第10讲IEEE1451标准和蓝牙技术1

IEEE1451标准和蓝牙仪器科学与光电工程学院教师：吴银锋[e-mail]2015年11月1日《传感系统与网络》之：智能传感器基本单元1.敏感元件或敏感元件阵列2.激励控制单元3.放大4.模拟滤波5.信号转换6.补偿7.数字信号处理8.数字通信智能传感器的组成及特点引言2引言智能传感器（系统）：传感器与微处理器赋予智能的集合，兼有信息检测与信息处理功能的传感器(系统)简单的说，所谓智能传感器：就是带微处理器、兼有信息检测、信息处理功能和信息传输功能的传感器（系统）。智能传感器的最大特点就是将传感器检测信息的功能、微处理器的信息处理功能、网络化信息传输功能有机地融合在一起。3智能传感器的组成及特点智能传感器的功能（1）具有自校准和自诊断功能。智能传感器不仅能自动检测各种被测参数，还能进行自动调零、自动调平衡、自动校准，某些智能传感器还能自标定功能。（2）具有数据存储、逻辑判断和信息处理功能，能对被测量信号进行信号调理或信号处理（包括对信号进行预处理、线性化，或对温度、静压力等参数进行自动补偿等）。4智能传感器的组成及特点（3）具有组态功能，使用灵活。在智能传感器系统中可设置多种模块化的硬件和软件，用户可通过微处理器发出指令，改变智能传感器的硬件模块和软件模块的组合状态，完成不同的测量功能。（4）具有双向通信功能，能直接与微处理器（μP）或单片机（μC）通信。5网络化智能传感器网络化智能传感器是传感器技术与计算机通信技术相结合的产物。随着计算机技术、网络技术和通信技术的高速发展，出现了网络化的自动测试技术。网络化测试系统实现了大量复杂的远程测试，是信息时代测试的必然趋势。网络化智能传感器致力于研究智能传感器的网络通信功能。目前，根据网络通信方式分有线和无线网络化传感系统两大类。6网络化智能传感器网络化智能传感器：工业应用中，有线的网络化智能传感器，常常是基于各种总线（Modbus、CAN、IEEE1451…）的网络化传感系统。无线的网络化智能传感器，目前又称为无线传感器网络，主要是基于无线通信协议（蓝牙、Zigbee、无线Hart100…）的网络化传感系统。7网络化智能传感器网络化智能传感器主要包括三种形式：1基于现场总线的智能传感器2基于TCP/IP协议的智能传感器3无线传感器网络8网络化智能传感器9网络化智能传感器10网络化智能传感器网络化智能传感器以嵌入式微处理器为核心，集成了传感单元、信号处理单元和网络接口单元的新一代传感器。特点：功耗低，体积小，抗干扰性和可靠性高多敏感功能能自校正，有很高的线性度和测量精度方便接入网络，降低了现场布线的复杂程度11授课内容IEEE1451标准蓝牙技术12SmartSensorEnablers如此多的传感器、处理器、如此多的网络类型，如何实现快速开发？Nielsen’sLaw13例子MarsClimateObservatoryCrash:Sept.23,1999,$125M,10months/1MkmRootCause:Failuretousemetricunitsinthecodingofagroundsoftwarefile,“SmallForces,”usedintrajectorymodels14IEEE1451起源InstituteforElectricalandElectronicEngineers电气和电子工程师学会[美]IEEENationalInstituteofStandardTechnology,(美国)国家标准技术研究所•NIST15IEEE1451起源IEEE和NIST目的：开发一个与网络、传感器提供商都无关的传感器接口，即一套通用的通信接口，以使变送器能够独立于网络，并与现有微处理器的系统、仪器仪表和现场总线网络相连接，解决不同网络间的兼容问题，最终实现变送器到网络的互换性和互操作性；提供TEDS（传感器电子数据表）标准格式；定制传感器数据、控制、定时、结构和校准的通用模式；避免易出的错误和人为数据进入，省略系统构成的步骤，使得传感器或执行器的有线、无线连接变得容易。16IEEE1451起源GeneralModelofaSmartSensor17IEEE1451起源IEEE1451PartitionofGeneralModel18IEEE1451起源19MeasurementProcess20Publish/SubscribeMeasurementStreamExampleExample：NCAPsetsupstreamingmeasurementwithclient/servermessageSTIM'speriodictimertriggersmeasurementprocessMeasurementresultsarepublishedbacktoNCAP21IEEE1451标准软件接口部分借助面向对象模型来描述网络智能变送器的行为，定义了一套使智能变送器顺利接入不同测控网络的软件接口规范；同时通过定义通用的功能、通信协议及电子数据表格式，以达到加强IEEE1451族系列标准之间的互操作性。软件接口部分主要由IEEE1451.1和IEEE1451.0组成。硬件接口部分是由IEEE1451.X（X代表2—6）组成，主要是针对智能传感器的具体应用而提出来的。22IEEE1451FamilyThe1451familyofstandardsincludes:[2]1451.0-2007IEEEStandardforaSmartTransducerInterfaceforSensorsandActuators–CommonFunctions,CommunicationProtocols,andTransducerElectronicDataSheet(TEDS)Formats1451.1-1999IEEEStandardforaSmartTransducerInterfaceforSensorsandActuators–NetworkCapableApplicationProcessorInformationModel1451.2-1997IEEEStandardforaSmartTransducerInterfaceforSensorsandActuators–TransducertoMicroprocessorCommunicationProtocols&TEDSFormats1451.3-2003IEEEStandardforaSmartTransducerInterfaceforSensorsandActuators–DigitalCommunication&TEDSFormatsforDistributedMultidropSystems1451.4-2004IEEEStandardforaSmartTransducerInterfaceforSensorsandActuators–Mixed-ModeCommunicationProtocols&TEDSFormats1451.5-2007IEEEStandardforaSmartTransducerInterfaceforSensorsandActuators–WirelessCommunicationProtocols&TransducerElectronicDataSheet(TEDS)Formats1451.7-2010IEEEStandardforaSmartTransducerInterfaceforSensorsandActuators–TransducerstoRadioFrequencyIdentification(RFID)SystemsCommunicationProtocolsandTransducerElectronicDataSheetFormats23IEEE1451Family24IEEE1451Family25IEEE1451FamilyIEEE1451体系结构26IEEE1451.0标准IEEE1451.0提议标准通过定义一个包含基本命令设置和通信协议、独立于NCAP到变送器模块接口的物理层，为不同的物理接口提供通用、简单的标准。IEEE1451.027IEEE1451.0标准开放系统互连OSI7层协议28IEEE1451.1标准定义了网络独立的信息模型，使传感器接口与NCAP相连，它使用了面向对象的模型定义提供给智能传感器及其组件。该模型由一组对象类组成，这些对象类具有特定的属性、动作和行为，它们为传感器提供一个清楚、完整的描述。该模型也为传感器的接口提供了一个与硬件无关的抽象描述。该标准通过采用一个标准的应用编程接口（API）来实现从模型到网络协议的映射。同时，这个标准以可选的方式支持所有的接口模型的通信方式，如其它的IEEE1451标准提供，如STIM、TBIM（TransducerBusInterfaceModule）和混合模式传感器。IEEE1451.1标准IEEE1451.1标准是围绕着面向对象系统技术建立的，这些系统中的核心是类的概念。一个类描述功能模块所共有的特征，这些功能模块被称为实例或对象。基本类的概念被附加的规范所扩展以用于IEEE1451.1。这些规范包括发布集合（类所产生的事件），订阅集合（类所相应的时间），状态机（一个大规模的状态转换规则标准集）及一组数据类型的定义（提供互用性所必需的一部分特性）。IEEE1451.1变送器接口3030IEEE1451.1ClassHierarchyIEEE1451.1层次结构31IEEE1451.1标准IEEE1451.1实现模型32IEEE1451.1标准优点丰富的通信模型支持客户机/服务器模型和发布/订阅模型强有力的模型简化了分布式测控系统软件的开发和系统的复杂度、模块化的结构可以容易的定制任意大小的系统、现场总线无关、总线和现场设备对应用来说是透明的33IEEE1451.2标准1451.2标准规定了一个连接传感器到微处理器的数字接口，描述了电子数据表格TEDS（TransducerElectronicDataSheet）及其数据格式，提供了一个连接STIM和NCAP的10线的标准接口TII，使制造商可以把一个传感器应用到多种网络中，使传感器具有“即插即用(plug-and-play)”兼容性。这个标准没有指定信号调理、信号转换或TEDS的如何应用，由各传感器制造商自主实现，以保持各自在性能、质量、特性与价格等方面的竞争力。34IEEE1451.2标准Plugandplay例子35IEEE1451.2标准36IEEE1451.2标准TII信号和控制线示意图3738IEEE1451.3标准IEEEP1451.3提议定义一标准的物理接口指标，为以多点设置的方式连接多个物理上分散的传感器。这是非常必要的，比如说，在某些情况下，由于恶劣的环境，不可能在物理上把TEDS嵌入在传感器中。IEEEP1451.3标准提议以一种“小总线”（mini-bus）方式实现变送器总线接口模型（TBIM），这种小总线因足够小且便宜可以轻易的嵌入到传感器中，从而允许通过一个简单的控制逻辑接口进行最大量的数据转换。39IEEE1451.3标准40IEEE1451.3标准所有TBIM都包含有五个通信函数，如表1所示。这些通信函数将在一个物理传输媒介上最少利用其中两个通信通道。通信通道将与启动变送器的电源共享这个物理媒介。对高功耗的变送器来说，通过通信电缆共享也许是不够的，这时可提供外电源来驱动变送器。41IEEE1451.4标准IEEE（Mixed-modeCommunicationProtocolsandTransducerElectronicDataSheet（TEDS）Formats）。标准主要致力于基于已传统的模拟量变送器连接方法，提出一个混合模式智能变送器通信协议，混合模式接口支持模拟接口对现场仪器的测量和数字接口对