基于IEEE1451智能傳感器的遠程監測系統設計(一)

為了給傳感器配備一個(gè)通用的軟硬件接口，使其方便地接入各種現場(chǎng)總線(xiàn)以及Internet和Intranet，從1993年開(kāi)始，美國國家標準技術(shù)研究所和IEEE儀器與測量協(xié)會(huì )的傳感技術(shù)委員會(huì )聯(lián)合制定了智能傳感器通用通信接口標準，即IEEE1451的智能變送器標準接口。針對變送器工業(yè)各個(gè)領(lǐng)域的要求，多個(gè)工作組先后建立并開(kāi)發(fā)了接口標準的不同部分。

1 IEEE1451標準族介紹

IEEE1451是一個(gè)智能傳感器接口的標準族，它定義了一系列為使智能傳感器連接到微處理器、儀表系統和現場(chǎng)控制網(wǎng)絡(luò )的開(kāi)放、通用、獨立于網(wǎng)絡(luò )的標準［1］，提供了一系列基于監測和控制應用的有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)的協(xié)議。IEEE1451接口標準結構如圖1所示［2］。

在IEEE1451標準族中，IEEE1451.0標準定義了傳感器和執行器多種通用配置命令集，如點(diǎn)對點(diǎn)、分布多點(diǎn)和無(wú)線(xiàn)的配置，以適應各種應用的需要。而且還規定了通用變送器電子表（TEDS）的格式，目的在于提高IEEE1451系列標準之間的互操作性，簡(jiǎn)化針對網(wǎng)絡(luò )適配器（NCAP）和智能變送器接口模塊（STIM）使用不同物理層傳輸介質(zhì)連接相關(guān)標準制定的工作難度和工作量。

IEEE1451.1：主要定義了NCAP的信息模型，這一標準為NCAP規定了一個(gè)公共的上層對象模型，網(wǎng)絡(luò )結構和變送器模塊類(lèi)型不同，其對象模型就有不同的版本。一個(gè)簡(jiǎn)單的編程模型封裝了傳感器硬件實(shí)現的細節，規定了不同NCAP與STIM物理層版本在具體實(shí)現時(shí)的軟件接口規范。

IEEE1451.4：主要針對于傳感器和變送器的混合模式通信協(xié)議及傳感器電子數據表格式?；旌夏Ｊ浇涌诘闹悄苄蛡鞲衅鞫x了一種為傳統模擬模式的傳感器和變送器增加自我識別技術(shù)的機制。

IEEE1451.5：定義了無(wú)線(xiàn)傳感器通信以及TEDS格式，定義了無(wú)線(xiàn)變送器模塊WTIM（Wireless Transducer Interface Module）與NCAP之間通過(guò)無(wú)線(xiàn)方法建立連接的有關(guān)事項。

2 系統概述

本系統的設計背景為遠程環(huán)境檢測?？紤]到設備主要應用在野外，地形比較復雜， IEEE1451.2-4標準都是基于有線(xiàn)連接的，連線(xiàn)困難。而IEEE1451.5標準是基于無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)的，也就是NCAP和WTIM之間的通信是基于無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)，可以節省成本，而且還方便今后對系統的升級改造。但本系統的TIM部分和WTIM部分采用的是IEEE1451.4標準的MMI接口。因為MMI允許TEDS的數字信號和傳感器的模擬信號隔離傳輸，可以很方便地將傳統傳感器改造為符合標準的智能傳感器。系統框圖如圖2所示。

本系統包括三個(gè)部分：（1）變送器接口模塊（TIM）。該部分的主要功能是采集傳感器的模擬信號，并與TEDS的數字信號通過(guò)IEEE1451.4的標準MMI接口傳送到控制器；（2）無(wú)線(xiàn)變送器接口模塊（WTIM）。該部分包含一個(gè)控制器、一個(gè)無(wú)線(xiàn)收發(fā)器和MMI（Mixed-Mode Interface）接口。MMI接口接收TIM傳來(lái)的信息并對其進(jìn)行處理，將處理完的信息傳給無(wú)線(xiàn)發(fā)送設備，由后者發(fā)送出去；（3）網(wǎng)絡(luò )適配器NCAP。該部分主要由無(wú)線(xiàn)收發(fā)設備、控制器和DTU設備組成。無(wú)線(xiàn)收發(fā)設備收到WTIM發(fā)送的信息后傳送給處理器，處理器做相應處理后通過(guò)相應的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議將數據發(fā)送到遠程終端。

2.1 硬件設計

本設計選用STM32系列單片機作為各部分的主控制器。STM32 是意法半導體基于A(yíng)RM CortexTM-M3 的32 bit嵌入式處理器，具有運算速度快、外設資源豐富等特點(diǎn)，而且其價(jià)格僅與8 bit單片機相當，性?xún)r(jià)比極高。因此本設計選用該芯片。

IEEE1451.5標準的目標是為使用不同通信技術(shù)的無(wú)線(xiàn)傳感器提供一個(gè)統一的接口，采用已經(jīng)成熟的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)作為接口標準，并不是開(kāi)發(fā)一種新的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，而是基于該標準的無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )接口在WTIM和 NCAP之間定義了多