网络化智能传感器.ppt

网络化智能传感器 概述基于Web的虚拟仪器嵌入式Internet的网络化智能传感器IEEE1451网络化智能传感器标准 一 概述 网络技术和计算机总线技术的发展 再加上测控任务的复杂化以及远程监测任务等迫切需求 促进了测控仪器向网络化的方向快速发展 网络化仪器包括基于计算机总线技术的分布式测控仪器 基于Internet Intranet的虚拟仪器 嵌入式Internet的网络化仪器 基于IEEE1451标准的智能传感系统以及基于无线通讯网络的网络化仪器系统等 它们在智能交通 信息家电 家庭自动化 工业自动化 环境监测及远程医疗等众多领域得到越来越广泛的应用 二 基于Web的虚拟仪器 基于Web的虚拟仪器概念基于Web的虚拟仪器软件技术基于Web的虚拟仪器发展 智能仪器在模拟仪器的基础上有了较大的发展 应用了许多计算机方面的技术 如可以通过标准的IEEE488接口连接到普通计算机 仪器内部一般内置有处理器和存储器 但是由于IEEE488接口传输速度有限 智能仪器存在着实时性差 价格昂贵 扩展能力低以及开放性差的缺点 而且智能仪器也是由厂商定义的 用户通常是无法改变的 虚拟仪器 VI 克服了上述缺点 而将Web和虚拟仪器结合起来 使VI拓展到真正的分布式网络测试应用环境中去 可以丰富测试手段 提高测试效率 充分合理地利用有效的资源 虚拟仪器与智能仪器的简要对比 2 基于Web的虚拟仪器概念 基于Web的虚拟仪器 VI 简单说就是把VI技术和面向Internet的Web技术二者有机结合所产生的新的VI技术 形象地说 VI的主要工作是把传统仪器的前面板移植到普通计算机上 利用计算机的资源处理相关的测试需求 基于Web的VI则更进一步 它是把仪器的前面板移植到Web页面上 通过Web服务器处理相关的测试需求 VI的两大技术基础是计算机硬件技术和软件技术 VI依靠计算机强大的处理能力 高性能的显示技术 高速的存储系统 丰富的外部设备 同时VI还有计算机丰富的软件系统 包括网络化的操作系统 如WindowsNT 应用软件 如InternetExplorer 和网络性能非常强的VI软件 如NationalInstrument公司的ComponentWorks GWebServer等 所有这些使VI系统本身具备了强大的网络能力 VI技术 VI和Web结合的基本模型 图1虚拟仪器与WWW结合模型可以看出 在虚拟仪器的基础上 增加其登陆因特网及网络浏览的功能 就可以实现基于Web的网络化仪器了 从这一角度讲 基于Web的网络化仪器是虚拟仪器技术的延伸与扩展 3 基于Web的虚拟仪器软件技术 ActiveX技术DataSocket服务器Web服务器 ActiveX技术 ActiveX是由Microsoft公司定义并发布的一种开放性标准 它能够让软件开发者很方便 快速地在Internet Intranet网络环境里 制作或提供生动活泼的内容与服务 编写功能强大的应用程序 ActiveX优点主要有以下几个方面 利用现成的1000多个ActiveXControls 可以很容易开发出基于网络的应用程序 可以开发出能够充分发挥硬件与操作系统功能的应用程序与服务 这是由于所调用的ActiveXControls与硬件及操作系统功能能够较紧密地结合的缘故 跨操作系统平台 支持Windows Macintosh UNIX版本 ActiveX最吸引人的地方之一 就是ActiveXControls ActiveXControls就是基于OLE ObjectLinking Embedding 技术并加以扩充 符合COM ComponentObjectModel 格式的交互式软件元件 许多原本使用于VisualBasic Delphi等的OCX OLEControl 都可以成为ActiveXControls 目前支持ActiveX的开发工具主要有VisualBasic VisualC VisualJ 以及Delphi等多种编程语言 DataSocket服务器 DataSocket是NationalInstrument提供的一种编程工具 是面向测控领域的网络通信技术 DabSocket技术基于Microsoft的COM和ActiveX技术 对TCP IP协议进行高度封装 面向测量和自动化应用 用于共享和发布实时数据 依靠DataSocket和网络技术 人们将能更有效地控制远程仪器设备 在任何地方进行数据采集 分析 处理和显示 获得正确的测量 控制和诊断结果 是一种基于TCP IP工业标准的网上实时高速动态数据交换编程新技术 DataSocket使用一种增强数据类型来交换仪器类型的数据 这种数据类型包括数据特性 如采样率 操作者姓名 时间及采样精度等 和实际测试数据 DataSocket用类似于Web中的统一资源定位器 URL 定位数据源 URL不同的前缀表示了不同的数据类型 file表示本地文件 http为超文本传输资源 ftp为文件传输协议 opc表示访问的资源是OPC服务器 dstp DataSockettransferprotocol 则说明数据来自DataSocket服务器的实时数据 NI公司的ComponentWorks软件包中提供的DataSocket具备以下三个工具 1 DataSocketActiveX控件 开发者可以利用它提供的控件在诸如VB VC等ActiveX容器中开发共享数据应用程序 2 DataSocket服务器 利用dstp协议在应用程序间交换数据 3 DataSocket服务器管理程序 它是一个配置和管理工具 负责确定DataSocket服务的最大连接数 实现设置访问控制等网络管理功能 Web服务器 支持标准的HTTP协议 调用内置的Monitor和Snap函数 使VI的前面板显现在浏览器中 支持CGI 实现对VI的远程交互式访问 支持SMTP 在VI中实现消息和文件的邮件方式发送 支持FTP 实现文件的自动上下载 除了上述介绍的几种软件技术以外 还有NationalInstrument的InternetToolkitforG Java ASP等不断发展完善的软件技术 都可以在基于Web的VI中得到应用 显然 利用网络技术实现对对象的测试与控制 是对传统测控方式的革命 测控方式的网络化 是未来测控技术发展的必然趋势 它能充分利用现有资源和网络带来的益处 实现各种资源有效合理的配置 3 基于Web的虚拟仪器发展 随着网络技术发展 基于Internet的虚拟仪器将为用户远程访问提供更快捷 更方便的服务 用户可以通过HTTP协议远程控制和访问测量仪器系统 可以进行远程排错 修复和监控测试 基于Internet的分布式虚拟实验室 VirtualLab VLab 将完成远程医疗诊治病人 虚拟太空测试实验 虚拟海底测试实验 也将为测控仪器的设计与使用带来许多意想不到的新思路 三 嵌入式Internet的网络化智能传感器 智能传感器微处理器 Microprocessor 与传统传感器 DumbSensor 相结合 产生了功能强大的智能传感器 IntelligentSensor或SmartSensor 智能传感器的出现给传统工业测控带来了巨大的进步 在工业生产 国防建设和其他科技领域发挥着重要的作用 智能传感器网络化的实现 利用现场总线技术在自动化领域 现场总线控制系统FCS FieldbusControlSystem 正在逐步取代一般的分布式控制系统DCS DistributedControlSystem 各种基于现场总线的智能传感器 执行器技术也得到迅速发展 但目前市场上多种现场总线并存 使得基于现场总线的传感器 执行器 Sensor Actuator 接口协议标准各异 如目前市场上较为流行的现场总线如CAN 控制局域网络 Lonworks 局部操作网络 Profibus 过程现场总线 HART 可寻址远程传感器数据通信 FF 基金现场总线 等各有自身优势和适用范围 很难在短期内走向统一 利用Intranet Internet技术对于大型数据采集系统而言 特别是自动化工厂用的数据采集系统 由于其中的传感器 执行器数以万计 特别希望能减少其中的总线数量 最好能统一为一种总线或网络 这样不仅有利于简化布线 节省空间 降低成本 而且方便系统维护 另一方面 现有工厂和企业大都建有企业内部网 Intranet 基于Intranet的信息管理系统 MIS 成为企业运营的公共信息平台 为工厂现代化提供了有力的保障 Intranet和因特网 Internet 具有相同的技术原理 都基于全球通用的TCP IP协议 使数据采集 信息传输等能直接在Intranet Internet上进行 既统一了标准 又使工业测控数据能直接在Intranet Internet上动态发布和共享 供相关技术人员 管理人员参考 这样就把测控网和信息网有机地结合了起来 使得工厂或企业拥有一个一体化的网络平台 从成本 管理 维护等方面考虑这是一种最佳的选择 让传感器 执行器在应用现场实现TCP IP协议 使现场测控数据就近登临网络 在网络所能及的范围内适时发布和共享 是具有Internet Intranet功能的网络化智能传感器 包括执行器 的研究目标 也是目前国内外竞相研究与发展的前沿技术之一 核心问题 使传感器本身实现TCP IP网络通信协议 通过软件方式或硬件方式可以将TCP IP协议嵌入到智能化传感器中 目前已有多种嵌入式的TCP IP芯片 如美国SeikoInstruments公司生产的ichipS7600A芯片 它们可直接用作网络接口 实现嵌入式Internet的网络化仪器 智能传感器连入Internet的两种方式 总体上讲 这些研究可归结为两大类 一类是直接在智能传感器上实现TCP IP 使之直接连入Internet 另一类是智能传感器通过公共的TCP IP转接口 或称网关Gateway 再与Internet相连 1 直接在智能传感器上实现TCP IP HP公司设计的一个测量流量的信息传感器模型 该传感器模型是采用BFOOT 66051 一种带有定制Web页的嵌入式以太网控制器 来设计的 STIM SmartTransducerInterfaceModule 智能变送器接口模块 用以连接传感器NCAP NetworkCapableApplicationProcessor 网络适配器 用以连接Ethernet或Internet STIM内含一个支持IEEEP1451数字接口的微处理器 NCAP通过相应的P1451 2接口访问STIM 每个NCAP网页中的内容通过PC机上的浏览器可以在Internet上读取 STIM和NCAP接口有专用的集成模块问世 如EDI1520 PLCC 44 可以在片上系统实现具有Internet Intranet功能的网络化智能传感器集成 2 通过公共的TCP IP转接口与Internet相连 其典型代表是美国国家仪器公司的GPIB ENET控制器模块 它包含一个16位微处理器和一个可以将数据流的GPIB格式与Ethernet格式相互转换的软件 将这个控制器模块安装上传感器或数据采集仪器 就可以和Internet互通了 目前 包括Siemens Infineon Philips与Motorola在内的数十家大公司联合成立了 嵌入式Internet联盟 ETI 共同推动着嵌入式Internet技术和市场的发展 具有Internet Intranet功能的网络化智能传感器技术已经不再停留在论证阶段或实验室阶段 越来越多的成本低廉且具备Internet Intranet网络化功能的智能传感器 执行器不断地涌向市场 正在并且将要更多更广地影响着人类生活 基于以太网的智能网络传感器应用于广东省农业现代化环境因子测控平台中的设备连接图 四 IEEE1451网络化智能传感器标准 4 20mA电流环 如RS 485总线 全数字 开放式 双向通信网络 规范网络化智能传感器接口 在工业现场 用一个仪表放大器来完成信号的调理并进行长线传输 会产生以下问题 第一 由于传输的信号是电压信号 传输线会受到噪声的干扰 第二 传输线的分布电阻会产生电压降 第三 在现场如何提供仪表放大器的工作电压也是个问题 为了解决上述问题和避开相关噪声的影响 我们用电流来传输信号 因为电流对噪声并不敏感 4 20mA的电流环便是用4mA表示零信号 用20mA表示信号的满刻度 而低于4mA高于20mA的信号用于各种故障的报警 环的概念 要出去两根线进行传输 到达处理器之后要接上负载电阻 以供AD采样 正好构成一个环状 二线制传输方式中 供电电源 负载电阻 变送器是串联的 即二根导线同时传送变送器所需的电源和输出电流信号 二线制变送器原理图如图所示 三线制方式中 电源正端和信号输出的正端 它们共用一个地线 一根正电源线 两根信号线 其中一根共GND 三线制原理图如图所示 四线制方式中 供电电源 负载电阻是分别与变送器相连的 即供电输出信号分别用二根导线传输 四线制变送器原理图如图所示 在电流环路中 传感器的输出电压首先按比例转换成电流 远端接收器将4 20mA电流又转换为电压 利用计算机或显示模块做进一步处理 典型的4 20mA电流环电路包括四个部分 传感器 变送器 电压 电流转换器 环路电源和接收器 监视器 在环路供电的应用中 传感器驱动电压 电流转换器 其他三个部分串联连接 构成闭环回路 这种直通式电流环接口电路 20mA电流回路方法的最大优点是低阻传输线 对电气噪声不敏感 而且易于实现光电隔离 在长距离通信时比RS 232C要好 尽管其抗干扰能力比RS 232C接口强 但由于其两端之间是共地的 仍难免产生干扰信号 所以 在通信距离较远时 特别是在干扰源较多 干扰信号较强的工业现场应用情况下 大都在收发两端之间采用光电隔离技术 智能型4 20mA变送器传统上 4 20mA变送器包括一个安装在现场的器件 该器件感测物理参数并产生4 20mA标准范围内的比例电流 为适应工业需求 出现了称作 智能型变送器 的第二代4 20mA变送器 这种变送器采用微控制器 C 和数据转换器调理远端信号 智能型变送器可以对增益和失调进行校准 通过将传感器模拟信号数字化 如RTD传感器和热电偶 实现线性化处理 用驻留在 C内部的数学算法处理信号 再将数字信号转换回模拟信号 结果以标准电流的形式沿环路传输 最新的第三代4 20mA变送器 下图 被认为是 增强型智能 变送器 它们增加了与4 20mA信号共享双绞线的数字通信功能 所提供的通信通道在传输传感器数据的同时 还可传输控制和诊断信号 继模拟仪表控制系统 集中式数字控制系统 分布式控制系统之后 基于各种现场总线标准的分布式测量和控制系统得到了广泛的应用 这些系统所采用的控制总线网络多种多样 千差万别 其内部结构 通讯接口 通讯协议等各不相同 基于现场总线的各种测控系统 目前市场上 在通讯方面所遵循的标准主要有 IEEE803 2 以太网 IEEE802 4 令牌总线 IEEEFDDI 光纤分布式数据界面 TCP IP 传输控制协议 互联协议 等 以此来连接各种变送器 包括传感器和执行器 要求所选的传感器 执行器必须符合上述标准总线的有关规定 一般说来 这类测控系统的构成都可以采用如下图所示的结构来描述 图2一种分布式测控系统结构示意图该图简单地表示了一种分布式测量和控制系统的典型应用事例 是目前市场比较常见的现场总线系统结构图 上述测控系统的不足之处 实际上 由于这种系统的构造和设计是基于各种网络总线标准而定的 如I2C HART SPI LonWorks及CAN等 每种总线标准都有自己规定的协议格式 相互之间互不兼容 给系统的扩展 维护等带来不利的影响 对传感器 执行器的生产厂家来说 希望自己的产品得到更大的市场份额 产品本身就必须符合各种标准的规定 因此需花费很大的精力来了解和熟悉这些标准 同时要在硬件的接口上符合每一种标准的要求 这无疑将增加制造商的成本 对于系统集成开发商来说 必须充分了解各种总线标准的优缺点并能够提供符合相应标准规范的产品 选择合适的生产厂家提供的传感器或执行器使之与系统匹配 对于用户来说 经常根据需要来扩展系统的功能 要增加新的智能传感器或执行器 选择的传感器 执行器就必须能够适合原来系统所选择的网络接口标准 但在很多情况下很难满足 因为智能传感器 执行器的大多数厂家都无法提供满足各种网络协议要求的产品 如果更新系统 将给用户的投资利益带来很大的损失 多种多样的现场总线标准 增加了传感器厂商的投资 系统集成变得复杂 降低了系统的可维护性 现场总线标准化解决问题思路 传感器设计标准化解决问题思路 网络化智能传感器的未来及其应用前景 IEEE1451标准的诞生 针对前述情况 1993年开始有人提出构造一种新的通用智能化变送器标准 1995年5月给出了相应的标准草案和演示系统 经过几来的努力 终于在1997年9月通过了国际电气电子工程师协会IEEE TheInstituteofElectricalandElectronicsEngineers 认可 并最终成为一种通用标准 即IEEE1451 2 智能化网络变送器接口标准的实行 将有效地改变目前多种现场总线网络并存而让变送器制造商无所适从的现状 智能化传感器 执行器在未来的分布式网络控制系统中将得到广泛的应用 对于智能网络化传感器接口内部标准和软硬件结构 IEEE1451标准中都作出了详细的规定 该标准的通过 将大大简化由传感器 执行器构成的各种网络控制系统 并能够最终实现各个传感器 执行器厂家的产品相互之间的互换性 IEEE1451标准的发展历程 1993年9月 IEEE第九技术委员会即传感器测量和仪器仪表技术协会接受了制定一种智能传感器通讯接口的协议 1994年3月 美国国家标准技术协会NIST TheNationalInstitutefStandardandTechnology 和IEEE共同组织一次关于制定智能传感器接口和制定智能传感器连接网络通用标准的研讨会 从这以后连续主办了四次关于这方面问题讨论的一系列研讨会场 直到1995年4月 成立了两个专门的技术委员会 P1451 1工作组和P1451 2工作组 IEEE1451 2的一种系统结构框图 P1451 1工作组主要负责智能变送器的公共目标模型进行定义和对相应模型的接口进行定义 P1451 2工作组主要定义TEDS和数字接口标准 包括STIM和NACP之间的通讯接口协议和管脚定义分配 1 智能变送器模块 SmartTransducerInterfaceModule STIM 一个STIM可以拥有多达255通道的传感器或执行器 2 网络应用处理器 NetworkedapableApplicationProcessor NCAP NCAP是介于STIM和现场网络之间的控制模块 STIM工作时通过NCAP连接到通信网络 NCAP可以对来自STIM或者客户端的原始数据进行校正和补偿 3 智能独立接口 TransducerIndependentInterface TII TII是NCAP和STIM之间的硬件接口 4 电子数据表格 TransducerElectronicDataSheet TEDS 它描述了STIM总体和传感器各通道的相关参数 是IEEE1451协议的精华之一 5 校正引擎 CorrectionEngine CE 校正引擎是指应用特定的数学函数将来自一个或多个STIM的数据或者来自其他途径的数据融合起来 应用数学公式或者存储的多项式系数为校准通道校正出一个精确的数据 体现了传感器智能 6 传感器类型 IEEE1451协议标准对传感器进行了分类 主要分为6种类型 Sensor Actuator BufferedSensor DataBufferredSensor BufferredDataSequenceSensor及EventSequenceSensor IEEE1451网络化智能传感器模型 IEEE1451协议族体系结构 IEEE1451协议族各标准模型 1998底 技术委员会针对大量的模拟量传输方式的测量控制网络及小空间数据交换问题 成立了另外两个工作组P1451 3 P1451 4 P1451 3负责制定与模拟量传输网络与智能网络化传感器的接口标准 P1451 4负责制定小空间范围内智能网络化传感器相互之间的互联标准 采用IEEE1451 4标准的主要目的如下 通过提供一个与传统传感器兼容的通用IEEE1451 4传感器通信接口使得传感器具有即插即用功能 简化了智能传感器的开发 简化了仪器系统的设置与维护 在传统仪器与智能混合型 smartmixed mode 传感器之间提供了一个桥梁 使得内存容量小的智能传感器的应用成为可能 虽然许多混合型 即能非同时地以模拟和数字的方式进行通信 智能传感器的应用已经得到发展 但是由于没有统一的标准 市场接受起来比较缓慢 一般来说 市场可接受的智能传感器接口标准不但要适应智能传感器与执行器的发展 而且还要使开发成本低 因此 IEEE1451 4就是一个混合型的智能传感器接口的标准 它使得工程师们在选择传感器时不用考虑网络结构 这就减轻了制造商要生产支持多网络的传感器的负担 也使得用户在需要把传感器移到另一个不同的网络标准时可减少开销 IEEE1451 4标准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 这也推动了含有传感器的即插即用系统的开发 1451网络传感器检测系统设计 对传感器进行自动识别 学习 完成信息获取 信息网 NCAP 1451智能传感器 构建的传感器网络演示系统示意图 远程温度监控系统的构建 以太网NCAP和温度STIM即插即用组成一个完整的网络化温度智能传感器节点 节点可以与HUB直接相连 接入Internet网络 矿井安全监控系统 基于以太网络 通过光纤进行信息传输 构建地下信息高速公路 系统不仅可以监测瓦斯 有毒气体等安全信息 控制井下设备 而且可以通过视频 音频等多媒体信息对井下进行监控 IEEE1451系列标准的发展动向 IEEE和NIST