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　    摘要：網(wǎng)絡(luò)化智能傳感技術(shù)是智能傳感技術(shù)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物。本文介紹了基于現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)和IEEE P1451標(biāo)準(zhǔn)族的智能傳感技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，提出基于IEEE P1451智能變送器接口標(biāo)準(zhǔn)族的智能傳感技術(shù)是未來(lái)網(wǎng)絡(luò)化智能傳感技術(shù)的發(fā)展方向。
　
        1、引言
　　
　　傳感器技術(shù)、通信技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)構(gòu)成現(xiàn)代信息的三大基礎(chǔ)，它們分別完成對(duì)被測(cè)量的信息提取、信息傳輸及信息處理，是當(dāng)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要標(biāo)志。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化已成為時(shí)代發(fā)展趨勢(shì)：計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)結(jié)合進(jìn)而產(chǎn)生了計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)；計(jì)算機(jī)技術(shù)和傳感器技術(shù)結(jié)合產(chǎn)生了智能傳感器技術(shù)；將三者融為一體（計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與智能傳感技術(shù)結(jié)合）便產(chǎn)生了網(wǎng)絡(luò)化智能傳感技術(shù)。網(wǎng)絡(luò)化智能傳感技術(shù)已成為人們關(guān)注的熱點(diǎn),本文僅就網(wǎng)絡(luò)化智能傳感技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)作簡(jiǎn)要論述。
　　
　　2、網(wǎng)絡(luò)化智能傳感技術(shù)
　　
　　網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器是以嵌入式微處理器為核心，集成了傳感單元、信號(hào)處理單元和網(wǎng)絡(luò)接口單元，使傳感器具備自檢、自校、自診斷及網(wǎng)絡(luò)通信功能，從而實(shí)現(xiàn)信息的采集、處理和傳輸真正統(tǒng)一協(xié)調(diào)的新型智能傳感器，原理框圖如圖1所示。　　
　　網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器與其它類(lèi)型傳感器相比，具有如下特點(diǎn)：
　　
　　⑴具有智能傳感功能。隨著嵌入式技術(shù)、集成電路技術(shù)和微控制器的引入，使傳感器成為硬件和軟件的結(jié)合體，一方面?zhèn)鞲衅鞯墓慕档?、體積減小、抗干擾性和可靠性提高，另一方面?zhèn)鞲衅骶哂辛俗宰R(shí)別和自校正功能，同時(shí)利用軟件技術(shù)實(shí)現(xiàn)傳感器的非線(xiàn)性補(bǔ)償、零點(diǎn)漂移和溫度補(bǔ)償?shù)龋?br />　　
　?、凭哂芯W(wǎng)絡(luò)通信功能。網(wǎng)絡(luò)接口技術(shù)的應(yīng)用使傳感器方便地接入工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)，為系統(tǒng)的擴(kuò)充和維護(hù)提供了極大的方便。
　　
　　3、基于現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的智能傳感技術(shù)

　　
　　現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)是一種集計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、集成電路技術(shù)及智能傳感技術(shù)于一身的新興控制技術(shù)，按照電工委員會(huì)IEC61158的標(biāo)準(zhǔn)定義：“安裝在制造和過(guò)程區(qū)域的現(xiàn)場(chǎng)裝置與控制室內(nèi)的自動(dòng)控制裝置之間的數(shù)字式、串行、多點(diǎn)通信的數(shù)據(jù)總線(xiàn)稱(chēng)為現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)”。一般認(rèn)為“現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)是一種全數(shù)字化、雙向、多站的通信系統(tǒng)，是用于工業(yè)控制的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)工業(yè)總線(xiàn)”。
　　
　　現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)是在儀表智能化和全數(shù)字控制系統(tǒng)的需求下產(chǎn)生的?，F(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)是連結(jié)智能化現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和控制室之間全數(shù)字式、開(kāi)放式和雙向的通信網(wǎng)絡(luò)。隨著各種智能傳感器、變送器和執(zhí)行器的出現(xiàn)，一種新的工業(yè)控制系統(tǒng)體系?D數(shù)字化到現(xiàn)場(chǎng)、控制功能到現(xiàn)場(chǎng)、設(shè)備管理到現(xiàn)場(chǎng)的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(tǒng)FCS（FieldbusControlSystem）必將取代傳統(tǒng)的集散控制系統(tǒng)DCS（DistributedControlSystem）?；诂F(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的智能傳感器如圖2所示。
　　
　　3.1現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的本質(zhì)含義
　　
　　現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)不僅是一種通信協(xié)議，也不僅是用數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)膬x表代替模擬信號(hào)（4～20mADC）傳輸?shù)膬x表，關(guān)鍵是用新一代的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(tǒng)FCS代替?zhèn)鹘y(tǒng)的集散控制系統(tǒng)DCS，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)與控制系統(tǒng)的集成。其本質(zhì)含義體現(xiàn)在以下六個(gè)方面[2]：
　　
　　⑴全數(shù)字化通信
　　
　　和半數(shù)字化的DCS不同，現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)系統(tǒng)是一個(gè)純數(shù)字系統(tǒng)?，F(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)是用于過(guò)程自動(dòng)化和制造自動(dòng)化的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備或現(xiàn)場(chǎng)儀表互連的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)，利用數(shù)字信號(hào)代替模擬信號(hào)，其傳輸抗干擾性強(qiáng)，測(cè)量精度高，大大提高了系統(tǒng)的性能。
　　
　?、片F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備互連
　　
　　現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備或現(xiàn)場(chǎng)儀表是指?jìng)鞲衅?、變送器和?zhí)行器等，這些設(shè)備通過(guò)一對(duì)傳輸線(xiàn)互連。傳輸線(xiàn)可以使用雙絞線(xiàn)、同軸電纜和光纖等。
　　
　?、腔ゲ僮餍?br />　　
　　互操作性的含義來(lái)自不同制造廠(chǎng)的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，不僅可以互相通信，而且可以統(tǒng)一組態(tài)，構(gòu)成所需的控制回路，共同實(shí)現(xiàn)控制策略。
　　
　　⑷分散功能塊
　　
　　FCS廢棄了DCS的輸入/輸出單元和控制站，把DCS控制站的功能塊分散地分配給現(xiàn)場(chǎng)儀表，實(shí)現(xiàn)了*的分散控制。
　　
　?、赏ㄐ啪€(xiàn)供電
　　
　　現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的常用傳輸介質(zhì)是雙絞線(xiàn)，通信線(xiàn)供電方式允許現(xiàn)場(chǎng)儀表直接從通信線(xiàn)上攝取能量。
　　
　　⑹開(kāi)放式互連網(wǎng)絡(luò)
　　
　　現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)為開(kāi)放式互連網(wǎng)絡(luò)，既可與同類(lèi)網(wǎng)絡(luò)互連，也可與不同網(wǎng)絡(luò)互連，還可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)共享。
　　
　　3.2現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)存在的不足
　　
　　現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)自20世紀(jì)80年代產(chǎn)生以來(lái)，一直受到人們的極大關(guān)注，被譽(yù)為自控領(lǐng)域的一次革命。進(jìn)入90年代以來(lái)，現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(tǒng)一度成為人們的研究熱點(diǎn)，各種各樣的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)。隨著現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(tǒng)在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際應(yīng)用，基于現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的智能傳感技術(shù)也面臨著諸多問(wèn)題。
　　
　　一方面，現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的制定因技術(shù)、商業(yè)利益等原因造成多標(biāo)準(zhǔn)共存。IEC61158規(guī)定了FF、Profibus等8種現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)，加上IECTC17已通過(guò)的3種現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)（ICE62026），導(dǎo)致目前現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)共有12種之多。由于各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)采用的通信協(xié)議*不同，存在著智能傳感器的兼容和互換性問(wèn)題，影響了總線(xiàn)式智能傳感器的應(yīng)用。
　　
　　另一方面，現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)還存在著瓶頸問(wèn)題。表現(xiàn)在：現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)切斷后，系統(tǒng)有可能產(chǎn)生不可預(yù)知的后果；系統(tǒng)組臺(tái)參數(shù)過(guò)于復(fù)雜，且其設(shè)定的好壞對(duì)系統(tǒng)性能影響很大；生產(chǎn)運(yùn)行需大量人機(jī)數(shù)據(jù)交換，現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)系統(tǒng)的通信容量有限，容易造成信息流的阻塞。
　　
　　4、基于IEEEP1451接口標(biāo)準(zhǔn)族的智能傳感技術(shù)
　　
　　IEEEP1451標(biāo)準(zhǔn)族是基于目前現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)不一，各種現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)都有自己規(guī)定的通信協(xié)議，互不兼容，從而給智能傳感技術(shù)的應(yīng)用、擴(kuò)展和維護(hù)等帶來(lái)不利影響的基礎(chǔ)上提出來(lái)的。目的是通過(guò)定義一整套通用的通信接口，大大簡(jiǎn)化由傳感器/執(zhí)行器構(gòu)成的各種網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，解決不同網(wǎng)絡(luò)之間的兼容性問(wèn)題，并能夠zui終實(shí)現(xiàn)各個(gè)廠(chǎng)家的產(chǎn)品相互之間的互換性與互操作性。
　　
　　4.1IEEEP1451智能變送器接口標(biāo)準(zhǔn)族簡(jiǎn)介
　　
　　IEEEP1451提議標(biāo)準(zhǔn)族定義了變送器（傳感器或執(zhí)行器）的軟硬件接口。該組所有標(biāo)準(zhǔn)都支持電子數(shù)據(jù)表（TEDS）概念，這為變送器提供了自識(shí)別（self-identification）和即插即用（plug-and-play）功能。以下是IEEEP1451家族系列標(biāo)準(zhǔn)的簡(jiǎn)要介紹。
　　
　　⑴IEEEP1451.0[3]
　　
　　IEEEP1451.0提議標(biāo)準(zhǔn)，即通用的功能、通信協(xié)議和變送器電子數(shù)據(jù)表格式（CommonFunctions，CommunicationProtocols，andTransducerElectronicDataSheet（TEDS）Formats）。IEEEP1451提議標(biāo)準(zhǔn)族由幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)組成，盡管它們之間有共同的特征，但是卻不存在通用的功能、通信協(xié)議和電子數(shù)據(jù)表格式的設(shè)置，這影響了這些標(biāo)準(zhǔn)之間的互操作性，阻礙了這些標(biāo)準(zhǔn)在用戶(hù)群中的廣泛使用。IEEEP1451.0提議標(biāo)準(zhǔn)就是為解決這一問(wèn)題提出來(lái)的，通過(guò)定義一個(gè)包含基本命令設(shè)置和通信協(xié)議的獨(dú)立于NCAP到變送器模塊接口的物理層，為不同的物理接口提供通用、簡(jiǎn)單的標(biāo)準(zhǔn)，以達(dá)到加強(qiáng)這些標(biāo)準(zhǔn)之間的互操作性。
　　
　?、艻EEEStd1451.1　　
　　IEEEStd1451.1標(biāo)準(zhǔn)，即智能變送器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用處理器信息模型（NetworkCapableApplicationProcessor（NCAP）InformationModelforsmarttransducer），1999年7月通過(guò)了IEEE認(rèn)可。該標(biāo)準(zhǔn)采用面向?qū)ο蟮姆椒ǖ囟x了通用的智能傳感器信息模型，涵蓋了網(wǎng)絡(luò)化變送器的各種應(yīng)用，通過(guò)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用編程接口（API）來(lái)實(shí)現(xiàn)從模型到網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的映射，采用一系列功能模塊比如I／O驅(qū)動(dòng)硬件抽象等來(lái)支持各種各樣的變送器，如圖3所示。
　　
　?、荌EEEStd1451.2　　
　　IEEEStd1451.2標(biāo)準(zhǔn)，即變送器與微處理器通信協(xié)議和變送器電子數(shù)據(jù)表格式（TransducertoMicroprocessorCommunicationProtocolsandTransducerElectronicDataSheet（TEDS）Formats），1997年9月通過(guò)了IEEE認(rèn)可。該標(biāo)準(zhǔn)具體定義了電子數(shù)據(jù)表格式TEDS和一個(gè)10線(xiàn)數(shù)字接口TII（TransducerIndependentInterface）以及變送器與微處理器間通信協(xié)議（如圖4所示），使智能傳感器／執(zhí)行器模塊具有了即插即用能力，測(cè)控網(wǎng)絡(luò)也可以通過(guò)訪(fǎng)問(wèn)TEDS來(lái)監(jiān)測(cè)和配置傳感器／執(zhí)行器通道。
　　
　　⑷IEEEStd1451.3　　
　　IEEEStd1451.3標(biāo)準(zhǔn)，即分布式多點(diǎn)系統(tǒng)數(shù)字通信和變送器電子數(shù)據(jù)表格式（DigitalCommunicationandTransducerElectronicDataSheet（TEDS）FormatsforDistributedMultidropSystem），2003年10月通過(guò)了IEEE認(rèn)可。該標(biāo)準(zhǔn)利用展布頻譜技術(shù)（spreadspectrumtechnique），在一根信號(hào)電纜上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)同步采集、通信和對(duì)連接在變送器總線(xiàn)上的電子設(shè)備供電。IEEE1451.3分布式多點(diǎn)變送器接口如圖5所示。
　　
　?、蒊EEEP1451.4　　
　　IEEEP1451.4提議標(biāo)準(zhǔn)，即混合模式通信協(xié)議和變送器電子數(shù)據(jù)表格式（Mixed-modeCommunicationProtocolsandTransducerElectronicDataSheet（TEDS）Formats）。IEEE1451.1、IEEE1451.2和IEEE1451.3標(biāo)準(zhǔn)主要針對(duì)可數(shù)字方式讀的具有網(wǎng)絡(luò)處理能力的傳感器和執(zhí)行器。IEEEP1451.4標(biāo)準(zhǔn)主要致力于基于已存在的模擬量變送器連接方法提出一個(gè)混合模式智能變送器通信協(xié)議：混合模式接口一方面支持?jǐn)?shù)字接口對(duì)TEDS的讀寫(xiě)，另一方面也支持模擬接口對(duì)現(xiàn)場(chǎng)儀器的測(cè)量；同時(shí)使用緊湊的TEDS對(duì)模擬傳感器的簡(jiǎn)單、低成本的連接。基于IEEEP1451.4混合模式智能變送器接口如圖6所示。
　　
　?、蔍EEEP1451.5
　　
　　IEEEP1451.5提議標(biāo)準(zhǔn)，即無(wú)線(xiàn)通信與變送器電子數(shù)據(jù)表格式（WirelessCommunicationandTransducerElectronicDataSheet（TEDS）Formats）。該提議標(biāo)準(zhǔn)于2001年6月推出的，旨在現(xiàn)有的IEEEP1451框架下，構(gòu)筑一個(gè)開(kāi)放的標(biāo)準(zhǔn)無(wú)線(xiàn)傳感器接口，以適應(yīng)工業(yè)自動(dòng)化等不同應(yīng)用領(lǐng)域的需求。
　　
　　4.2IEEEP1451智能變送器接口標(biāo)準(zhǔn)族體系結(jié)構(gòu)
　　
　　IEEEP1451標(biāo)準(zhǔn)可以分為面向軟件的接口與面向硬件的接口兩大部分。軟件接口部分借助面向?qū)ο竽Ｐ蛠?lái)描述網(wǎng)絡(luò)化智能變送器的行為，定義了一套使智能變送器順利接入不同測(cè)控網(wǎng)絡(luò)的軟件接口規(guī)范；同時(shí)通過(guò)定義一個(gè)通用的功能、通信協(xié)議和電子數(shù)據(jù)表格式，以達(dá)到加強(qiáng)IEEEP1451族系列標(biāo)準(zhǔn)之間的互操作性。軟件接口部分主要由IEEE1451.1和IEEEP1451.0組成。硬件接口部分是由IEEE1451.2、IEEE1451.3、IEEEP1451.4和IEEEP1451.5組成，主要是針對(duì)智能傳感器的具體應(yīng)用而提出來(lái)的。圖7描述了IEEEP1451標(biāo)準(zhǔn)族的整體框架和各成員間的關(guān)系。　　
　　需要指出的是，145l.X雖然是互相協(xié)同工作的，但它們也可以彼此獨(dú)立發(fā)揮作用。1451.1可以不需要任何1451.X硬件接口而使用，1451.X硬件接口也可以不需要1451.X軟件接口，但其軟件必須要提供相應(yīng)的功能如傳感器數(shù)據(jù)或信息的網(wǎng)絡(luò)傳輸。
　　
　　5、結(jié)論
　　
　　網(wǎng)絡(luò)化智能傳感技術(shù)研究方興未艾，建立、開(kāi)發(fā)適用于工業(yè)控制系統(tǒng)的智能傳感器接口將成為今后一段時(shí)間內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)化組織的主要任務(wù)。毫無(wú)疑問(wèn)，隨著IEEEP1451智能變送器接口標(biāo)準(zhǔn)族體系的建立與完善，基于IEEEP1451標(biāo)準(zhǔn)族所定義的網(wǎng)絡(luò)化智能傳感技術(shù)代表了未來(lái)測(cè)控系統(tǒng)的發(fā)展方向，必將會(huì)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。