基于IEEE1451標(biāo)準(zhǔn)的IP傳感器的設(shè)計與實現(xiàn)引言計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與智能傳感器技術(shù)的結(jié)合首次產(chǎn)生了網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器這一全新概念。傳感器可以象其它網(wǎng)絡(luò)設(shè)備一樣作為一個獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)直接在網(wǎng)絡(luò)上傳輸、發(fā)布與共享數(shù)據(jù),可在網(wǎng)絡(luò)上任何節(jié)點(diǎn)對現(xiàn)場傳感器進(jìn)行在線編程和組態(tài)。這種結(jié)合極大地促進(jìn)了傳感器技術(shù)的發(fā)展和信息化的進(jìn)程。現(xiàn)場總線技術(shù)的應(yīng)用促進(jìn)了傳感器向智能化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。在自動化過程的測量控制級,眾多的智能傳感器通過現(xiàn)場總線連接在一起構(gòu)成分布式網(wǎng)絡(luò)化測控系統(tǒng)。然而由于歷史的原因,國際上并沒有一個統(tǒng)一的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn),現(xiàn)存的Profibus,FF,Lonworks,HART和CAN等多種總線標(biāo)準(zhǔn)之間協(xié)議互不兼容,互操作性差,各種現(xiàn)場總線產(chǎn)品既不能互連互換,也不能統(tǒng)一組態(tài),給系統(tǒng)的擴(kuò)展、維護(hù)等帶來不利的影響。要保證所設(shè)計的傳感器完全滿足這些協(xié)議比較困難甚至根本不可能,從而大大限制了網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器在工業(yè)上的推廣應(yīng)用。業(yè)界迫切需要一個具有廣闊應(yīng)用前景并能被廣泛接受的傳感器接口標(biāo)準(zhǔn),以解決傳感器之間以及傳感器與網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)問題。1基于IEEE1451標(biāo)準(zhǔn)的智能傳感器1994年IEEE和NIST聯(lián)合發(fā)起合作制訂“智能傳感器接口標(biāo)準(zhǔn)IEEE1451”。經(jīng)過多年的努力,分別于1997年和1999年通過了IEEE1451.2和IEEE1451.1網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器標(biāo)準(zhǔn),同時成立P1451.3和P1451.4工作組對IEEE1451.2標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行進(jìn)一步的擴(kuò)展。IEEE1451標(biāo)準(zhǔn)得到了包括波音、惠普等在內(nèi)的一些大公司的積極支持。采用通用的A/D或D/A轉(zhuǎn)換裝置作為智能傳感器接口模塊STIM的I/O接口,將應(yīng)用的各種傳感器的模擬量轉(zhuǎn)換成具有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定格式的數(shù)據(jù),連同傳感器電子數(shù)據(jù)表TEDS與網(wǎng)絡(luò)適配器NCAP連接,使得傳感器數(shù)據(jù)可以按網(wǎng)絡(luò)規(guī)定的協(xié)議登臨網(wǎng)絡(luò)而成為網(wǎng)絡(luò)的一個獨(dú)立節(jié)點(diǎn),并具有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的組態(tài)性和互操作性。TEDS存儲了描述一個STIM所需的全部信息:制造商、數(shù)據(jù)格式、物理單位、序列號、測量范圍以及校正系數(shù)等。這些數(shù)據(jù)可以提供給NCAP或系統(tǒng)的其它部分,以用于STIM的自我描述與校正。IEEE1451標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用極大地簡化了網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器設(shè)計。2基于嵌入式Internet的IP傳感器2.1IP傳感器的提出IEEE1451標(biāo)準(zhǔn)在很大程度上促進(jìn)了網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器技術(shù)的發(fā)展。然而,自1997年IEEE1451.2標(biāo)準(zhǔn)頒布以來,該標(biāo)準(zhǔn)并沒有得到廣大傳感器制造商的支持,對該標(biāo)準(zhǔn)的探討還主要停留在學(xué)術(shù)研究的層面上,難以獲得實際的應(yīng)用。究其原因,主要表現(xiàn)在以下幾方面。a.網(wǎng)絡(luò)協(xié)議難以統(tǒng)一。IEEE1451.1標(biāo)準(zhǔn)提出的網(wǎng)絡(luò)獨(dú)立信息模型,從理論上解決了多種總線協(xié)議之間互不兼容和不能互操作所帶來的傳感器接口問題。然而,在各總線技術(shù)廠商為維護(hù)自身利益仍各自為陣,不愿推廣使用的情況下,該標(biāo)準(zhǔn)難有作為。b.傳感器獨(dú)立接口不具有廣闊的應(yīng)用前景。IEEE1451.2標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了一個以串行外設(shè)接口協(xié)議為基礎(chǔ)的數(shù)字接口標(biāo)準(zhǔn)TII,對于高速、高精的A/D和D/A轉(zhuǎn)換器以及其它的高頻場合,該接口將難以勝任。c.NCAP過于復(fù)雜而不易低成本實現(xiàn)。IEEE1451.1標(biāo)準(zhǔn)定義的網(wǎng)絡(luò)獨(dú)立信息模型是一個較為完整的通用模型,從實際應(yīng)用的角度考慮,該模型過于復(fù)雜,難以實現(xiàn),缺乏一個功能相對簡單的智能傳感器信息模型。值得關(guān)注的是,相對于復(fù)雜和昂貴的NCAP,可以低成本實現(xiàn)的STIM,得到了眾多傳感器用戶的喜愛,并推動網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器標(biāo)準(zhǔn)從基于專有的總線技術(shù)向有著更加廣闊應(yīng)用空間的以太網(wǎng)方向發(fā)展。這種發(fā)展必將帶來一個新的“事實上的”網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器標(biāo)準(zhǔn)。此外,硅微電子技術(shù)的成熟使得在單個芯片中實現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的微電子機(jī)械系統(tǒng)成為現(xiàn)實,不僅解決了嵌入式微控制器與Internet連接的技術(shù)問題,同時也使得這種連接費(fèi)用降低到工業(yè)應(yīng)用可以接受的程度。這種技術(shù)的發(fā)展促使了基于嵌入式Internet的網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器的出現(xiàn),稱之為IP傳感器。IP傳感器是指基于標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP協(xié)議,采用模塊化結(jié)構(gòu)將傳感器和嵌入式Inter2net技術(shù)有機(jī)地結(jié)合起來的一種新型的網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器,并作為一個獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)直接與計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信,從而使現(xiàn)場測控數(shù)據(jù)就近登臨網(wǎng)絡(luò),在網(wǎng)絡(luò)所能及的范圍內(nèi)實時發(fā)布和共享