 矢量水听器的特性，由矢量水听器构成的矢量阵与传统的声压水听器阵相比， 相同尺寸的矢量阵可获得更大的空间增益。换句话说，要得到相同的空间增 益，用矢量水听器组合成阵，将大大减小阵的尺寸。 不同的矢量水听器有不同的构造，因而有着多种多样的特性，所以各类 水听器的后续电路各异，没有兼容性。即使是同种的水声换能器，由于个体 差异，其电声效率、指向性和接收灵敏度等参数也不相同，这就给组建矢量 水听器网络造成许多不便。矢量水听器的多样性和各自不同的使用方式，也 严重影响了它与数据采集系统的兼容性。在工程应用中，会有要求更换某个 失灵水听器、或者添加新的水听器的情况，但是由于水听器的多样性，查阅 其个体参数，并在系统中重新配置各项指标，将会增加工作量，降低了系统 的可靠性和可维性指标。因而需要一种能够使水昕器实现自我识别，自我描 述，并能够与网络智能连接的办法。 正是为了解决传感器在实际应用中遇到的这些问题，美国国家标准与测 试学会和i e e e 仪器与测量协会的传感技术委员会制定了系列标准i e e e 14 51 ，也即智能传感器接口标准( s t a n d a r df o ras m a r tt r a n s d u c e ri n t e r f a c ef o r s e n s o r sa n da c t u a t o r s ) 。该标准的目的是使系统的安装更加快捷、系统的诊断 能力得到提高、修理和更换传感器导致的停机时间更短并且有自动的数据校 准功能。 传感器网络技术的发展，为矢量水听器在工程应用中提供了新的发展方 向。 1 4c a n 总线协议的现状 c a n b u s 总线( c a n 总线) 是应用非常广泛的一种现场测控总线。控制器 局域网c a n ( c o n t r o la r e an e t w o r k ) 最初是由德国b o s c h 公司为解决汽车监 控系统中的诸多复杂技术和难题而设计的数字信号通信协议。它是一种有效 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 支持分布式控制和实时控制的串行通信网络。由于它采用了许多新技术和独 特的设计思想，与同类产品相比，c a n 总线在数据通信方面具有可靠、实时 和灵活的优点。因此，促使其在各个领域的应用得到迅速发展，其应用范围 遍及从高速网络到低成本的多线路网络等控制领域。 c a n 总线协议己比较成熟，并成为了国际标准，当前，各种c a n 总线 产品层出不穷，已逐步形成系列。采用c a n 总线组建智能传感器网络非常 可行及实用。因此本课题选择了c a n 总线作为网络的总线方式。 1 5 课题的研究内容 为了研究的方便，本文把常用的矢量水听器分为两类，即需要对内部振 子进行供电的水听器和不需要供电的水听器。并以水声工程中常用的以压电 加速度计为敏感原件的矢量水听器为例，提供一种使矢量水听器自我识别、 自我描述，并能够与网络连接的方案。 本课题的研究内容就是以典型的矢量水听器为服务目标，通过计算水听 器的各项噪声参数，选取低噪声放大器，设计并完成了水声换能器的适配电 路，保证了水听器达到正确测量与准确估计的目的。同时基于i e e e1 4 5 1 标 准，应用嵌入式处理器构建系统硬件平台，同时实现换能器的自我识别、自 我配置以及数据采集的功能。在此基础之上，应用第三代现场总线技术 c a n b u s 构成传感器数据传输通道，组建矢量水听器网络。 1 6 本文内容安排 首先在绪论中介绍了本课题的研究背景和研究意义。详细介绍了新型矢 量水听器的发展过程、性能特性和分类，分析了智能传感器网络化的趋势和 现状，以及c a n 总线协议的特性等。 第二章介绍智能传感器接口原理和c a n 总线原理。详细探讨了混合模 式接口及变送器t e d s 格式等内容，分析了采用现场总线的优势。 第三章结合一种常用的矢量水听器，详细分析了其特性，通过计算矢量 水听器相关参数，设计了矢量水听器适配电路。采用的低功耗嵌入式处理器、 高速并行数据采集器、c a n b u s 适配器和收发器等设计符合协议标准的矢量 水听器智能接口硬件平台。 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第四章是对硬件平台的软件设计，包括系统中各种模块的初始化过程， 串行通信模块，电子表单数据编解码，f l a s h 存储器的读写，数据采集模 块，c a n 总线数据传输模块等。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章智能传感器接口标准和c a n 总线技术 2 1i e e e1 4 5 1 系列标准简述 i e e e1 4 5 1 智能传感器接1 3 系列标准产生于1 9 9 3 年，由美国国家标准与 测试学会和i e e e 仪器与测量协会的传感技术委员会制剧引。该标准定义了一 套通用的传感器通信的软硬件接口标准，使传感器与现有基于微处理器的系 统、仪器仪表和不同的现场网络之间可以通过应用i e e e1 4 5 1 定义的接u i 标 准互连、互操作，解决不同网络之间的兼容性问题。该系列接口的出台意义 极为重大，使得生产厂家、系统集成商和用户有能力以低成本去支持多种网 络和传感器家族，并且通过简单连线，降低了系统的总消耗。该系列标准推 动了网络化智能传感器的发展。 i e e e1 4 5 1 标准包括相继出台的i e e e1 4 5 1 1 一i e e e1 4 5 1 4 标准，和处于 提议阶段的i e e e1 4 5 1 5 、i e e e1 4 5 1 6 。这些标准各自针对特定应用领域制 定的标准。其中，i e e e l 4 5 1 1 为网络应用处理器信息模式；定义了网络独立 的信息模型，使传感器接口与n c a p 相连，它使用了面向对象的模型定义提 供给智能传感器及其组件。该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，它们为传感器提供一个清楚、完整的描述。该模型也 为传感器的接口提供了一个与硬件无关的抽象描述。 i e e e1 4 5 1 2 为智能传感器、微处理器通信协议和智能传感器电子数据单 t e d s 格式；该标准规定了一个连接传感器到微处理器的数字接口，描述了 电子数据表格t e d s 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 线标准接口t i i ，使制造商可以把一个传感器应用到多种网络中，使传感器具 有“即插即用( p l u g a n d - p l a y ) 兼容性嘲。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，- 由各传感器制造商自主实现，以保持在性能、质 量、特性与价格等方面的竞争力。 i e e e l 4 5 1 3 为分布式多点智能传感器的t e d s 格式和数字通信；适用于 以多点设置的方式连接多个分散的传感器。比如说，在某些情况下，t e d s 无法嵌入到传感器中。i e e e l 4 5 1 3 标准提议以种“小总线”( m i n i b u s ) 方式 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 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 入到传感器中，从而允许通过一个简单的控制逻辑接口进行最大量的数据转 换m 。 i e e e1 4 5 1 4 为混合型通信协议和变送器t e d s 格式；该标准主要致力于 基于己存在的模拟量变送器连接方法，提出一个混合型信息格式和通信协议 标准，它同时也为具有智能特点的模拟量变送器接口到合法的系统指定了 t e d s 格式。这个接口标准将与i e e e1 4 5 1 x 网络化变送器接口标准相兼容。 软件接口标准 物理层接口标准 曼 网络应用处理器 一l ( n c p ) 俣拟+ 致，子 t e d s ； n e t 盯o r k e d 雾 任 c a p a b l e 数字 变送器 何 a p p l i c a t i o n 点对点 t e d s l 网 p r o c e s s o r t i i 凸；圭才e 二芏! 憧 鋈 l 络 分布式尽1 殳达奇 l 卜 多患思鸳 ； i e e e l 4 5 1 3 总线 f i n d s i e e e i e e e 接口 变送器 1 4 5 1 i 1 4 5 1 0 无缋 无线 t e d s 通用对 通用功 【e e e l 4 5 1 s 能与 。萍口 娥器 象模型 1 1 c d s c a n i ， v t e d s 蚕 i 竺 p 肝“ 变送器 管 图2 1i e e e1 4 5 1 智能传感器执行器接口标准族体系结构 2 2i e e e1 4 5 1 2 标准 i e e e1 4 5 1 2 接口标准在i e e e1 4 5 1 系列协议占有非常重要的地位。i e e e 1 4 5 1 2 的接口框图如图2 2 所示。 从图中可以看出，符合i e e e1 4 5 1 2 协议标准的智能传感器由两大部分 构成，一部分是网络化智能变送器模块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 e m o d u l e ) ，其中包括变送器和电子数据表格t e d s ( t r a n s d u e e re l e c t r o n i cd a t a 1 0 哈尔滨1 = 程大学硕士学位论文 s h e e t ) 。另一部分是网络适配处理器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 n p r o c e s s o r ) ，包含微处理器、通信收发器等。两部分通过变送器独立接口相连 接。 智能变送器接口模块( s t i m ) 逻辑 当 1 卜一功能挺架 图2 2i e e e1 4 5 1 2 接口框图 i e e e1 4 5 1 2 标准里定义的t e d s 是i e e e1 4 5 1 4 的t e d s 的基础【引。t e d s 存储在非易失性器件中，内容应包含描述变送器类型、属性、操作方式及校 准方式等的字段。除了1 7 8 字节必需的内容数据以外，t e d s 的大小可变。 一个内部集成了t e d s 的变送器向网络提供了一种可自我描述的特征。由于 包含变送器制造商信息的t e d s 始终与变送器相连，并以电子途径传递给网 络适配处理器n c a p 或主机，完全避免了人为输入等产生的变送器参数错误。 同时制造商信息及校准信息始终保存于t e d s 内部，使得丢失文本变送器数 据手册不再造成问题。t e d s 的这些特征，使高效升级、维护变送器可简单 地以即插即用的方式进行。i e e e1 4 5 1 2 接口还定义了一个智能变送器接口模 块s t i m 。s t i m 可连接多达2 5 5 个模拟、数字及混合型的各种变送器，通过 一根1 0 线串行外设接u ( s e d a lp e r i p h e r a li n t e r f a c e ，s p 卜变送器独立接口 ( 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 ，t i i ) 与网络节点n c a p 相连。 i e e e1 4 5 1 4 的t e d s 是i e e e1 4 5 1 2 标准定义的t e d s 的一个子集，其 目的是尽量减小t e d s 存储器的大小。i e e e1 4 5 1 2 标准中共规定了8 种不同 的数据表格，分别为： 1 总体t e d s ( m e t a - t e d s ) ： 包含此s t i m 的总体信息，如t e d s 数据结构，最坏情况下的时序参数， 襄需 哈尔滨工程大学硕士学位论文 通道数等；总体t e d s 是必须的，不可缺少。 2 通道t e d s ( c h a r m e lt e d s ) ： 包含该通道的具体信息，如上、下限，物理单位，预热时间，有无自检 测，不确定度，数据模型，标定模型和触发参数等。描述一个通道上传感器 所需的信息。通道t e d s 也是必须的，不可缺少。 3 标定t e d s ( c a l i b r a t i o nt e d s ) ： 包含最新的标定数据、标定间隔以及支持多段标定模型所需的全部参数。 此部分的t e d s 并非是必须的，可根据需要自行选择。 4 总体识别t e d s ( m e t a - i d e n t i f i c a t i o nt e d s ) ： 包含提供了各s t i m 识别信息的人工可读版本，内容包括制造商、类型 号、序列号、日期和产品描述； 5 通道识别t e d s ( c h a n n e li d e n t i f i c a t i o nt e d s ) ： 可选的，人工可读的。它包含的信息和总体识别t e d s 相似，只是它是 为一个通道服务的。 6 标定识别t e d s ( c a l i b r a t i o ni d e n t i f i c a t i o nt e d s ) ： 可选的，人工可读的。它提供了与每个通道的标定相关的一个人工可读 版本，对其中支持的语言重复一遍。 7 终端用户应用特定的t e d s ( e n du s e ra p p l i c a t i o n s p e c i f i ct d e s ) ： 每个s t i m 可以有多个，它也是可选的，人工可读的，包含上面的t e d s 数据块都没有覆盖的附加信息，例如s t i m 的位置，或一个服务者的电话号 码等。 8 扩展t e d s ( g e n e r i ce x t e n s i o nt e d sd a t ab l o c k ) ： 它也是可选的，可读性没有定义。用于实现对i e e e1 4 5 1 2 进行扩展。 t e d s 完整详细地描述了它支持的传感器和执行器的类型、操作和属性。 t e d s 被分成8 个可以寻址的部分后，其中只有m e t a - t e d s 和c h a n n e lt e d s 是必须要的，其余的6 个可以根据需要选择。每个s t i m 包括1 个m e t a - t e d s ， 它描绘了t e d s 自身的信息和数据结构，以及它支持的通道数和通道极限时 间参数；每个s t i m 通道包括1 个c h a n n e lt e d s ，它描述了通道的物理属性、 纠正类型、返回的数据类型和格式以及通道的定时信息。 1 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 3i e e e1 4 5 1 4 标准 从前面的介绍可以看出，i e e e1 4 5 1 4 标准与之前三个不同，是在i e e e 1 4 5 1 2 标准的基础上，由技术委员会成立的工作组制定的【明0 1 。该工作组主要 致力于在现有的模拟量变送器连接方法的基础上提出一个混合模式智能变送 器通信协议，它同时也为具有智能特点的模拟量变送器接口到合法的系统指 定了t e d s 格式。其工作主要有： 1 通过提供一个与传统传感器兼容的通用i e e e1 4 5 1 4 传感器通信接口 使得传感器具有即插即用功能； 2 简化了智能传感器的开发； 3 简化了仪器系统的设置与维护； 4 在传统仪器与智能混合型( s m a r tm i x e d m o d e ) 传感器之间提供了一个 桥梁； 5 使得内存容量小的智能传感器的应用成为可能。 在i e e e1 4 5 1 4 标准中主要定义了m m i ( m i x e d m o d et r a n s d u c e ri n t e r f a c e ) 混合模式接口和相应的电子数据表单t e d s 。该标准为传统模拟传感器升级 为数字化网络化传感器提供了一种简便可行的方法，其结构图如图2 3 所示。 图2 3i e e e1 4 5 1 4 标准结构示意图 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 3 1 混合模式接口 混合模拟接口的定义是i e e e1 4 5 1 4 标准的核心部分之一，它通过定义 不依赖于特定控制网络的硬件和软件模块来简化网络化传感器的设计。标准 中确定两种类型的混合模式接口，一类接口主要用于供电的压电式传感器， 并为在单对传感器导线之上实现模拟模式与数字t e d s 模式之间的连续转换 确定了一个方案，该方案模拟信号和数字信号采用各自单独的传输线，可同 时进行模拟信号和数字信号的传输。另一类传感器通过在t e d s 上增加由电 流方向控制的开关，通过改变电流的方向，仪器系统可以将传感器转换成为 数字t e d s 模式，该方案模拟信号和数字信号共用两根传输线，采用信号开 关在两种信号间切换。本系统采用的是更为灵活的第二种方案，对传统的传 感器也可以使用，满足向下兼容。 混合模拟接口在使用时分为模拟模式和数据模式1 。如下图2 4 所示， 在模拟模式状态下，传感器没什么不同：在数据模式状态下，可访问传感器 内嵌的电子数据表格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 ) ，完成存取传感 器相关资料，实现自我识别的功能。 t 叻s 信号处理器 模拟测量信号 厂、八厂、厂、， 几n 几几 数据t e d s 信号 图2 4 需恒流源供电的智能传感器接口结构图 2 3 2 变送器t e d s 数据规范 在i e e e1 4 5 1 2 标准的t e d s 基础上，以尽量减小t e d s 存储器的大小 为目的定义了i e e e1 4 5 1 4 的t e d s 。该标准定义了一个允许模拟量传感器以 数字信息模式通信的标准，目的是传感器能进行自识别和自设置。此标准同 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 时建议数字t e d s 数据的通信将与使用最少量的线。由1 0 线的t i i 形式减少 为2 线的模拟数字混合形式。i e e e1 4 5 1 4 的t e d s 设计的主要要素有：帮助 用户的相关信息、即插即用功能、支持所有的传感器类型、开放性，以满足 个别需求和与e e1 4 5 1 2 兼容”剐。 t e d s 一般是由一片e e p r o m 实现的，在物理结构上它是与传感器执 行器信号连接在一起，和传感器一起移动，使得一个传感器所需的所有信息 总是随时可得的。t e d s 概念固有的优势使其成为各种传感器的标准化的描 述语言。有一些传统型的模拟传感器因为各种各样的原因不能使用内嵌的 e e p r o m ，为了将传感器即插即用的优势延用过来，我们采用虚拟的t e d s 文档。t e d s 数据结构可以对任何模拟传感器进行描述，而不论t e d s 实际 上是否位于传感器内置的e e p r o m 之中。虚拟的t e d s 文档存放于p c 机或 是可以访问的网络数据库中，以文档形式提供同样的传感器t e d s ，实现了 传统的模拟传感器向与其连接的数据采集系统进行自我识别和描述的功能。 t e d s 由若干个字段组成，可以充分描述传感器的类型、行为和性能属 性。t e d s 信息分为以下几个关键部分： 1 基本t e d s ，包含了必要的传感器识别信息； 2 i e e e 标准t e d s ，包含传感器专用的“数据表 信息，一般是正确 配置电气接口并将测量数据转换为工程单位所需要的数据； 3 用来存放驻留在传感器中的自定义数据和信息。可以存放传感器位置 ( n 9 代码) 、附加维修信息或其他驻留在传感器内的自定义信息。 i e e e 标准为不同的传感器类型做了许多规定，这些标准的t e d s 格式作 为模板，使测量系统可以将贮存在智能传感器的e e p r o m 或是虚拟t e d s 文档中的二进制数据转换成为有意义的传感器规格。该标准还允许制造商定 义客户子模板，这些子模板可在标准模板之外使用，或取代标准模板，以适 应特殊的参数和要求。 2 4c a n 总线技术 2 4 1c a n 总线工作原理 c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) ，即控制器局域网，是国际上应用最广泛 1 5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 昌；暑i i ；i i i 置嗣宣暑置叠昌置葺宣葺暑誓i ii, m i 宣盲i ；宣i i ；暑 的现场总线之一。它是由德国博世公司在8 0 年代初为解决现代汽车中众多的 控制器与设备之间的数据交换而开发的一种串行数据通信协议。由于它采用 了许多新技术和独特的设计思想，与同类产品相比，c a n 总线在数据通信方 面具有可靠、实时和灵活的优点。其总线规范在1 9 9 3 年成为国际标准化组织 ( i n t e r n a t i o n a ls t a n d a r do r g a n i z a t i o n ) i s 0 118 9 8 标准u 列u 州。 当c a n 总线上的一个传感器发送数据时，它以报文形式广播给网络中 所有传感器。对每个传感器来说，其报文开头的n 个位称为标识符，定义了 报文的优先级，这种报文格式称为面向内容的编址方案。在同一系统中标识 符是唯一的，不可能有两个传感器发送具有相同标识符的报文。当几个传感 器同时竞争总线读取时，这种配置十分重要。 当一个传感器要向其它传感器发送数据时，该传感器的c p u 将要发送的 数据和自己的标识传送给本传感器的c a n 芯片，并处于准备状态；当它收 到总线分配时，转为发送报文状态。c a n 芯片将数据根据协议组织成一定的 报文格式发出，这时网上的其它传感器处于接收状态。每个处于接收状态的 传感器对接收到的报文进行检测，判断这些报文是否是发给自己的，以确定 是否接收它。 由于c a n 总线是一种面向内容的编址方案，因此很容易建立高水准的 控制系统并灵活地进行配置。我们可以很容易地在c a n 总线中加进一些新 传感器而无需在硬件或软件上进行修改。当所提供的新传感器是纯数据接收 设备时，数据传输协议不要求独立的部分有物理目的地址。它允许分布过程 同步化，即总线上控制器需要测量数据时，可由网上获得，而无须每个控制 都有自己独立的传感器。 c a n 总线和一般的通信总线相比，具有突出的可靠性、实时性和灵活性。 其特点可概括如下： 1 c a n 总线的通信方式非常灵活，特别是以多主方式工作时，网络上 任一节点均可在任意时刻主动地向网络上其他节点发送信息，而不分主从， 通信方式灵活，且无需站地址等节点信息。利用这一特点可方便地构成多机 备份系统，以提高系统的可靠性。 2 c a n 采用非破坏性的基于优先级的总线仲裁技术，当多个节点同时 向总线发送信息时，依据总线仲裁机制优先级低的会主动退出发送，而优先 哈尔滨工程大学硕士学位论文 级高的节点可不受影响地继续传送数据，从而大大节省了总线冲突仲裁时间， 增强了c a 2 q 总线通信的实时性。尤其在网络负载很重的情况下也不会出现 网络瘫痪情况。c a n 节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能，以使 总线上其他节点的操作不受影响。 3 c m q 的数据帧采用短帧结构，传输时间短、受干扰概