智能传感技术

1、第第1414章章 智能传感技术智能传感技术v14.1 智能传感器概述智能传感器概述v14.2 智能传感器的关键技术智能传感器的关键技术 v14.3 智能传感器系统的总线标准智能传感器系统的总线标准 v14.4 智能传感器技术新发展智能传感器技术新发展 智能传感技术是涉及微机械电子技术、计算机技术、信号处理技术、传感技术与人工智能技术等多种学科的综合密集型技术，它能实现传统传感器所不能完成的功能。智能传感器是21世纪最具代表性的高新科技成果之一。 本章首先介绍智能传感器的基本概念基本概念、结构结构、主要功主要功能能及特点特点，然后阐述智能传感器的实现途径实现途径及智能传感器(包括实例)的总线标准

2、总线标准，最后概述智能传感器的新技术新技术与发展趋势发展趋势。引言引言早期认识 人们简单地认为智能传感器是将“传感器与微处理器传感器与微处理器组装在同一块芯片上的装置组装在同一块芯片上的装置”。后来定义 智能传感器是“将一个或多个敏感元件和信号处理器将一个或多个敏感元件和信号处理器集成在同一块硅或砷化锌芯片上的装置集成在同一块硅或砷化锌芯片上的装置”； 智能传感器是“一种带微处理机并具有检测、判断、一种带微处理机并具有检测、判断、信息处理、信息记忆、逻辑思维等功能的传感器信息处理、信息记忆、逻辑思维等功能的传感器”。14.1.1 智能传感器概念智能传感器概念主要由传感器传感器、微处理器微处理器

3、（或微计算机）及相关电路相关电路组成14.1.2 智能传感器的结构智能传感器的结构图14-1 智能传感器基本结构框图 智能传感器比传统传感器在功能上有极大提高，几乎包括仪器仪表的全部功能仪器仪表的全部功能，主要表现在： 逻辑判断、统计处理功能 自检、自诊断和自校准功能 软件组态功能 双向通信和标准化数字输出的功能 人机对话功能 信息存储与记忆功能14.1.3 智能传感器的功能智能传感器的功能 间接传感间接传感是指利用一些容易测得的过程参数或物理参数，通过寻找这些过程参量或物理参数与难以直接检测的目标被测变量的关系，建立测量模型，采用各种计算方法，用软件实现待测变量的测量用软件实现待测变量的测量

4、。 智能传感器间接传感核心在于建立传感模型建立传感模型。目前建立模型的方法：(1) 基于工艺机理的建模方法(2) 基于数据驱动的建模方法(3) 混合建模方法14.2.1 间接传感间接传感 智能传感器具有通过软件对前端传感器前端传感器进行非线性的非线性的自动校正功能自动校正功能，即能够实现传感器输入输入- -输出的线性化输出的线性化。14.2.2 非线性的线性化校正非线性的线性化校正图14-2 智能传感器线性化校正原理框图 图14-3 智能传感器输入-输出特性线性化原理 智能传感器自诊断技术俗称“自检自检”，要求对智能传感器自身各部件，包括软件和硬件进行检测，如ROM、RAM、寄存器、插件、A/

5、D及D/A转换电路及其它硬件资源等的自检验，以及验证传感器能否正常工作，并显示相关信息。 对传感器进行故障诊断主要以传感器的输出值传感器的输出值为基础的，主要有：(1) 硬件冗余诊断法(2) 基于数学模型的诊断法(3) 基于信号处理的诊断法(4) 基于人工智能的故障诊断法14.2.3 自诊断自诊断 在智能传感器中，对传感器进行动态校正的方法多是用一个附加的校正环节校正环节与传感器相联（如图14-7），使合成的总传递函数达到理想达到理想或近乎理想近乎理想(满足准确度要求)状态。 14.2.4 动态特性校正动态特性校正图14-7 动态校正原理示意图 目前对传感器的特性进行提高的软件方法主要有： 将

6、传感器的动态特性用低阶微分方程低阶微分方程来表示； 按传感器的实际特性建立补偿环节建立补偿环节。 自校准自校准 传感器的自校准采用各种技术手段来消除传感器的各种漂移，以保证测量的准确。自校准在一定程度上相当于每次测量前的重新定标重新定标,它可以消除传感器系统的温度漂移温度漂移和时间漂移时间漂移。 自适应量程自适应量程 智能传感器的自适应量程，要综合考虑被测量的数值范围，以及对测量准确度、分辨率的要求诸因素来确定增益增益( (含衰减含衰减) )档数的设定档数的设定和确定切确定切换档的准则换档的准则，这些都依具体问题而定。14.2.5 自校准与自适应量程自校准与自适应量程图14-9 自适应量程电路

7、 随着现代电子科学技术向高频高频、高速高速、高灵敏度高灵敏度、高安高安装密度装密度、高集成度高集成度、高可靠性高可靠性方面发展，电磁兼容性作为智能传感器的性能指标，受到越来越多的重视。 要求传感器在同一时空环境的其它电子设备相互兼容，既不受电磁干扰的影响不受电磁干扰的影响，也不会对其它电子设备产生影响不会对其它电子设备产生影响。 一般来说，抑制传感器电磁干扰可以从以下几个方面考虑： 一是削弱和减少噪声信号的能量； 二是破坏干扰的路径； 三是提高线路本身的抗干扰能力。14.2.6 电磁兼容性电磁兼容性 智能传感器标志之一是具有数字标准化数据通信接口数字标准化数据通信接口，能与计算机直接或接口总线

8、相连，相互交换信息。 结合到智能传感器总线技术的实际状况以及逐步实现标准化、规范化的趋势，本节按基于典型芯片级的总线芯片级的总线、USBUSB总线总线和IEEE1451IEEE1451智能传感器接口标准智能传感器接口标准来叙述智能传感器总线标准。14.3 智能传感器系统的总线标准智能传感器系统的总线标准 1-Wire总线简介 1-Wire总线采用一种特殊的总线协议，通过单条单条连接线解决了控制、通信和供电，具备电子标识、传感器、控制和存储等多种功能器件，提供传统的IC 封装、超小型CSP、不锈钢铠装iButtons等新型封装。 具有结构简单、成本低、节省I/O资源、便于总线扩展和维护等优点，适

9、用于单个主机系统控制一个或多个从机设备，在分布式低速测控系统（约100kbit/s100kbit/s 以下的速率）中有着广泛应用。14.3.1 基于典型芯片级的总线基于典型芯片级的总线 1-Wire总线硬件结构14.3.1 基于典型芯片级的总线基于典型芯片级的总线序列号接收发射电源单总线电源地微处理器TxVcc1-Wire总线5ARxTx MOSFET1-Wire端口Rx4.7k100图14-10 硬件结构 图14-11 内部等效电路 1-Wire总线时序14.3.1 基于典型芯片级的总线基于典型芯片级的总线(a) 初始化时序图 1-Wire1-Wire总线时序总线时序14.3.1 基于典型芯

10、片级的总线基于典型芯片级的总线(b) 写1时序图 1-Wire总线时序14.3.1 基于典型芯片级的总线基于典型芯片级的总线(c) 写0时序图 1-Wire总线时序14.3.1 基于典型芯片级的总线基于典型芯片级的总线(d) 读0、1时序图 基于1-Wire总线的DS18B20DS18B20型智能温度传感器14.3.1 基于典型芯片级的总线基于典型芯片级的总线图14-13 DS18B20的内部框图 图13-14 DS18B20测温原理框图 I2C总线简介 I2C（Inter-Integrated Circuit）总线是Philips公司20世纪80年代推出的一种用于IC器件之间的二线制串行扩二

11、线制串行扩展总线展总线，它可以有效地解决数字电路设计过程中所涉及到的许多接口问题。 I2C总线的特点主要表现在以下几个方面：简化硬件设计，总线只需要两根线器件地址的唯一性允许有多个主I2C器件多种通信速率模式节点可带电接入或撤出（热插拔热插拔）14.3.1 基于典型芯片级的总线基于典型芯片级的总线 I2C总线的电气结构 I2C总线接口内部为双向传输电路双向传输电路，如图13-16所示。总线端口输出为开漏结构开漏结构。 14.3.1 基于典型芯片级的总线基于典型芯片级的总线图14-16 总线的电气结构图 I2C总线时序 I2C总线上数据传递时序如图14-17所示。总线上传送的每一帧数据均为一个字

12、节一个字节。发送时，首先发送的是数据的最最高位高位。每次传送开始有起始信号，结束时有停止信号。在总线传送完一个字节后，可以通过对时钟线的控制使传送暂停。 14.3.1 基于典型芯片级的总线基于典型芯片级的总线图14-17 总线上数据传递时序图 基于I2C 接口的集成数字温度传感器LM75A 介绍一种具有 I2C 接口的集成数字温度传感器LM75A，它既可以作为温度测量装置温度测量装置使用，还可以作为温度控制装置温度控制装置使用。 14.3.1 基于典型芯片级的总线基于典型芯片级的总线图14-18 LM75A数字温度传感器的功能框图表13-1 LM75A 的管脚描述表管脚编号助记符描述1SDAI

13、2C串行双向数据线，开漏输出；2SCLI2C串行时钟输入；3OS过热关断输出，开漏输出；4GND地5A2数字输入，用户定义的地址位2；6A1数字输入，用户定义的地址位1；7A0数字输入，用户定义的地址位0；8VCC电源 SMBus总线简介 SMBus（System Management Bus）最早由Intel公司于1995年发布，它以Philips公司的I I2 2C C总线为基础总线为基础，面向于不同系统组成芯片与系统其他部分间的通讯，与I2C类似。 随着其标准的不断完善与更新，SMBus已经广泛应用于IT产品之中，另外在智能仪器智能仪器、仪表仪表和工业测控工业测控领域也得到了越来越多的应

14、用。14.3.1 基于典型芯片级的总线基于典型芯片级的总线 SMBus总线拓扑图 图14-20所示为典型的SMBus总线拓扑结构，包括5V直流电源、上拉电阻RP、由器件1（总线供电）和器件2（自供电）；数据线SMBDAT和时钟线SMBCLK（均为双向通信线双向通信线）。 14.3.1 基于典型芯片级的总线基于典型芯片级的总线图14-20SMBus拓扑图 SMBus总线通信时序 当SCL为低电平时，SDA的状态可以在数据传输过程中不断改变；但当SCL为高电平时，SDA状态的改变就有了特定的意义。 一般而言，在数据传输过程中，如果接收到 NACK信号，就表示所寻址的从器件没有准备好或不在总线上。另

15、外，SMBus总线可以工作在主、从两种方式主、从两种方式，工作方式由SMBOSTA (状态寄存器)、SMBOCN (控制寄存器)、SMBOADR(地址寄存器)和 SMBODAT(数据寄存器)所决定。14.3.1 基于典型芯片级的总线基于典型芯片级的总线 基于SMBus总线的多通道智能温度传感器MAX6697MAX6697 14.3.1 基于典型芯片级的总线基于典型芯片级的总线图14-21 MAX6697的内部结构框图 基于SMBus总线的多通道智能温度传感器MAX6697 14.3.1 基于典型芯片级的总线基于典型芯片级的总线图14-22 MAX6697的典型应用电路图 SPI总线简介 SPI

16、（Serial Peripheral Interface）总线是Motorola公司推出的一种同步串行外设接口技术。SPI接口主要应用于CPUCPU和各种外围器件之间进行通讯和各种外围器件之间进行通讯。SPI总线的特点主要表现在以下几个方面：高效的、全双工全双工、同步的通信总线；简单易用：只需要占用四根线四根线，节约管脚，为PCB布局节省了空间；可同时发出、接收串行数据串行数据；可当作主机或从机工作，频率可编程；具有写冲突保护、总线竞争保护等功能。14.3.1 基于典型芯片级的总线基于典型芯片级的总线 SPI总线的连接结构 SPI总线可以同时发送和接收串行数据发送和接收串行数据。它只需四条线四

17、条线就可以完成MCU与各种外围器件的通讯，这四条线是：串行时钟线（CSK）、主机输入/从机输出数据线（MISO）、主机输出/从机输入数据线（MOSI）、低电平有效从机选择线 。 14.3.1 基于典型芯片级的总线基于典型芯片级的总线图14-23 SPI总线连接结构图 SPI总线的时序 14.3.1 基于典型芯片级的总线基于典型芯片级的总线 基于SPI总线的智能温度传感器LM74LM74 14.3.1 基于典型芯片级的总线基于典型芯片级的总线图14-25 LM74的内部电路框图 图14-26 LM74与68HC11构成的典型电路 USB是通用串行总线（Universal Serial Bus）的

18、英文缩写。它不是一种新的总线标准，而是应用于PC领域的新型总线技术。先后已经制订了USB1.0USB1.0、USB1.1USB1.1和USB 2.0USB 2.0等规范，USB 3.0USB 3.0规范的技术样本也已经公布。USB总线如下的特点：速度快连接简单快捷 无须外接电源和低功耗支持多连接 良好的兼容性 14.3.2 USB总线总线 USB的物理接口和电气特性 USB(2.0以下版本)的电气接口由4 4条线条线构成，用以传送信号和提供电源，如图14-27所示。14.3.2 USB总线总线图14-27 USB电缆USB主机或根集线器对设备提供的对地电源电压为4.75-5.25V4.75-5

19、.25V，设备能吸入的最大电流值为500mA500mA。USB设备的电源供给有自给方式（设备自带电源）和总线供给两种方式。 USB的系统组成和拓扑结构14.3.2 USB总线总线图14-28 USB系统拓扑结构图USB主机有以下功能：管理USB系统；每毫秒产生一帧数据；发送配置请求对USB设备进行配置操作；对总线上的错误进行管理和恢复。USB外设在一个USB系统中，USB外设和集线器总数不能超过127127个个。集线器用于设备扩展连接，所有USB外设都连接在USB Hub的端口上。USB的传输方式 针对设备对系统资源需求的不同, 在USB规范中规定了4 4种不同的数据传输方式种不同的数据传输方

20、式：等时传输方式中断传输方式控制传输方式批传输方式 在这些数据传输方式中，除等时传输方式外，其他3种方式在数据传输发生错误时，都会试图重新发送数据以保证其准确性。14.3.2 USB总线总线USB交换的包格式 USB的信息传输以事务处理的形式进行，每个事务处理由标记包标记包、数据包数据包、握手包握手包3个信息包（Packed）组成。其格式如下：14.3.2 USB总线总线标记包数据包握手包以数据包中的数据字段为例，其格式如下：（MSB）（LSB） （MSB）（LSB）D7D0D1D2D3D4D5D6D7D0字节N-1字节N字节N+1USB系统软件组成 USB系统软件由主控制器驱动程序主控制器驱

21、动程序（Universal Host Controller Driver, UHCD）、设备驱动程序设备驱动程序（USB Device Driver，USBDD）和USBUSB芯片驱动程序芯片驱动程序（USB Driver, USBD）组成。 USB是使用标准Windows系统USB类驱动程序访问USB类驱动程序接口。USBD.sysUSBD.sys是Windows系统中的USB类驱动程序，它使用UHCD.sysUHCD.sys来访问通用的主控制器接口设备，或者使用OpenHCI.sysOpenHCI.sys访问开放式主控制器接口设备；USBHUB.sysUSBHUB.sys为根集线器和外部集

22、线器的USB驱动程序。14.3.2 USB总线总线 USB智能传感器 2005年日本欧姆龙公司推出带USB接口的激光型及电涡流型激光型及电涡流型两种系列的传感器，多个传感器可以共用一个USB接口。 2006年4月日本山形大学展示出新研制的“USBUSB转换器转换器”，使用该装置，可将显示物质酸、碱性程度的“氢离子浓度(pH)”等测量传感器与USB接口连接起来。 日本Thanko公司2006年推出一款USBUSB皮肤传感器皮肤传感器，通过USB线与PC相连，用户可以用它查看悄然爬上额头的第一条细纹，或者检验去头屑香波是否真的有效。 2007年安捷伦也推出Agilent U2000 系列基于USB

23、USB的功率传感器的功率传感器。14.3.2 USB总线总线USB3.USB3.0 014.3.2 USB总线总线 智能传感器发展非常迅速，不同类型的智能传感器陆续推出。美国国家标准技术研究所美国国家标准技术研究所NISTNIST和IEEEIEEE仪器与测量仪器与测量协会的传感技术委员会协会的传感技术委员会联合组织制定了IEEE1451传感器与执行器的智能变换器接口标准的系列标准，成为当前智能传感器领域的研究热点之一。IEEE 1451的特点在于：基于传感器软件应用层的可移植性；基于传感器应用的网络独立性；传感器的互换性( 即插即用即插即用)。14.3.3 IEEE1451智能传感器接口标准智

24、能传感器接口标准 IEEE1451概况 IEEE1451系列标准把数据获取、分布式传感与控制提升到了一个更高的层面，并为建立开放式系统铺平了道路。它通过一系列技术手段把传感器节点设计与网络实现分隔开来，这其中包括传感器自识别、自配置、远程自标定、长期自身自识别、自配置、远程自标定、长期自身文档维护、简化传感器升级维护以及增加系统与数据的可靠文档维护、简化传感器升级维护以及增加系统与数据的可靠性性等。 为了尽可能使智能功能接近实际测量和控制点，IEEE 1451将功能划分成网络适配处理器模块网络适配处理器模块(Network Capable Network Capable Application

25、 ProcessorApplication Processor，NCAPNCAP)和智能变换器接口模块智能变换器接口模块(Smart Smart Transducer Interface Module, STIMTransducer Interface Module, STIM )两个模块。 14.3.3 IEEE1451智能传感器接口标准智能传感器接口标准14.3.3 IEEE1451智能传感器接口标准智能传感器接口标准图14-29 IEEE1451定义的智能传感器功能模型 图14-30 分为STIM及NCAP的智能传感器模型 14.3.3 IEEE1451智能传感器接口标准智能传感器接口标

26、准 从表13-2中可以看出，目前IEEE1451变换器接口包括点对点接口点对点接口UART/RS-232/RS-422/RS-485/(IEEE P1451.2子标准)、多点分多点分布式接口布式接口（IEEE 1451.3子标准、家庭电话线联盟通信协议）、数字和模数字和模拟信号混合模式接口拟信号混合模式接口（IEEE1451.4子标准，1-wire通信协议）、蓝牙蓝牙/802.11/802.15.4/802.11/802.15.4无线接口无线接口（IEEE 1451.5子标准），CANCAN总线使用的总线使用的接口接口（IEEE P1451.6子标准，用于本质安全系统CANopen协议）、US

27、BUSB接口接口（IEEE P1451.7子标准，RFID系统通信协议）。14.3.3 IEEE1451智能传感器接口标准智能传感器接口标准14.3.3 IEEE1451智能传感器接口标准智能传感器接口标准图14-31 IEEE1451系列标准工作关系图 IEEE 1451.0 子标准IEEE 1451.0标准通过定义一个包含基本命令设置和通信协议中独立于NCAP到变换器模块接口的物理层，简化了不同物理层未来标准的制定程序，为不同的物理接口提供通用、简单通用、简单的标准。IEEE 1451.0为IEEE 1451.X提供了如下通用功能通用功能：热交换性能；状态报告；自检性能；服务响应消息；从传

28、感器阵列采集信号的同步；应用编程接口API；变换器间操作的命令集；变换器电子数据表单（TEDS）特性14.3.3 IEEE1451智能传感器接口标准智能传感器接口标准图14-32 IEEE 1451.0智能变换器接口模块图 2.IEEE 1451.1 子标准 IEEE1451.1定义了智能变换器的对象模型对象模型，用面向对象语言对传感器的行为进行描述。通过这个模型，原始传感器数据借助标定数据来进行修正并产生一个标准化的输出标准化的输出。14.3.3 IEEE1451智能传感器接口标准智能传感器接口标准图14-33 IEEE1451.1标准模型 2.IEEE 1451.1 子标准 网络适配器（N

29、CAP）NCAP包括校正机校正机、应用程序应用程序和网络通信接口网络通信接口三部分。14.3.3 IEEE1451智能传感器接口标准智能传感器接口标准图14-35 网络智能变换器模型 2.IEEE 1451.1 子标准 网络通信模式 IEEE1451.1标准提供了两种网络通信模式：用户用户/ /服务器模式服务器模式和发布发布/ /订阅模式订阅模式。网络软件提供了一个代码库，代码库含有IEEE1451.1与网络之间的呼叫例程。14.3.3 IEEE1451智能传感器接口标准智能传感器接口标准图14-36 用户/服务器模式 图14-37 发布/订阅模式 2.IEEE 1451.1 子标准 IEEE

30、1451.1实例展示了一个传感器和执行器的NCAPsNCAPs如何处理污水治理系统处理污水治理系统的例子 污水处理系统的功能分为三个NCAPs，即水位控制、pH值控制用简易的NCAPs和操作系统的一个PC NCAP。 14.3.3 IEEE1451智能传感器接口标准智能传感器接口标准图14-38 污水处理系统实例 3.IEEE 1451.2 子标准 IEEE1451.2标准提供了将传感器和变换器连接到一个数字系统,尤其是到网络的方式。该标准通过提供标准的智能传智能传感器接口模块感器接口模块（STIM）、STIMSTIM和和NCAPNCAP间的接口间的接口（TII），统一网络化智能传感器基本结构

31、。通过一个电子数据表格电子数据表格(TEDS),使传感器模块具有即插即用的兼容性。14.3.3 IEEE1451智能传感器接口标准智能传感器接口标准图14-39 IEEE 1451.2标准的变换器接口的连接规范框架3.IEEE 1451.2 子标准 智能变换器接口模块（STIM） 功能:主要是向NCAP传输数据和状态信息数据和状态信息。 一个STIM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联结，每一个STIM最多可与255255个变换器通道相联结。 通常认为变换器是变换器是STIMSTIM的一部分的一部分，这是由于为了提供关键的自辨识特征（正常使用时变换器不能与STIM分开）。 从

32、NCAP的角度来看，STIM可以看作是一个存储设备存储设备。14.3.3 IEEE1451智能传感器接口标准智能传感器接口标准3.IEEE 1451.2 子标准 电子数据表格 (TEDS) TEDS是一个用电子格式写的数据表，表格存储了所有传感器通道对应的传感器类型传感器类型、物理单位物理单位、数据模型数据模型、校正模型校正模型以及厂商厂商IDID等信息。 当NCAP读入一个STIM中TEDS数据时，NCAP可以知道与这个STIM通讯速度通讯速度、通道数通道数及每个通道上变换器的数据格式每个通道上变换器的数据格式，并且知道所测量对象的物理单位物理单位和知道怎样将所得到的原始数据转换为国际标准的

33、单位，完成传感器的即插即用即插即用。 协议定义了8 8种种数据表格，并可以自由扩展。14.3.3 IEEE1451智能传感器接口标准智能传感器接口标准3.IEEE 1451.2 子标准 变换器独立接口TII TII是IEEE1451.2协议定义的点对点数字接口，实现NCAP与STIM之间短距离同步数据传短距离同步数据传输输，它通过1010根根按照SPI标准串串行通讯方式行通讯方式的引脚连接在一起 信号线DIN、DOUT、DCLK和DIOE完成数据通信；NTRIG、NACK触发和应答信号；NINT信号用于STIM主动服务请求；NSDET用来检测STIM模块是否存在。14.3.3 IEEE1451

34、智能传感器接口标准智能传感器接口标准图14-40 TII接口信号线与控制线示意图 3.IEEE 1451.2 子标准 变换器独立接口TII14.3.3 IEEE1451智能传感器接口标准智能传感器接口标准表14-3 TII接口管脚信号定义线逻辑驱动者功能DIN正逻辑NCAP从NCAP到STIM传输地址和数据DOUT正逻辑STIM从STIM到NCAP传输数据 DCLK正逻辑NCAPDIN和DOUT上的正上升沿锁存数据IOE低电平激活NCAP启动地址或数据传输NTRIG负沿NCAP执行触发功能NACK负沿STIM有两个功能：触发应答和数据传输应答NINT负沿STIM由STIM用作向NCAP请求任务

35、NSDET低电平激活STIM由NCAP检测STIM存在与否POWERN/ANCAP提供+5V电压COMMONN/ANCAP公共端信号或地3.IEEE 1451.2 子标准国际标准单位的表示 IEEE 1451.2采用1010位的二进制代码位的二进制代码来描述变换器敏感或可执行的物理单位。 按照SI规定的7个基本物理量来表示所有被测物理量。 7个基本物理量为：长度（长度（m m）、质量（）、质量（kgkg）、时间（）、时间（s s）、电流）、电流（A A）、温度（）、温度（K K）、物质量（）、物质量（molmol）和光强（）和光强（cdcd）。14.3.3 IEEE1451智能传感器接口标准智

36、能传感器接口标准3.IEEE 1451.2 子标准校准数学模型 IEEE1451定义了校正校正TEDSTEDS并存储于STIMSTIM中。NCAP获取校正TEDS，通过校正引擎校正引擎实现传感器校正，体现了传感器“智能智能”的特点。14.3.3 IEEE1451智能传感器接口标准智能传感器接口标准图14-41 智能网络化传感器校准器一般模型3.IEEE 1451.2 子标准校准数学模型 IEEE1451. 2规定的STIM中每个通道的校准函数可以用下面多项式函数式多项式函数式表示： 式中， 表示从传感器输出或向执行器输入的变量值； 、 、 分别表示输入变量的偏移值、输入变量的阶数和多项式每一项

37、的系数，这些参数都存储在STIM的TEDS中。为了避免多项式的阶数过高，可以将曲线分成若干段（每段分别有变量多少、漂移值和系数数目等内容）。14.3.3 IEEE1451智能传感器接口标准智能传感器接口标准 )1(0)2(0)(02211,.,DiDjnDppnnjipjiHXHXHXCnXnH)(kDpjiC,.,4.IEEE 1451.3 子标准 IEEE1451.3标准，即分布式多点系统数字通信和变换器电子分布式多点系统数字通信和变换器电子数据表格式数据表格式(Digital Communication and Transducer Electronic Data Sheet(TEDS)

38、Formats for Distributed Multidrop Systems)。 定义了一个标准的物理接口标准的物理接口（该接口以多点设置的方式连接多个物理上分散的传感器），同时还定义了TEDSTEDS数据格式、电子接口、数据格式、电子接口、信道区分协议、时序同步协议信道区分协议、时序同步协议等，并且在物理上允许TEDS不被嵌入到传感器中。14.3.3 IEEE1451智能传感器接口标准智能传感器接口标准4.IEEE 1451.3 子标准 14.3.3 IEEE1451智能传感器接口标准智能传感器接口标准 图14-42 IEEE1451.3分布式多点变换器接口连接关系图 4.IEEE 1

39、451.3 子标准 14.3.3 IEEE1451智能传感器接口标准智能传感器接口标准表14-4 TBIM通信函数函数功能描述总线管理通信函数提供一个系统必需的基本能力来识别在变换器总线上的TBIM并决定它们之间的通信能力TBIM通信函数提供TBIM的通信能力，允许总线控制器控制TBIM或以比总线通信通道更快速的读取控制结构的内容数据传输函数用来从TBIM到总线控制器传输数据或从总线控制器到TBIM传输数据同步函数提供在多个TBIM之间同步行动的信息，也可作为一些系统的简单时钟，以及作为其他系统的一个更复杂的功能触发函数触发是来自总线控制器命令中的一个特殊的命令，或命令TBIM作出某些行动，或

40、者TBIM在将来的某个时间作出某些动作。这个函数提供了一个通信通道来为TBIM接受触发命令。5.IEEE 1451.4 子标准 IEEE 1451.4标准，即混合模式通信协议和变换器电子数据混合模式通信协议和变换器电子数据表格式表格式（Mixed-mode Communication Protocols and Transducer Electronic Data Sheet（TEDS）Formats）。 标准主要致力于基于已有传统的模拟量变换器连接方法，提出一个混合模式智能变换器通信协议，混合模式接口支持模拟接口对现场仪器的测量和数字接口对TEDS的读写。使用紧凑的TEDS对模拟传感器的简单

41、、低成本的连接，使传统型模拟传感器也能“即插即插即用即用”。 一个IEEE 1451.4的变换器包括一个变换器电子数据表格一个变换器电子数据表格（TEDSTEDS）和一个混合模式的接口（一个混合模式的接口（MMIMMI） 14.3.3 IEEE1451智能传感器接口标准智能传感器接口标准5.IEEE 1451.4 子标准 14.3.3 IEEE1451智能传感器接口标准智能传感器接口标准 图14-43 IEEE 1451.4智能传感器原理图 5.IEEE 1451.4 子标准 电子数据表格（TEDS） IEEE 1451.4的变换器TEDS以IEEE 1451.2的TEDS为基础，对TEDS进

42、行重新定义，以使存储单元最小化存储单元最小化。TEDS包含一个仪器设备或测量系统对传感器进行识别、校正、连接及如何正确使用传感器数据的信息。 14.3.3 IEEE1451智能传感器接口标准智能传感器接口标准表14-5 标准TEDS结构基本TEDS(64 bit)选择器（2 bit）模板号（8 bit）标准模板TEDS（ID=25-39）选择器（2 bit）扩展结束选择器（1 bit）开放的用户区表14-6 带有校准模板的标准TEDS结构基本TEDS(64 bit)选择器（2 bit）模板号（8 bit）标准模板TEDS （ID=25-39）选择器（2 bit）模板号（8 bit）校准模板TE

43、DS （ID=40-42）选择器 （2 bit）扩展结束选择器 （1 bit）开放的用户区5.IEEE 1451.4 子标准 电子数据表格（TEDS） 实际上对一个传感器的TEDS进行配置可有两种形式，一种是TEDS驻留在嵌入式的驻留在嵌入式的EEPROMEEPROM中；另一种是TEDS不放在传感器中，而以文档形式存放在本地计算机文档形式存放在本地计算机或能通过网络访问的数据库通过网络访问的数据库中，即即虚拟虚拟TEDSTEDS，这样很多的传统模拟传感器无须内置EEPROM就能实现TEDS的功能。 要在TEDS中存储有意义的信息，必须精确定义TEDS中的每个bit，对所有的传感器，基本TEDS

44、可按统一格式定义；但由于不同类的传感器要存储不同的参数，因此标准TEDS每bit的内容无法统一定义，而采用模板模板对一类传感器参数进行定义和描述。14.3.3 IEEE1451智能传感器接口标准智能传感器接口标准5.IEEE 1451.4 子标准 混合模式接口（MMI） IEEE定义了两线的类接口、多线的类接口两类混合接口模式，混合模式接口的数字部分通信协议基于Dallas公司的单总线协议。14.3.3 IEEE1451智能传感器接口标准智能传感器接口标准图14-44 类双线接口 类接口把模拟和数字两根信号线，按分时复用分时复用，主要用于恒流源恒流源供电的传感器（加速计、麦克风等），由测量系统

45、通过信号线进行恒流供电。 5.IEEE 1451.4 子标准 混合模式接口（MMI） 类接口将数字和模拟信号分开连接分开连接，即在不改变传感器的模拟输入/输出的基础上平行的加入TEDS电路，这样使得很多不适合将模拟和数字信号共用一线的传感器可以使用TEDS14.3.3 IEEE1451智能传感器接口标准智能传感器接口标准图14-45 420mA输出传感器的类多线接口 6.IEEE 1451.5 子标准 IEEE 1451.5标准，即无线通信与变送器电子数据表格式无线通信与变送器电子数据表格式（Wireless Communication Protocols and Transducer Ele

46、ctronic Data Sheet (TEDS) Formats）。 标准定义的无线传感器通信协议和相应的TEDS，旨在现有的IEEE 1451框架下，构筑一个开放的标准无线传感器接口，以满足工业自动化等不同应用领域的需求。 无线通信方式上可以采用4种标准，即：IEEE 802.11IEEE 802.11标准标准、BluetoothBluetooth标准标准、ZigBeeZigBee标准标准和6LoWPAN6LoWPAN标准标准。对于用户选择哪一种无线通信技术，还要考虑无线技术在耗电量、传输距离、数据传输速率及接收发送部件的成本等方面的因素。14.3.3 IEEE1451智能传感器接口标准智

47、能传感器接口标准6.IEEE 1451.5 子标准 IEEE1451.5标准定义了适用于各种无线通信技术的通用规范.14.3.3 IEEE1451智能传感器接口标准智能传感器接口标准 图14-46 IEEE 1451.5无线子标准功能框图 6.IEEE 1451.5 子标准 NCAP将来自外部网络的命令发送到与WTIMWTIM相连的变送器，并在它们之间传送数据。一个NCAP可以通过无线方式连接多个可以通过无线方式连接多个WTIMWTIM，一个WTIM也可与多个变送器多个变送器相连。14.3.3 IEEE1451智能传感器接口标准智能传感器接口标准图14-47 IEEE P1451.5两种典型的

48、连接方案 7.IEEE 1451.6 提议标准 IEEE P1451.6提议标准，即用于本质安全和非本质安全应用的高即用于本质安全和非本质安全应用的高速、基于速、基于CANopenCANopen协议的变换器网络接口协议的变换器网络接口（A High-speed CANopen - based Transducer Network Interface for Intrinsically Safe and Non-intrinsically Safe Applications），主要致力建立在CANopen协议网络的多通道变送器模型。 定义一个安全的CAN物理层，使IEEE1451标准的电子数据表（TEDS）和CANopen对象字典（Object Dictionary）、通信消息、数据处理、参数配置和诊断信息一一对应，使IEEE 1451标准和CANopen协议相结合，在在CANCAN总线上使用总线上使用IEEE 1451IEEE 1451标准变送器标准变送器。14.3.3 IEEE1451智能传感器接口标准智能传感器接口标准7.IEEE 1451.6 提议标准 IEEE 1451.6标准将为本质安全(IS)定义一个开放的物理层。标准中CANopen协议采用CiA DS 404设备描述。14.3.3