符合IEEE1451標準的IP傳感器的設計方案介紹

0 引言 　　計算機網(wǎng)絡(luò )技術(shù)與智能傳感器技術(shù)的結合首次產(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 )設備一樣作為一個(gè)獨立的網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)直接在網(wǎng)絡(luò )上傳輸、發(fā)布與共享數據,可在網(wǎng)絡(luò )上任何節點(diǎn)對現場(chǎng)傳感器進(jìn)行在線(xiàn)編程和組態(tài)。這種結合極大地促進(jìn)了傳感器技術(shù)的發(fā)展和信息化的進(jìn)程?，F場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的應用促進(jìn)了傳感器向智能化、網(wǎng)絡(luò )化方向發(fā)展。在自動(dòng)化過(guò)程的測量控制級,眾多的智能傳感器通過(guò)現場(chǎng)總線(xiàn)連接在一起構成分布式網(wǎng)絡(luò )化測控系統。然而由于歷史的原因,國際上并沒(méi)有一個(gè)統一的現場(chǎng)總線(xiàn)標準,現存的Profibus,FF,Lonworks,HART和CAN等多種總線(xiàn)標準之間協(xié)議互不兼容,互操作性差,各種現場(chǎng)總線(xiàn)產(chǎn)品既不能互連互換,也不能統一組態(tài),給系統的擴展、維護等帶來(lái)不利的影響。要保證所設計的傳感器完全滿(mǎn)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)上的推廣應用。

業(yè)界迫切需要一個(gè)具有廣闊應用前景并能被廣泛接受的傳感器接口標準,以解決傳感器之間以及傳感器 與網(wǎng)絡(luò )的互聯(lián)問(wèn)題。 1　基于IEEE1451標準的智能傳感器 　　1994年IEEE和NIST聯(lián)合發(fā)起合作制訂“智能傳感器接口標準IEEE1451”。經(jīng)過(guò)多年的努力,分別于1997年和1999年通過(guò)了IEEE1451.2和IEEE1451.1網(wǎng)絡(luò )化智能傳感器標準,同時(shí)成立P1451.3和P1451.4工作組對IEEE1451.2標準進(jìn)行進(jìn)一步的擴展。IEEE1451標準得到了包括波音、惠普等在內的一些大公司的積極支持。采用通用的A/D或D/A轉換裝置作為智能傳感器接口模塊STIM的I/O接口,將應用的各種傳感器的模擬量轉換成具有標準規定格式的數據,連同傳感器電子數據表TEDS與網(wǎng)絡(luò )適配器NCAP連接,使得傳感器數據可以按網(wǎng)絡(luò )規定的協(xié)議登臨網(wǎng)絡(luò )而成為網(wǎng)絡(luò )的一個(gè)獨立節點(diǎn),并具有網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的組態(tài)性和互操作性。TEDS存儲了描述一個(gè)STIM所需的全部信息:制造商、數據格式、物理單位、序列號、測量范圍以及校正系數等。這些數據可以提供給NCAP或系統的其它部分,以用于STIM的自我描述與校正。IEEE1451標準的應用極大地簡(jiǎn)化了網(wǎng)絡(luò )化智能傳感器設計。 2　基于嵌入式Internet的IP傳感器 2.1　IP傳感器的提出 　　

IEEE1451標準在很大程度上促進(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標準頒布以來(lái),該標準并沒(méi)有得到廣大傳感器制造商的支持,對該標準的探討還主要停留在學(xué)術(shù)研究的層面上,難以獲得實(shí)際的應用。

究其原因,主要表現在以下幾方面。 　　a.網(wǎng)絡(luò )協(xié)議難以統一。IEEE1451.1標準提出的網(wǎng)絡(luò )獨立信息模型,從理論上解決了多種總線(xiàn)協(xié)議之間互不兼容和不能互操作所帶來(lái)的傳感器接口問(wèn)題。然而,在各總線(xiàn)技術(shù)廠(chǎng)商為維護自身利益仍各自為陣,不愿推廣使用的情況下,該標準難有作為。 　　b.傳感器獨立接口不具有廣闊的應用前景。IEEE1451.2標準規定了一個(gè)以串行外設接口協(xié)議為基礎的數字接口標準TII,對于高速、高精的A/D和D/A轉換器以及其它的高頻場(chǎng)合,該接口將難以勝任。 　　c.NCAP過(guò)于復雜而不易低成本實(shí)現。IEEE1451.1標準定義的網(wǎng)絡(luò )獨立信息模型是一個(gè)較為完整的通用模型,從實(shí)際應用的角度考慮,該模型過(guò)于復雜,難以實(shí)現,缺乏一個(gè)功能相對簡(jiǎn)單的智能傳感器信息模型。 　　

值得關(guān)注的是,相對于復雜和昂貴的NCAP,可以低成本實(shí)現的STIM,得到了眾多傳感器用戶(hù)的喜愛(ài),并推動(dòng)網(wǎng)絡(luò )化智能傳感器標準從基于專(zhuān)有的總線(xiàn)技術(shù)向有著(zhù)更加廣闊應用空間的以太網(wǎng)方向發(fā)展。這種發(fā)展必將帶來(lái)一個(gè)新的“事實(shí)上的”網(wǎng)絡(luò )化智能傳感器標準。此外,硅微電子技術(shù)的成熟使得在單個(gè)芯片中實(shí)現復雜結構的微電子機械系統成為現實(shí),不僅解決了嵌入式微控制器與Internet連接的技術(shù)問(wèn)題,同時(shí)也使得這種連接費用降低到工業(yè)應用可以接受的程度。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,稱(chēng)之為IP傳感器。IP傳感器是指基于標準的TCP/IP協(xié)議,采用模塊化結構將傳感器和嵌入式Inter2net技術(shù)有機地結合起來(lái)的一種新型的網(wǎng)絡(luò )化智能傳感器,并作為一個(gè)獨立的網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)直接與計算機網(wǎng)絡(luò )通信,從而使現場(chǎng)測控數據就近登臨網(wǎng)絡(luò ),在網(wǎng)絡(luò )所能及的范圍內實(shí)時(shí)發(fā)布和共享。敏感元件輸出的模擬信號經(jīng)A/D轉換及數據處理后,由網(wǎng)絡(luò )協(xié)議處理器實(shí)現TCP/IP數據包的封裝和網(wǎng)絡(luò )化傳輸。反過(guò)來(lái),網(wǎng)絡(luò )協(xié)議處理器又能接受網(wǎng)絡(luò )上其它節點(diǎn)傳給自己的數據和命令,實(shí)現對本節點(diǎn)的操作。 2.2　IP傳感器原型實(shí)現 　　

為了簡(jiǎn)化設計,降低成本,IP傳感器在IEEE1451.1標準基礎上對智能傳感器信息模型進(jìn)行了裁剪,保留了IEEE1451.2標準的STIM結構和功能,并對TEDS進(jìn)行了擴展,以TCP/IP網(wǎng)絡(luò )協(xié)議為載體,借助以太網(wǎng)傳輸傳感器數據。IP傳感器在整體結構上主要由兩大部分構成:智能傳感器接口模塊STIM和網(wǎng)絡(luò )協(xié)議處理器模塊NPPM。NPPM主要用于TCP/IP協(xié)議報文的收發(fā)和解析。一方面,接收其它網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的數據和命令,進(jìn)行報文解析后將指令交由STIM執行;另一方面,接收STIM的數據,完成報文封裝后傳輸給指定的網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)。 　　

這里,網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)既可以是一臺PC機,也可以是其它的IP傳感器。顯然IP傳感器實(shí)質(zhì)上就是將STIM和NPPM集成在一起的一個(gè)具有以太網(wǎng)通訊功能的嵌入式設備,STIM用于傳感器接口部分,NPPM用于網(wǎng)絡(luò )接口部分。為了協(xié)調STIM和NPPM之間的數據通訊,IP傳感器摒棄了難以實(shí)現的以同步串行數據傳送協(xié)議為基礎的TII接口,基于ISA標準設計了一個(gè)雙端口數據緩沖器DPBI來(lái)保證2者之間可靠的數據交換和STIM擴展?；谕ㄓ玫?位微處理器所開(kāi)發(fā)的IP傳感器,是以UBICOM公司的SX52BD為基礎實(shí)現了簡(jiǎn)化的智能傳感器信息模型NPPM,在A(yíng)DI公司ADUC812的基礎上完成了IEEE1451.2標準兼容的STIM結構,ADUC812內置的閃速數據存儲器用于TEDS實(shí)現以支持分布式網(wǎng)絡(luò )環(huán)境下IP傳感器的自識別和自描述。IP傳感器具有如下優(yōu)點(diǎn)。 　　a.以當今最為流行的網(wǎng)絡(luò )通信協(xié)議TCP/IP為載體,利用廉價(jià)的Internet傳輸傳感器數據。這意味著(zhù)IP傳感器有著(zhù)更為廣闊的應用空間。 　　b.TCP/IP協(xié)議的應用使得技術(shù)人員可通過(guò)瀏覽器對IP傳感器進(jìn)行在線(xiàn)管理和組態(tài)。這意味著(zhù)基于以太網(wǎng)實(shí)施分布式網(wǎng)絡(luò )化測控成為可能。 c.IP傳感器具有的“即插即用”使得其能被動(dòng)態(tài)的插拔到現有系統,而無(wú)須變動(dòng)任何的網(wǎng)絡(luò )結構。這意味著(zhù)測控系統可以根據需要動(dòng)態(tài)構建和重組。 　　d.IEEE1451.2標準的開(kāi)放性使得基于這個(gè)標準的IP傳感器將具有很大的柔性。意味著(zhù)基于IP傳感器的系統具有良好的可擴展性和可維護性。典型的基于IP傳感器的分布式測量控制系統是由一個(gè)公共的網(wǎng)絡(luò )將多個(gè)IP傳感器、控制節點(diǎn)及中央控制單元連接在一起。IP傳感器用來(lái)實(shí)現參數測量并將數據傳送給網(wǎng)絡(luò )中的其它節點(diǎn),控制節點(diǎn)是根據需要從網(wǎng)絡(luò )中獲取所需要的數據,并根據這些數據制訂相應的控制方法和執行相應的控制輸出。整個(gè)系統中,每個(gè)傳感器節點(diǎn)和控制節點(diǎn)是相互獨立且能夠自治,控制節點(diǎn)和IP傳感器的數目視應用要求而定,并能根據需要動(dòng)態(tài)增加和減少。網(wǎng)絡(luò )的選擇既可以是企業(yè)內部的以太網(wǎng),也可以直接是Internet。 3　IP傳感器網(wǎng)絡(luò )時(shí)延分析 　　IP傳感器是以TCP/IP協(xié)議為載體借助以太網(wǎng)傳輸數據的,其數據傳輸性能不可避免地受到網(wǎng)絡(luò )時(shí)延的限制,而且將直接影響到IP傳感器能否獲得廣泛的實(shí)際應用。在網(wǎng)絡(luò )化測控系統中,IP傳感器和控制節點(diǎn)通過(guò)以太網(wǎng)連接在一起。不同的路由選擇使得傳感器數據包沿著(zhù)不同的線(xiàn)路傳輸,加上CSM/ACD固有的傳輸不確定性導致了IP傳感器數據傳輸的不穩定性和傳輸時(shí)延的隨機性。然而隨著(zhù)交換式集線(xiàn)路的使用、以太網(wǎng)數據傳輸速率的提高,這個(gè)問(wèn)題已得到重要改善。通過(guò)限制網(wǎng)絡(luò )負載,可大大降低發(fā)生數據沖突的概率,特別是在低負載的局域網(wǎng)應用場(chǎng)合,IP傳感器還具有廣闊的應用空間。大致上講,基于以太網(wǎng)的分布式傳感器網(wǎng)絡(luò )中,設IP傳感器總的網(wǎng)絡(luò )時(shí)延為T(mén)TOT,則有: TTOT=Tc+Tv+Tp 式中　 Tc———通訊時(shí)延 Tv———擾動(dòng)時(shí)延 Tp———執行時(shí)延 　　顯然,僅Tc和Tv受網(wǎng)絡(luò )通訊影響,是IP傳感器網(wǎng)絡(luò )時(shí)延分析的主要研究?jì)热?。值得一提的?網(wǎng)絡(luò )時(shí)延強烈依賴(lài)于網(wǎng)絡(luò )負載,要構造精確的網(wǎng)絡(luò )時(shí)延數學(xué)模型非常困難,在微觀(guān)上沒(méi)有規律可遵循,而只能從宏觀(guān)上研究其統計特征。 4　試驗與結果分析 　　在Internet應用中,控制報文協(xié)議ICMP主要用于測試目的主機的網(wǎng)絡(luò )可達性,任何收到ICMP回送請求的主機都將形成回送應答并把它返還給最初的發(fā)送者,所返回的數據往返時(shí)間RTT實(shí)際上是數據包從源端被發(fā)送到目的機后并返回源端的時(shí)間總和,可近似反映Tc,Tv總和的變化。