基于IEEE1451.2网络化智能变送器的研究 发布时间：2009-09-03 21:40:37

技术类别：测试测量

[摘要]为了解决网络化智能变送器之间互不兼容、互操作性差等问题，我们对国际电子电气工程师协会IEEE组织提出的IEEE1451协议族进行了研究，并研制了IEEE1451.2网络化智能变送器。本文对网络化智能变送器的总体设计方案以及关键技术的实现进行了深入探讨，最后给出了测试实验结果。实践结论充分说明了研制的IEEE1451.2网络化智能变送器符合国际标准协议，解决了变送器的互操作性和互换性难题。

[关键字] IEEE1451.2 网络化智能变送器 以太网 校正引擎 即插即用

中图分类号：

The Research of Networked Smart Transducer Based on IEEE1451.2 Protocol

(Institute of Intelligent Measurement and Control，Jilin University Changchun，130026)

[Abstract] In order to resolve the difficult problems of networked smart transducer interface’s incompatibility, we have done some researches on the IEEE1451 protocol family, which is put forward by IEEE organization, and have developed networked smart transducer according to IEEE1451.2. This paper discusses the design ideas and the implementations of the key technologies for networked smart transducer in detail; at last it presents the experiments results. Practices show that the IEEE1451.2 networked smart transducer developed by us adapts to the standard and realizes the inter-operability and inter-changeability for smart transducer each other.

[Keyword] IEEE1451.2 Networked Smart Transducer Ethernet Correction Engine Plug & Play

1 引 言

传感器技术、通信技术和计算机技术是信息学科的三大基础，他们分别完成信息的获取、传输和处理，是当代科学技术发展的一个重要标志。三大信息技术的融合产生了基于各类现场总线的网络化智能变送器，在大型分布式测控系统中得到广泛应用，促进了各行各业的发展。但是，由于现场总线的多样性，变送器之间的兼容与接口问题以及网络互操作性问题日益突出。并且，目前各大传感器厂商为了保持自己的市场份额，各自为阵，现场总线在短期内难以统一，这就给系统集成和系统维护带来了巨大的困难。针对上述问题，国际电子电气工程师协会（IEEE）审时度势，建立专家组制定了IEEE1451协议族，使得基于各类现场总线的网络化智能变送器能够相互兼容，最终实现各大厂商变送器之间的互换性和互操作性。

笔者所在的实验室承担了吉林省科技厅项目，对IEEE1451协议展开了研究，并成功研制了系列符合IEEE1451.2协议的网络化智能变送器，包括CH4、CO2、CO网络化智能变送器和温湿度网络化智能变送器，这些变送器可以应用于环境监测、智能建筑等分布式测控领域。本文以此为背景，重点阐述基于IEEE1451.2标准网络化智能变送器的设计以及关键技术的实现。

2 IEEE1451协议体系架构

IEEE 1451标准可以分为面向软件接口与面向硬件接口两大部分。软件接口部分借助面向对象模型来描述网络化智能变送器的行为，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；同时通过定义一个通用的通信协议和电子数据表格，加强IEEE 1451协议族系列标准之间的互操作性。软件接口部分主要由IEEE 1451.1和IEEE 1451.0组成。硬件接口部分由IEEE 1451.2、IEEE 1451.3、IEEE 1451.4和IEEE P1451.5组成，主要是针对智能变送器的具体应用提出来的。图1描述了IEEE 1451协议族的整体框架和各成员间的关系。值得注意的是，145l.X不仅可以相互协同工作的，而且也可以彼此独立发挥作用。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软件接口而独立工作。

3 网络化智能变送器总体设计

研制的网络化智能变送器采用以太网总线，主要有如下三点原因。第一，工业以太网总线是未来现场总线的主流，有可能取代其他现场总线。研究以太网总线适应了时代发展的潮流；第二，以太网技术是流行的计算机网络技术，基于以太网总线的网络化智能变送器可以成为Internet的节点，实现远程测控，构建大型分布式系统；第三，融合了工业控制网和信息网，简化了测控网络架构，很好实现了信息共享。

符合IEEE1451.2的网络化智能变送器设计原理框图如图3所示，其由STIM和NCAP两部分构成。STIM包含敏感/执行单元、信号调理模块、数据转换模块、TEDS电子数据表格、TII接口协议处理软件以及其它应用软件。信号调理模块根据变送器的类型有所不同，它实现将传感器信号调理到合适的范围输入至模数转换单元或者将数模转换结果调理之后送给执行单元。TEDS表格是STIM的核心之一，它保存在非挥发存储器中，供其他软件读写。NCAP包含的模块较多，和IEEE1451协议相关的有智能接口TII协议处理单元、变送器输入/输出特性校正算法、自动识别、配置等应用软件，和以太网络相关的有嵌入式TCP/IP通信协议单元、静态/动态网页模块、SMTP电子邮件协议等，另外为了实现STIM热插拔和提高系统性能，NCAP还包含热插拔控制单元和嵌入式实时操作系统。

3.1 网络应用处理器设计

NCAP的软件功能主要包括IEEE1451协议处理、以太网络通信以及传感器数据校正三方面。为了简化编程，提高程序运行的实时性，在NCAP平台上精简移植了嵌入式实时操作系统uC/OS。uC/OS是一种可剥夺型的多任务操作系统内核，它实现了任务的调度、任务之间通信的管理以及内存的管理等，并且许多功能都可以自定义精简。

网络应用处理器NCAP硬件设计框图如图4所示。其核心部分是TI公司提供的16位定点数字信号处理器TMS320VC5402。该DSP具有很强的数字信号处理能力，内部集成硬件乘法器单元，具有多级流水线，最高能够达到100MIPS的指令周期，很好的满足了智能传感器非线性自校正、自补偿算法的要求。DSP外扩了256KW Flash程序存储器，该存储器不仅可以存储用户程序，而且可以存储用户静态网页和Java Applet等数据。由于NCAP上需要运行RTOS以及嵌入式TCP/IP协议栈，这些实现都需要较大内存空间，因此外扩32KW静态RAM作为系统的数据存储单元。以太网的实现基于RTL8019AS网络控制器，该芯片实现物理层，其它层次由软件实现。NCAP的配置需要通过串口或者以太网实现，设计选用了MAXIM公司提供的MAX3111实现NCAP的串口通信，该芯片实现了SPI和UART之间的相互转换，很好的完成了DSP的串口通信。在TII智能总线扩展方面，采取了DSP I/O资源和SPI总线模拟TII智能总线的方法，并且在扩展总线上都加入了74HC245，实现TTL电平转换。由于TII智能总线允许热插拔，因此采用MAX4370热插拔控制器实现热插拔过程中浪涌电流的抑制，达到了满意效果。

NCAP的软件功能主要包括IEEE1451协议处理、以太网络通信以及传感器数据校正三方面。为了简化编程，提高程序运行的实时性，在NCAP平台上精简移植了嵌入式实时操作系统uC/OS。uC/OS是一种可剥夺型的多任务操作系统内核，它实现了任务的调度、任务之间通信的管理以及内存的管理等，并且许多功能都可以自定义精简。

3.2 智能变送器接口模块设计

对于不同的智能变送器，STIM的设计各不相同。但是，除了前端传感器功能部分，其它部分大致相同，这里给出了温湿度STIM的原理框图，如图4所示。该模块的核心单元是AD公司提供的片上系统ADuC812，该芯片集成了多通道ADC、多通道DAC、Flash存储器、52单片机内核以及SPI、UART等接口控制器,是STIM模块设计的理想选择。

湿度传感器采用湿敏电阻，温度传感器选择AD590，通过信号调理之后送入ADuC812内部的多通道ADC，经过采样、量化之后得到温度值和湿度值。由于温度是湿敏电阻的交叉敏感参量，因此，通过检测到的温度值对湿度进行补偿，提高湿度检测的准确性。值得注意的是所有补偿算法都在DSP中实现，在STIM中只需将补偿校正模型存储在标准的Calibration-TEDS中。

由于ADuC812含有SPI总线接口，因此可以基于该SPI总线和其他I/O资源扩展TII智能接口，实现与NCAP的通信。ADuC812内部含有640字节的Flash存储器，可以作为电子数据表格TEDS的存储空间，无需外扩Flash存储单元。

4 网络化智能变送器关键技术探讨

4.1以太网总线技术实现

以太网总线是网络化智能变送器实现的关键和难点，是网络应用处理器NCAP开发的重点。以太网总线的实现方法有三种，第一，采用FPGA实现物理层、网络接入层、传输层等各层的描述，该方法难度较大；第二，采用专用的物理层控制器以及协议处理芯片实现以太网数据传输，该方法灵活性较差；第三，基于物理层网络控制器和微处理器实现网络传输，该方法灵活性大，难度适中，可以实现协议的精简。设计选用了第三种方案。

4.1.1 物理层接口的实现

物理层接口的实现基于台湾Realtec公司生产的RTL8019AS网络控制器。该芯片支持IEEE802.3协议；支持8/16位数据总线；内置16KB收发缓存SRAM；全双工，最高传输速率10Mbps；采用ISA总线接口方式；支持10 Base5，10 Base2，10 Base T，并能自动检测所连接的介质，在嵌入式系统中得到广泛应用。

RTL8019AS支持即插即用（PNP）、JUMPER和JUMPERLESS三种初始化模式，PNP模式在PC系统中常用，JUMPER模式通过拨码开关配置控制器的系统资源。这里采用JMPERLESS模式，利用AT93C46上电配置RTL8019AS，初始化系统物理地址、中断和I/O基地址。AT93C46为1Kbit容量的SPI接口存储器，00H~03H的地址空间用于存储RTL8019AS内配置寄存器CONFIG1~4的上电初始化值， 04H~11H地址用于存储网络节点物理地址（MAC）。RTL8019AS通过引脚EECS、EESK、EEDI和EEDO与AT93C46相连，上电初始化时RTL8019AS自动读取AT93C46中的内容，对寄存器进行配置。工作时可以通过操作RTL8019AS的9346CR寄存器实现对EECS等引脚的控制，这样可以将系统的物理地址、IP地址、子网掩码和网关等信息存储在AT93C46中，通过串口或者以太网接口实现系统地址等信息的更改和配置。

网络控制器RTL8019AS与TMS320VC5402相连，其接口原理如图6所示。在接口设计的过程中需要注意TTL电平和3.3V CMOS电平之间的转换，这里采用了74ALVC164245电平转换芯片。网络控制器和DSP之间采用16位总线工作方式，因此需要将RTL8019AS的# IOCS16引脚上拉。需要注意的一点是DSP与网络控制器之间的速度匹配问题，为了实现速度匹配，可以将IOCHRDY信号作为DSP的等待控制信号。

4.1.2 通信协议的实现

以太网总线开发难点在于嵌入式TCP/IP协议栈的实现，TCP/IP协议是ISO（International Standard Organization）组织提出的开放系统互连模型OSI(Open System Interconnect)的一种四层精简。协议分为物理层、互联网层、传输层和应用层，其中物理层由上述的RTL8019AS网络控制器实现，互联网层和传输层是协议设计的关键和难点，应用层实现用户功能，与通信无关。TCP/IP协议复杂庞大，考虑到嵌入式系统资源和功能的有限性，没有必要实现全部的协议，需要对协议栈进行精简。设计根据系统功能精简实现了ARP、IP、ICMP、TCP和UDP等协议，各层协议之间的关系如图7所示。

网络化智能变送器节点数据传输分为两种模式。一种是主动传输模式，网络变送器节点为客户端，主动向服务器发送数据；另一种是被动传输模式，网络变送器节点为服务器端，客户端请求后发送数据。针对这两种不同的传输模式，通信协议采用了不同的精简方法，特别是TCP状态机。如图8，变送器节点为服务器时的TCP精简状态机，被动发起/关闭TCP连接，当传感器节点为客户机时，需要主动发起/关闭TCP连接，通过这样的精简，大大减少了程序代码，简化了协议栈的开发。

由于变送器节点传输的数据量有限，因此IP协议处理程序不支持数据包的分段，降低了IP协议处理程序的编写难度。为了提高传输的可靠性，TCP采用定时重传机制，定时重传最简单的办法是备份最近发送的数据报文，但是在嵌入式系统中，这种办法浪费硬件资源，因此设计采用了一种比较经济、速度影响不大的办法，将数据报文中的关键信息保存起来，使得传输的报文能够重新生成，大大节约了内存资源。在地址解析协议实现程序中，需要维护一个动态学习到的地址信息表格，由于内存资源有限，表格保存了10个地址信息。为了使地址信息表不断更新，变送器节点每隔60s动态刷新表格，将超时的地址信息扔掉，另外，在ARP接收函数中，不断采用新的IP地址来更新老的地址信息。

4.1.3 应用层协议的实现

传统的网络化智能变送器应用层往往采用客户机/服务器（C/S）模式。在这种模式下，客户机请求一次，传感器发送一次数据，对于很多应用是可行的，但对于一些数据量小、无须实时传输或者定时传输的应用，C/S模式不是最佳方案，因此，在研究了C/S模式的基础上，系统还实现了浏览器/服务器（B/S）模式和电子邮件等传输模式。

对于以太网而言，C/S模式的实现关键在于Socket套接技术的实现。套接字技术是网络编程基础，在VC++开发环境下采用Connect()、Send()和Recv()等API函数实现套接字编程。C/S模式的应用层协议可以自定义，也可以采用开放的现场总线应用层协议标准。

B/S模式实现的关键在于超文本传输协议(HTTP)的实现。客户端通过浏览器访问变送器节点就可以获取该变送器的嵌入式网页，通过该网页实现节点的操作，符合“瘦客户端”发展方向。由于嵌入式系统资源的限制，Web服务器不可能做得很大，基于CGI技术的动态网页较难实现。因此，设计采用Java Applet技术和Socket技术结合实现了动态网页，满足了网络化智能变送器的要求。Java Applet是Java程序的一种，它的运行环境是带Java解释器的浏览器。Java开发工具较多，可以采用Visual J++工具实现Java Applet程序的编写、编译和调试，最后生成后缀为.class的二进制文件，将该文件下载存储到智能变送器的Flash中。客户端浏览变送器节点，获取Java Applet二进制文件，浏览器解释执行Java小程序，实现动态网页，弥补了HTML语言动态交互能力的不足。

电子邮件实现的关键在于简单电子邮件协议(SMTP)的实现。SMTP协议是TCP/IP协议族的一员，其通信模型并不复杂，适合工作于嵌入式环境。它的主要工作集中在发送SMTP和接收SMTP上，发送SMTP客户机首先建立一条连接到电子邮件服务器的TCP通讯链路，发送客户端负责向接收服务器发送SMTP标准命令，而接收服务器则负责接收并反馈应答。SMTP协议规定的数据传输基于字符串流。

4.2 智能变送器校正引擎的实现

智能变送器普遍存在输入输出之间的非线性，通过电路、材料和工艺的改进无法完全达到输入和输出之间的线性化。另外，温度、电源漂移等交叉敏感参量影响智能传感器的零位电压以及灵敏度，因此，往往需要通过硬件或者软件手段对传感器进行校准，消除交叉敏感参数的影响。设计的IEEE1451网络化智能变送器采用校正引擎实现变送器的校准，充分体现了变送器“智能”的特点。

4.2.1 校正引擎原理

校正引擎(Correction Engine)是指应用特定的数学函数将来自一个或多个STIM的数据或来自其他途径的数据融合起来,应用数学公式或存储的多项式系数为校准通道校正出一个精确的数据，其模型如图9所示。校正引擎同时执行校正和转换,包括将传感器获得的数据转换成物理量和将物理量转换成执行器所需的数据。协议规定，校正模型存储在STIM的Calibration TEDS中，NCAP通过数字接口TII从STIM中获取模型等数据提供给校正引擎。校正引擎根据读入的通道校正模型，被测物理量单位，校准系数和传感器的实际输出等数据，将其转换为实际的输入物理量或输出数据。IEEE1451.2协议规定的校正数学模型采用多项式函数来表示，如式4-1所示。

式中， 为从传感器输出或向执行器输入的变量值， 表示输入变量的偏移量， 表示输入变量的阶数， 为多项式每一项的系数，后面的三个量都存储在STIM的Calibration TEDS中。IEEE1451.2协议虽然定义了校正数学模型，但是模型的系数获取方法并未定义，对于不同的回归方法，校正模型的精度各不相同，因此，校正引擎的实现关键在于校正方法的研究。

4.2.2 校正方法

针对不同变送器以及误差要求分别研究了插值法、最小二乘融合法和神经网络法得到多项式模型系数。插值法的前提是标定数据为精确数据，拟合曲线通过这些标定数据，为了避免插值多项式阶数过高，往往采用分段插值的方法，为了加速插值多项式的求解过程，提高DSP自校准算法的效率，可以采用规范化多项式求解的方法。

最小二乘拟合适用于输入输出线性度较好的场合，在传感器存在交叉敏感参数的情况下，通过最小二乘实现多维方程的回归，对交叉敏感参数进行补偿。为了降低拟合多项式的阶数，往往采用分段拟合的办法，为了保证较好的光滑性，可以采用样条函数进行拟合。如图10所示为吉林大学敏感技术实验室研制的CH4气体传感器的3阶最小二乘拟合结果。

人工神经网络（Artificial Neural Networks）是对人类大脑系统一阶特性的简单描述，是由大量神经元组成的非线性大规模自适应系统，能够应用于智能变送器的校正、补偿领域。神经网络模型多种多样，为了得到校正多项式的回归系数，可以采用函数链神经网络模型（FLNN）。通过该模型的学习、自动调整权值系数，直至估计误差的均方值足够小时得到回归系数。DSP可以运行FLNN模型算法，实现智能传感器的非线性自校准。

4.3 即插即用、热插拔实现

即插即用是IEEE1451网络化智能变送器的一大特点，其实现的关键在于协议定义了标准的电子数据表格TEDS。协议规定每个传感器/执行器通道所对应的物理量单位、数据模型、访问模式以及智能变送器的厂商ID、产品ID等信息都存储在标准的TEDS中，因此，变送器的所有特征参数都可以从这些表格中获取。在使用过程中，NCAP只需读取电子数据表格，解析所有参数，就能够识别智能变送器节点，完成STIM的即插即用和自动配置。因此，用户可以做到完全不理会STIM的接口，可以根据自己的需要随意选择不同厂家生产的STIM而不用考虑会受到控制网络的影响，从而实现了真正意义上的即插即用。

IEEE1451.2标准规定了8种不同的数据表格，其中Meta TEDS和Channel TEDS是必备的，其他的可以选择使用，包括Calibration TEDS、Channel Identification TEDS等。在协议程序实现时可以将TEDS表格定义成各种结构体，便于操作和数据解析。

热插拔是智能变送器接口模块STIM必须具备的能力，实现智能变送器的热插拔便于测控系统的维护。电子设备在热插拔的过程中，由于输入电容的充放电会形成较大的瞬态浪涌电流，这个浪涌电流会使得正常工作的主机系统死机或者导致系统瘫痪及损坏。因此，热插拔设计的重点在于瞬态浪涌电流的抑制，设计采用了Maxim公司提供的热插拔控制器MAX4370配合N沟道低导通电阻MOSFET实现瞬态电流的控制，解决了STIM的热插拔问题。

5 实验及结果

如图11所示为研制的温湿度网络化智能变送器实物，图A为基于DSP的网络应用处理器NCAP，图B为智能变送器接口模块STIM。在实验室网络条件下，分别对CH4、CO2以及温湿度网络化智能变送器进行了测试实验。实验内容包括网络速度测试、套接字通信测试、嵌入式Web测试、Java Applet动态网页测试、电子邮件发送测试、传感器即插即用、热插拔测试以及传感器自动识别等测试。

如图12所示为基于套接字技术的IEEE1451.2智能变送器演示软件通过以太网络访问温湿度智能传感器的测试结果。图A为IEEE1451.2网络化智能变送器演示界面，图B为TEDS管理器获取的Meta_TEDS演示数据，图C为数据监测模块获取的温湿度监测曲线。所有的测试结果都充分说明了研制的IEEE1451.2网络化智能变送器完全符合IEEE1451.2协议标准并且能够很好的实现了以太网络的各种传输及控制。

6 结束语

网络化智能变送器的接口问题是传感器研究领域的一大难题，IEEE1451协议族能够实现变送器的互换性和互操作性，而与现场网络类型无关，解决了变送器接口问题，因此受到了各方面的广泛关注。我们对IEEE1451.2协议进行了研究，并且研制了基于以太网总线的系列IEEE1451.2网络化智能变送器，通过实践论证这些变送器符合IEEE1451.2协议，能够应用于环境监测和智能建筑等分布式测控领域。本文的研究为IEEE1451网络化智能变送器的研制和开发提供一定的参考。

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