[理化生]《现代传感技术与系统》课件-第四章3.ppt

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1、第四章智能传感器的外围技术2 近年来工业研究集中在对智能传感器的定义、功近年来工业研究集中在对智能传感器的定义、功能和通信水平上，目的是为了实现在广泛范围内应用能和通信水平上，目的是为了实现在广泛范围内应用的互换性。具有局部决策能力的智能传感器，可作为的互换性。具有局部决策能力的智能传感器，可作为与其它传感器和执行器对等的独立设备，或者作为网与其它传感器和执行器对等的独立设备，或者作为网络中的智能节点进行通信。互换性使得不同网络中独络中的智能节点进行通信。互换性使得不同网络中独立的操作通过不同的接口得以实现，这种努力将加速立的操作通过不同的接口得以实现，这种努力将加速发展并逐渐过渡到网络化智能

2、换能器，并加快智能传发展并逐渐过渡到网络化智能换能器，并加快智能传感器和智能执行器的商业化进程。感器和智能执行器的商业化进程。 第四章智能传感器的外围技术34.3.1 4.3.1 智能传感器和系统的标准制定智能传感器和系统的标准制定 1993 1993年年, ,IEEEIEEE和国家标准与测试学会和国家标准与测试学会NISTNIST发起了一个活动，导致发起了一个活动，导致了两个标准的发展，即：了两个标准的发展，即：l l IEEE1451.1IEEE1451.1网络应用处理器信息模式网络应用处理器信息模式l l IEEE1451.2IEEE1451.2换能器微处理器通信协议和换能器电子数据单（

3、换能器微处理器通信协议和换能器电子数据单（TEDSTEDS） 格式格式l l IEEE1451.3IEEE1451.3分布式多点系统的换能器电子数据单格式和数字通信分布式多点系统的换能器电子数据单格式和数字通信l l IEEE1451.4IEEE1451.4混合型通信协议和换能器电子数据单格式混合型通信协议和换能器电子数据单格式 其中，其中，IEEE145.1IEEE145.1和和1451.21451.2已由已由IEEEIEEE通过作为全能的应用标准被通过作为全能的应用标准被选定和接受。选定和接受。 第四章智能传感器的外围技术4 在一个互换性网络中，许多新的术语和缩写词得到了发展去处理在一个互

4、换性网络中，许多新的术语和缩写词得到了发展去处理智能传感器的单元。智能传感器的单元。TEDSTEDS就是一种具有换能器接口特性的机器可读规就是一种具有换能器接口特性的机器可读规范。一个智能换能器接口模块范。一个智能换能器接口模块STIMSTIM包括包括TEDSTEDS和辅助电子设备，辅助电和辅助电子设备，辅助电子设备包括网络应用处理器（子设备包括网络应用处理器（NCAPNCAP）到换能器之间的硬件接口，到换能器之间的硬件接口，NCAPNCAP是一个支持网络接口应用功能的装置，通过一个或多个换能器可以进是一个支持网络接口应用功能的装置，通过一个或多个换能器可以进入到物理层。一个独立的换能器接口是

5、一个入到物理层。一个独立的换能器接口是一个1010引脚的数字通信接口，引脚的数字通信接口，它允许它允许NCAPNCAP或主机获得传感器的显示内容或执行器的操作，以及或主机获得传感器的显示内容或执行器的操作，以及TEDSTEDS的数据请求。的数据请求。 第四章智能传感器的外围技术5 如图如图4.3.14.3.1所示，四个标准通过所示，四个标准通过NCAPNCAP把智能传感器（把智能传感器（STIMSSTIMS）、）、总线接口模块以及混合型换能器总线接口模块以及混合型换能器等单元联系在一起。这些标准等单元联系在一起。这些标准提供了足够的细节，通过给元提供了足够的细节，通过给元件、子系统和系统的制造

6、商提件、子系统和系统的制造商提供灵活性来获得互换性。供灵活性来获得互换性。 第四章智能传感器的外围技术6 表表4.3.1 4.3.1 对对14511451家族成员进行了比较，其主要的通用元素家族成员进行了比较，其主要的通用元素是是TEDSTEDS以及支持以及支持TEDSTEDS的能力。通过硬件接口、元件间的距离、的能力。通过硬件接口、元件间的距离、信号转换器和测量水平来辨别四个家族成员。信号转换器和测量水平来辨别四个家族成员。IEEE1451.1IEEE1451.1和和1451.21451.2标准有数百标准有数百页之多。这里只能页之多。这里只能择其主要作一概括择其主要作一概括性介绍，有兴趣的性

7、介绍，有兴趣的读者还请阅读实际读者还请阅读实际的文件及参考资料。的文件及参考资料。 第四章智能传感器的外围技术74.3.2 4.3.2 IEEE 1451.1IEEE 1451.1 IEEE1451.1 IEEE1451.1规范为智能传感器和执行器基本系统的建立提规范为智能传感器和执行器基本系统的建立提供了简单的、完整的目标模型。一般来说，一个目标就是一组供了简单的、完整的目标模型。一般来说，一个目标就是一组数据和操作的总和。目标模型由数据结构的定义及规范所组织数据和操作的总和。目标模型由数据结构的定义及规范所组织的操作构成。对于的操作构成。对于IEEE1451.1IEEE1451.1，智能换

8、能器目标模型包括一个智能换能器目标模型包括一个换能器目标模型和换能器总线接口。换能器目标模型和换能器总线接口。IEEE1451.1IEEE1451.1把带有原版软把带有原版软件的件的PCPC和插卡的智能换能器模型标准化。该标准以多于一个网和插卡的智能换能器模型标准化。该标准以多于一个网络层支持的板上智能形式为制造商提供附加功能。图络层支持的板上智能形式为制造商提供附加功能。图4.3.24.3.2向我向我们展示了基本框架以及软件组成部分的参数、事件、运转、文们展示了基本框架以及软件组成部分的参数、事件、运转、文件和定时器。件和定时器。 第四章智能传感器的外围技术8第四章智能传感器的外围技术91

9、1、网络应用处理器（、网络应用处理器（NCAPNCAP） NACPNACP包含一个带有嵌入式操作系统和计时能力的处理器。包含一个带有嵌入式操作系统和计时能力的处理器。NCAPSNCAPS的范围可以从带多通道的范围可以从带多通道STIMsSTIMs扩展支持的简单元素到多端扩展支持的简单元素到多端口的复杂设计。在口的复杂设计。在NCAPNCAP内功能模块中，有基本换能器模块、非内功能模块中，有基本换能器模块、非IEEE1451IEEE1451目标、几个软件程序但只有一个目标目标、几个软件程序但只有一个目标NCAPNCAP模块。目标模块。目标的区分是依据目标的类别的区分是依据目标的类别IDID、类别

10、名称、目标类别名称、目标IDID、目标标签、目标标签、目标名称和目标发送地址等六个指标实现的。目标名称和目标发送地址等六个指标实现的。 第四章智能传感器的外围技术10 IEEE1451.1IEEE1451.1标准为智能换能器提供了物理和逻辑上的规范。在图标准为智能换能器提供了物理和逻辑上的规范。在图4.3.34.3.3中，中，实线代表着系统的物理元件，而虚线提供了一个逻辑上的概念。传感器和执行实线代表着系统的物理元件，而虚线提供了一个逻辑上的概念。传感器和执行器构成了一个通过接口和微处理机或微控制器相连的换能器。在器构成了一个通过接口和微处理机或微控制器相连的换能器。在1451.11451.1

11、中定义中定义了网络协议逻辑接口和换能了网络协议逻辑接口和换能器逻辑接口。器逻辑接口。IEEE1451.2IEEE1451.2定定义了换能器和义了换能器和NCAPNCAP之间的硬之间的硬件接口。接口是可供选择的，件接口。接口是可供选择的，1451.21451.2和和1451.11451.1不相互依赖。不相互依赖。如果不要求对换能器的互换如果不要求对换能器的互换性支持，则只使用性支持，则只使用1451.11451.1，如果不要求网络，则如果不要求网络，则IEEEIEEE1451.21451.2也足够了。也足够了。 第四章智能传感器的外围技术112 2、网络通信模式网络通信模式 IEEE1451.1

12、 IEEE1451.1标准提供了目标之间两种网络通信模标准提供了目标之间两种网络通信模式。点对点用户式。点对点用户/ /服务器模式可进行一对一通信。发服务器模式可进行一对一通信。发布布/ /订阅模式与一对多和多对多通信模式有松散的对订阅模式与一对多和多对多通信模式有松散的对应关系。网络软件支持提供一个代码库，代码库含有应关系。网络软件支持提供一个代码库，代码库含有IEEE1451.1IEEE1451.1与网络与网络22之间的呼叫例程。之间的呼叫例程。 第四章智能传感器的外围技术12 图图4.3.4 4.3.4 表明了在表明了在IEEE1451.1IEEE1451.1中采用的用户中采用的用户/

13、/服服务器模式。这种模式由两个补充性的应用层面上的操务器模式。这种模式由两个补充性的应用层面上的操作来支持：作来支持：l l 在用户方的用户端在用户方的用户端 口的运行；口的运行；l l 在服务器方的运行；在服务器方的运行； 这两种运行一起工这两种运行一起工作，提供了一个远程目标操作运行风格的信息服务。作，提供了一个远程目标操作运行风格的信息服务。 第四章智能传感器的外围技术13 图图4.3.54.3.5展示的是展示的是IEEE1451.1IEEE1451.1中使用的发布中使用的发布/ /订阅模式。这种模式订阅模式。这种模式为一种松散的通信方式，即发布方发布信息后不用关心接收的方式。为一种松散

14、的通信方式，即发布方发布信息后不用关心接收的方式。这种模式由两种操作支持：这种模式由两种操作支持：l l 在发布端口目标的发布；在发布端口目标的发布；l l 增加订阅和在用户目标增加订阅和在用户目标 端口的回应；端口的回应； 发布者和订阅者使用发布者和订阅者使用一种域、密码、在标准中一种域、密码、在标准中定义的主题定义的主题/ /认证的组合认证的组合方式使发布者从订阅端口选择感兴趣的订阅者。方式使发布者从订阅端口选择感兴趣的订阅者。 第四章智能传感器的外围技术143 3、IEEE1451.1IEEE1451.1实例实例 1451.1 1451.1的附录展示了一个传感的附录展示了一个传感器和执行

15、器的器和执行器的NCAPsNCAPs如何处理污水治如何处理污水治理系统的例子。这个例子提供了执理系统的例子。这个例子提供了执行这一标准的严格实施方案。图行这一标准的严格实施方案。图 4.3.64.3.6展示了一个展示了一个PIDPID控制系统在测控制系统在测量和设定值的基础上通过周期性地量和设定值的基础上通过周期性地利用利用PHPH传感器上读取的数据来控制传感器上读取的数据来控制水泵的速度。水泵的速度。第四章智能传感器的外围技术153 3、IEEE1451.1IEEE1451.1实例实例 搅拌机控制器或开或关，取决于搅拌机控制器或开或关，取决于水泵速度是高于还是低于给定的值。水泵速度是高于还是

16、低于给定的值。测量结果记录在数据库中，用于自动测量结果记录在数据库中，用于自动控制系统，或为自控系统的操作员提控制系统，或为自控系统的操作员提供显示。污水处理系统的功能分为三供显示。污水处理系统的功能分为三个个NCAPsNCAPs。水位控制和水位控制和PHPH值控制用简值控制用简易的易的NCAPs,NCAPs,并分别实施以满足安全要并分别实施以满足安全要求。操作系统的运行是用一个求。操作系统的运行是用一个PC NCAPPC NCAP作为系统操作界面和数据管理系统的作为系统操作界面和数据管理系统的主机。为系统开发软件功能将使主机。为系统开发软件功能将使1451.11451.1得到充分利用。得到充

17、分利用。第四章智能传感器的外围技术164.3.3 4.3.3 IEEE 1451.2IEEE 1451.2 IEEE1451.2 IEEE1451.2定义了一个包定义了一个包含硬件和软件的模块接口，用含硬件和软件的模块接口，用于那些不依赖于特定控制网络于那些不依赖于特定控制网络的网络化换能器。这一标准引的网络化换能器。这一标准引进了进了STIMSTIM的概念，将的概念，将TEDSTEDS定义定义为为STIMSTIM的一个组成部分，此外的一个组成部分，此外还有还有TIITII、STIMSTIM与与NCAPNCAP之间的之间的物理接口。图物理接口。图4.3.74.3.7展示了在展示了在IEEE14

18、51.2IEEE1451.2中定义的各元素和网络之间的关系。中定义的各元素和网络之间的关系。注意到单一传感器或执行器或换能器的多个通道可同时存在于一个注意到单一传感器或执行器或换能器的多个通道可同时存在于一个STIMSTIM中。中。下面重点解释下面重点解释STIMSTIM、TEDSTEDS、TIITII以及实现更高智能化系统的内置工具的要点。以及实现更高智能化系统的内置工具的要点。 第四章智能传感器的外围技术171 1、STIMSTIM 图图4.3.74.3.7中的中的STIMSTIM可以可以包括包括1 1到到255255个不同类型的个不同类型的换能器。换能器。STIMSTIM由一个由一个NC

19、APNCAP模块通过精密的数字接口模块通过精密的数字接口来控制。一个来控制。一个STIMSTIM如果能如果能: : 支持要求的性能；支持要求的性能； 包括一个适当格式化的包括一个适当格式化的TEDSTEDS； 有一个实行有一个实行TIITII线路、协议和计时的物理接口。线路、协议和计时的物理接口。 那么，我们就可以说它符合那么，我们就可以说它符合1451.21451.2中定义的要求。中定义的要求。第四章智能传感器的外围技术18 IEEE1451.2IEEE1451.2定义了六种换能器，其中有四种传感器、一个执行器和一个事定义了六种换能器，其中有四种传感器、一个执行器和一个事件探测器。这四种传感

20、器包括：传感器、缓冲传感器、数据序列传感器、缓件探测器。这四种传感器包括：传感器、缓冲传感器、数据序列传感器、缓冲数据序列传感器；它们都可以读取变量，将数据从模拟形式转变为数字形冲数据序列传感器；它们都可以读取变量，将数据从模拟形式转变为数字形式，以此获得有效数据。另外两种换能器分别是执行器和事件序列传感器。式，以此获得有效数据。另外两种换能器分别是执行器和事件序列传感器。 STIM STIM对触发器的反应是很重要的。触发功能为对触发器的反应是很重要的。触发功能为NCAPNCAP发送命令给发送命令给STIMSTIM，以以触发信号告知某种行为将发生，并以触发回应向触发信号告知某种行为将发生，并以

21、触发回应向STIMSTIM指出行为发生的时间。指出行为发生的时间。在标准中精心设计了基本流程以表明在保持和触发状态下传感器和执行器同在标准中精心设计了基本流程以表明在保持和触发状态下传感器和执行器同时发生的行为。其他可能的触发选项包括：时发生的行为。其他可能的触发选项包括： 触发缓冲传感器；触发缓冲传感器； 触发数据序列传感器；触发数据序列传感器； 触发缓冲数据序列传感器；触发缓冲数据序列传感器； 触发事件序列传感器。触发事件序列传感器。第四章智能传感器的外围技术19 当传感器当传感器STIMSTIM对一个对一个NCAPNCAP触发作出反应时，换能器开始读数。读触发作出反应时，换能器开始读数。

22、读数完成后，数完成后，STIMSTIM进行触发确认，进行触发确认，NCAPNCAP读取数据。执行器读取数据。执行器STIMSTIM通过写入通过写入数据对数据对NCAPNCAP触发作出反映并初始化换能器执行器。结束以后，触发作出反映并初始化换能器执行器。结束以后，STIMSTIM插插入一个触发确认。入一个触发确认。 触发缓冲传感器除了数据从先前的触发器返回外，其余的反应和触发缓冲传感器除了数据从先前的触发器返回外，其余的反应和标准传感器相同。这意味着是一种即时反映，但读数的时间是不确定标准传感器相同。这意味着是一种即时反映，但读数的时间是不确定的。的。 数据序列传感器的取样基于它对时间的选择，典

23、型的是与物理层数据序列传感器的取样基于它对时间的选择，典型的是与物理层同步。当触发以后，传感器等待直到下一个采样时间，然后回送结果同步。当触发以后，传感器等待直到下一个采样时间，然后回送结果和一个和一个ACKACK信号。信号。第四章智能传感器的外围技术20 触发缓冲数据序列传感器除了将数据保存在数据缓冲区外，和触触发缓冲数据序列传感器除了将数据保存在数据缓冲区外，和触发数据序列传感器类似。触发确认与先前得到的数据几乎同时发生。发数据序列传感器类似。触发确认与先前得到的数据几乎同时发生。如果在保持缓冲区被读取后，下一个采样数据还没得到之前再发生触如果在保持缓冲区被读取后，下一个采样数据还没得到之

24、前再发生触发，确认信号不会返回，直到数据获取过程结束才能得到确认信号。发，确认信号不会返回，直到数据获取过程结束才能得到确认信号。事件序列传感器与数据序列传感器相同，但它不会返回任何数据。对事件序列传感器与数据序列传感器相同，但它不会返回任何数据。对于这种传感器，相关信息是事件的时间。于这种传感器，相关信息是事件的时间。 第四章智能传感器的外围技术21 2 2、换能器电子数据单、换能器电子数据单 TEDS TEDS将识别你想了解的关于换能器的重要信息，包含：将识别你想了解的关于换能器的重要信息，包含：l l 换能器的生产商模型号版本号系列号设备型号换能换能器的生产商模型号版本号系列号设备型号换

25、能 器日期编码；器日期编码；l l 校准时间变量类型和使用局限；校准时间变量类型和使用局限；l l 校准常数；校准常数；l l 信号转换数据模型模型长度重要二进制位；信号转换数据模型模型长度重要二进制位；l l 通道读通道读/ /写时间设置采样周期加热时间刷新时间；写时间设置采样周期加热时间刷新时间；l l 电源要求（电压和电流）；电源要求（电压和电流）；最重要的：最重要的：TEDSTEDS的长度和通道的数目。的长度和通道的数目。 第四章智能传感器的外围技术22 145114512 2中定义了八种中定义了八种TEDSTEDS存储器。存储器。TEDSTEDS的类型分别为机器的类型分别为机器可读的

26、可读的NCAPNCAP类型和人工可读的操作员类型。类型和人工可读的操作员类型。TEDSTEDS有两种必要类有两种必要类型和四种可选类型和四种可选类型。表型。表4.3.24.3.2列列出了定义在出了定义在1451.21451.2中的中的TEDSTEDS类型。类型。 第四章智能传感器的外围技术233 3、TIITII 用于用于IEEE 1451.2IEEE 1451.2的标准数字接口的标准数字接口TIITII，是一个类似于是一个类似于SPISPI接口的时接口的时钟串行接口。它定义了十种电气连接如下：钟串行接口。它定义了十种电气连接如下：l l 引线引线 DINDIN：正逻辑，由正逻辑，由NCAPN

27、CAP驱动，从驱动，从NCAPNCAP向向STIMSTIM传送地址和数据；传送地址和数据；l l 引线引线 DOUTDOUT：正逻辑，由正逻辑，由STIMSTIM驱动，从驱动，从STIMSTIM向向NCAPNCAP传送数据；传送数据；l l 引线引线 DCLKDCLK：正逻辑，由正逻辑，由NCAPNCAP驱动，正向边沿有效，在驱动，正向边沿有效，在DINDIN和和DOUTDOUT封封 锁数据；锁数据；l l 引线引线 NIOENIOE：低电平逻辑激活，由低电平逻辑激活，由NCAPNCAP驱动，激发数据传送信号并驱动，激发数据传送信号并 界定数据传送框架；界定数据传送框架；l l 引线引线 NT

28、RIGNTRIG：负逻辑，由负逻辑，由NCAPNCAP驱动，执行触发功能；驱动，执行触发功能；第四章智能传感器的外围技术24l l 引线引线 NACKNACK：负逻辑，由负逻辑，由STIMSTIM驱动，触发确认和数据传送确认；驱动，触发确认和数据传送确认；l l 引线引线 NINTNINT：负逻辑，由负逻辑，由STIMSTIM驱动，由驱动，由STIMSTIM使用向使用向NCAPNCAP提出服提出服 务申请；务申请；l l 引线引线 NSDETNSDET：低电平逻辑激活，由低电平逻辑激活，由STIMSTIM驱动，由驱动，由NCAPNCAP探测探测 STIM STIM的存在；的存在；l l 引线引

29、线 POWERPOWER：N/AN/A逻辑，由逻辑，由NCAPNCAP驱动，驱动，5 5伏电源；伏电源；l l 引线引线 COMMONCOMMON：N/AN/A逻辑，由逻辑，由NCAPNCAP驱动，通用接地信号。驱动，通用接地信号。 引线在标准中有更详细的定义，关于电源则在后面有进一步引线在标准中有更详细的定义，关于电源则在后面有进一步讨论。标准没有定义其联结器，而将其留作一个机动的项目由用讨论。标准没有定义其联结器，而将其留作一个机动的项目由用户去评判。户去评判。 第四章智能传感器的外围技术254 4、校正、校正/ /纠错纠错 IEEE1451.2 IEEE1451.2描述了一个纠错算法，让

30、用户将描述了一个纠错算法，让用户将ADCADC输出转换为工程单输出转换为工程单元给传感器，再将工程单元转换为元给传感器，再将工程单元转换为ADCADC的输入给执行器。真值表、线性的输入给执行器。真值表、线性变换、多输入多项式表面校准都包括在传感器可能使用的数据之中。变换、多输入多项式表面校准都包括在传感器可能使用的数据之中。TEDSTEDS校准有以下一些性能：校准有以下一些性能：l l 单段直线的一阶转换；单段直线的一阶转换；l l 非线性传感器分段的高精度的一阶转换；非线性传感器分段的高精度的一阶转换；l l 简单双态监测的水平监测仪；简单双态监测的水平监测仪；l l 滞后的水平监测；滞后的

31、水平监测；l l 单段高阶转换；单段高阶转换；换能器多输入的最高可能精度的转换。换能器多输入的最高可能精度的转换。 第四章智能传感器的外围技术26 图图4.3.84.3.8是一个运行校正算法的例子。是一个运行校正算法的例子。 图图 ( (a)a)显示了一个驻留在显示了一个驻留在STIMSTIM中的中的TEDSTEDS校准。在这种情况下，主校准。在这种情况下，主机从机从STIMSTIM拷贝拷贝TEDSTEDS校准，然后从原始数据到工程单元，完成了一个转校准，然后从原始数据到工程单元，完成了一个转换。这种方式在小系统中可高效运行，但对于拥有多个换能器的大系换。这种方式在小系统中可高效运行，但对于拥

32、有多个换能器的大系统而言，在校准过程中会消耗大量的统而言，在校准过程中会消耗大量的CPUCPU时间。分布系统能使校准在一时间。分布系统能使校准在一台计算机内进行，这台计算机为其他处理机提供正确的数据，也可以台计算机内进行，这台计算机为其他处理机提供正确的数据，也可以使校准在系统中的每一台计算机上进行。如果让一台处理器进行校准，使校准在系统中的每一台计算机上进行。如果让一台处理器进行校准，其他处理器应通过编程从主机获取数据，而不是直接从换能器或其他处理器应通过编程从主机获取数据，而不是直接从换能器或NCAPNCAP获取数据。如果转换是在多个地方完成的，当每换一个换能器时，校获取数据。如果转换是在

33、多个地方完成的，当每换一个换能器时，校准准TEDSTEDS也必须改变。也必须改变。 第四章智能传感器的外围技术27 图图 ( (b)b)表明了在表明了在NCAPNCAP中的转换。校准中的转换。校准TEDSTEDS需要从需要从STIMSTIM拷贝到拷贝到NCAPNCAP，在在NCAPNCAP中中转换成工程单元。这将简化数据源的管理，并消除了数据的多次拷贝。提供这项转换成工程单元。这将简化数据源的管理，并消除了数据的多次拷贝。提供这项功能的同时将大大增加功能的同时将大大增加NCAPNCAP处理器的成本。处理器的成本。 图图 ( (c)c)表明了表明了STIMSTIM的校准过程。这的校准过程。这项技

34、术在配置有大阵项技术在配置有大阵列的换能器或高速换列的换能器或高速换能器组合的系统中非能器组合的系统中非常有用。为了得到更常有用。为了得到更广泛的应用，必须进广泛的应用，必须进一步研制一步研制IcsIcs以提供以提供这项功能。这项功能。 第四章智能传感器的外围技术285 5、STIMsSTIMs的电源在的电源在NCAPNCAP上电源线上的电压值一般规定在直流电范围，上电源线上的电压值一般规定在直流电范围，为为5 5V V（0.20V0.20V）。）。STIMSTIM接口控制电路的电源由主通讯接口来提供。接口控制电路的电源由主通讯接口来提供。STIMSTIM的供电通常如图的供电通常如图4.3.9

35、(4.3.9(a)a)中中所示。如果传感器和执行器的电所示。如果传感器和执行器的电流或电压超出流或电压超出NCAPNCAP所能提供的水所能提供的水平，则有另一种替代选择如图平，则有另一种替代选择如图4.3.94.3.9（b b）所示。所示。 第四章智能传感器的外围技术296 6、TEDSTEDS的物理单位表述的物理单位表述 IEEE1451.2 IEEE1451.2为智能换能器的使用提供了简单物理单位的识别方法，允许为智能换能器的使用提供了简单物理单位的识别方法，允许他们以任何使用者都能够理解的形式提供输出。这项功能使我们不必编写专他们以任何使用者都能够理解的形式提供输出。这项功能使我们不必编

36、写专用软件就能增强传感器即插即用的功能。这种方法利用一套标准的单元来决用软件就能增强传感器即插即用的功能。这种方法利用一套标准的单元来决定校正常量。对生产商来说，这就意味着他们能利用同样的方法做最后测试定校正常量。对生产商来说，这就意味着他们能利用同样的方法做最后测试和校正。对使用者来说，理解了和校正。对使用者来说，理解了IEEE1451.2IEEE1451.2中的方法论，就不难理解标准化中的方法论，就不难理解标准化技术存在于不同的系统功能当中。标准还表述了国际单位制，即按顺序地用技术存在于不同的系统功能当中。标准还表述了国际单位制，即按顺序地用m m（米）表示长度、米）表示长度、kgkg（千

37、克）表示质量、千克）表示质量、s s（秒）表示时间、秒）表示时间、A A（安培）表示安培）表示电流、电流、K K（凯尔文）表示热力学温度、凯尔文）表示热力学温度、molmol（摩尔）表示物质的量、摩尔）表示物质的量、cdcd（堪德堪德拉）表示发光强度。拉）表示发光强度。第四章智能传感器的外围技术30 这样我们只要使用幂指数，就可将这种表达很方便地写入计算机。这样我们只要使用幂指数，就可将这种表达很方便地写入计算机。例如，在表达距离的测量时，考虑它排在首位，使用幂指数，即例如，在表达距离的测量时，考虑它排在首位，使用幂指数，即1 1、0 0、0 0、0 0、0 0、0 0、0 0，与七个量结合为

38、指数，有：，与七个量结合为指数，有：m m1 1kgkg0 0 S S0 0 A A0 0 KK0 0molmol0 0cdcd0 0这个标准为这个标准为7 7个基本个基本SISI单位和地址单位提供了两种派生单单位和地址单位提供了两种派生单位，弧度和球面度。数量的对数，非物理特性数据的对数，详表提供位，弧度和球面度。数量的对数，非物理特性数据的对数，详表提供的硬设和数据。指数通过无符号整数字节编码。指数和它的符号乘以的硬设和数据。指数通过无符号整数字节编码。指数和它的符号乘以2 2，加上，加上128128得到了分辨率为二分之一的编码整数字节。通过这种技术，得到了分辨率为二分之一的编码整数字节。

39、通过这种技术，可以表示可以表示-64-64与与+63+63之间的指数。之间的指数。 第四章智能传感器的外围技术31 在在IEEE1451.2IEEE1451.2中举出了一个测量单位如何处理的例子。考虑中举出了一个测量单位如何处理的例子。考虑到了一个用帕斯卡来表示的气压的测量，表到了一个用帕斯卡来表示的气压的测量，表4.3.34.3.3显示了这个例显示了这个例子的单位。长度，面积，阻抗，噪音谱密度，拉力，能量子的单位。长度，面积，阻抗，噪音谱密度，拉力，能量, ,质量，质量，点数和开关位置可在相关参考资料中查到。点数和开关位置可在相关参考资料中查到。 第四章智能传感器的外围技术324.3.4 4

40、.3.4 IEEE P1451.3IEEE P1451.3 IEEEP1451.3 IEEEP1451.3定义了多重连接的、物理上分开的多个传感器的数字接口，定义了多重连接的、物理上分开的多个传感器的数字接口，这是两种混合型接口的一种，它允许数字信息存储于换能器，并通过模拟线路这是两种混合型接口的一种，它允许数字信息存储于换能器，并通过模拟线路传输，这种多点换能器总线标准是一种微型总线模式，足够小，且足够便宜能传输，这种多点换能器总线标准是一种微型总线模式，足够小，且足够便宜能集成到一个换能器中。集成到一个换能器中。1451.31451.3中的排线总量明显少于目前的采用中的排线总量明显少于目前

41、的采用3232位节点寻址位节点寻址的现场总线。图的现场总线。图4.3.104.3.10展示了物理上独立模块之间的微型总线接口。这个接口展示了物理上独立模块之间的微型总线接口。这个接口能支持能支持TEDSTEDS，且支持通道识别交换以及时间同步协议。换能器总线接口模且支持通道识别交换以及时间同步协议。换能器总线接口模块由块由1 1到到N N个换能器、一个个换能器、一个1451.31451.3定义的定义的TEDSTEDS及通过微型总线控制和传送数据的及通过微型总线控制和传送数据的逻辑接口组成。更有可能的是逻辑接口组成。更有可能的是TEDSTEDS包括一个可互换包括一个可互换TEDSTEDS一个可互

42、换一个可互换ID TEDSID TEDS通道通道TEDSTEDS及通道及通道ID TEDSID TEDS一个校准一个校准TEDSTEDS和一个校准和一个校准ID TEDSID TEDS，且由不同的名且由不同的名称来避免与称来避免与1451.21451.2定义的名称混淆。换能器总线控制器定义的名称混淆。换能器总线控制器TBCTBC将管理微型总线并将管理微型总线并处理设置与数据转换。处理设置与数据转换。 第四章智能传感器的外围技术33第四章智能传感器的外围技术344.3.5 4.3.5 IEEE P1451.4IEEE P1451.4 已有传感器的数量、网络技术以及过渡到数字网络的成本在已有传感器

43、的数量、网络技术以及过渡到数字网络的成本在1451.11451.1、1451.21451.2和和1451.31451.3中都已发布，标准的内容亦可查阅。模拟传中都已发布，标准的内容亦可查阅。模拟传感器及其现存线网以及带宽要求、模拟测量标准则可从感器及其现存线网以及带宽要求、模拟测量标准则可从P1451.4P1451.4查阅。查阅。IEEE 1451.4IEEE 1451.4将建立一个标准，允许模拟输出、混和模式换能器与高将建立一个标准，允许模拟输出、混和模式换能器与高级级IEEE1451IEEE1451目标进行数字信息通讯。为适应其他目标进行数字信息通讯。为适应其他14511451标准所定义的

44、数标准所定义的数字化网络，为更简单和低成本起见，定义了自识别，测试和可编程信字化网络，为更简单和低成本起见，定义了自识别，测试和可编程信号规范的双向数字通讯。号规范的双向数字通讯。P1451.4P1451.4将与传统系统兼容，并提供通向将与传统系统兼容，并提供通向14511451的过渡通道。传感器与执行器在的过渡通道。传感器与执行器在P1451.4P1451.4中得到支持，但在网络中得到支持，但在网络中接口是看不见的。中接口是看不见的。 第四章智能传感器的外围技术35 图图4.3.114.3.11显示了模拟换能器的显示了模拟换能器的TEDSTEDS和高层次和高层次P1451P1451目标，对目

45、标，对于很多于很多P1451.4P1451.4应用，考虑到尺寸限制和恶劣的操作环境，在换应用，考虑到尺寸限制和恶劣的操作环境，在换能器中集成网络接口是不现实的。但是，换换能器能器中集成网络接口是不现实的。但是，换换能器TEDSTEDS必须拥必须拥有足够的信息以便更有足够的信息以便更高层次高层次P1451P1451目标弥补目标弥补缺口。缺口。 第四章智能传感器的外围技术36 NCAP NCAP和和TEDSTEDS的特点在的特点在1451.11451.1和和1451.21451.2中做了定义，并在中做了定义，并在P1451.4P1451.4的混合模式网络中再次重做定义，这是非常必要的。标准开发者的

46、一的混合模式网络中再次重做定义，这是非常必要的。标准开发者的一个目标是使存储单元最小化。而个目标是使存储单元最小化。而1451.4 1451.4 TEDSTEDS则包括了以下类别和参则包括了以下类别和参数：数：l l 辨认类别：相关参数有制造商姓名、模型号、序列号、修订本号辨认类别：相关参数有制造商姓名、模型号、序列号、修订本号 和日期代码；和日期代码；l l 装置类别：相关参数有传感器类型、灵敏度、带宽、单位、精度；装置类别：相关参数有传感器类型、灵敏度、带宽、单位、精度；l l 校准类别：相关参数有最后校准日期、纠错机系数；应用类别：校准类别：相关参数有最后校准日期、纠错机系数；应用类别：

47、 相关参数有通道辨识、通道编组、传感器定位与定向。相关参数有通道辨识、通道编组、传感器定位与定向。 第四章智能传感器的外围技术374.3.64.3.6 把系统延伸到网络把系统延伸到网络 IEEE1451.2 IEEE1451.2标准促成了基于其预先认定的工业设计活动，后续的标准促成了基于其预先认定的工业设计活动，后续的认定及认定及IEEE1451.1IEEE1451.1的附加部分应扩展对工业的支持。如图的附加部分应扩展对工业的支持。如图4.3.124.3.12所示，所示，由由14511451提供的网络独立性允许制造商把不同系统中的智能传感器与各提供的网络独立性允许制造商把不同系统中的智能传感器

48、与各种网络连接起来。种网络连接起来。 在很多工业领域，标准在加速和扩展应用方面在很多工业领域，标准在加速和扩展应用方面起了主要作用。这里所描述的已获得接受和认可的起了主要作用。这里所描述的已获得接受和认可的IEEE1451IEEE1451标准，根标准，根据系统要求，已经或者即将共同发挥作用或进行独立工作。这些标准据系统要求，已经或者即将共同发挥作用或进行独立工作。这些标准将为换能器与网络提供互用能力，并将实实在在的利益扩展到现在的将为换能器与网络提供互用能力，并将实实在在的利益扩展到现在的传感器制造商和网络使用者。控制系统使用网络的潜力将改变工程师传感器制造商和网络使用者。控制系统使用网络的潜力将改变工程师对网络的设计以及各行业网络使用的方式。对网络的设计以及各行业网络使用的方式。 第四章智能传感器的外围技术38