摘要：IEEE 1451標準由IEEE 1451.1、1451.2、P1451.3和P1451.4組成。它定義了一套連接傳感器到網絡的標準化通用接口，建立了網絡化智能傳感器的框架，這使得傳感器制造商有能力支持多種網絡。然而，IEEE 1451標準在應用中存在著一些困難。本文簡要介紹IEEE 1451標準的內容和發(fā)展過程，分析限制該標準應用的一些原因，討論IEEE 1451.x標準之間的關系，給出一個用于機器人手爪的基于IEEE 1451.1標準的網絡化智能傳感器的例子。 一、引言 為了解決傳感器與各種網絡相連的問題，以Kang Lee為首的一些有識之士在1993年就開始構造一種通用智能化傳感器的接口標準。在1993年9月，IEEE第九屆技術委員會即傳感器測量和儀器儀表技術協(xié)會決定制定一種智能傳感器通訊接口的協(xié)議，在1994年3月，美國國家技術標準局NIST和IEEE共同組織了一次關于制定智能傳感器接口和制定智能傳感器連接網絡通用標準的研討會，從這以后已連續(xù)舉辦了4次會議，討論這種標準建立方面的細節(jié)問題，即IEEE 1451傳感器／執(zhí)行器智能變送器接口標準。直到1995年4月，成立了兩個專門的技術委員會：P1451.1工作組和P1451.2工作組。P1451.1工作組主要負責對智能變送器的公共目標模型進行定義和對相應模型的接口進行定義；P1451.2工作組主要定義TEDS和數(shù)字接口標準，包括STIM和NACP之間的通訊接口協(xié)議和管腳定義分配。1995年5月即給出了相應的標準草案和演示系統(tǒng)。經過幾年的努力，IEEE會員分別在1997年和1999年投票通過了其中的IEEE 1451.2和IEEE 1451.1兩個標準，同時新成立了兩個新的工作組對1451.2標準進行進一步的擴展，即IEEE P1451.3和IEEE P1451.4。IEEE、NIST和波音、惠普等一些大公司積極支持IEEE1451，并在傳感器國際會議上進行了基于IEEE 1451標準的傳感器系統(tǒng)演示。 二、網絡化智能傳感器IEEE 1451標準簡介 1、IEEE 1451.2標準 1451.2標準規(guī)定了一個連接傳感器到微處理器的數(shù)字接口，描述了電子數(shù)據(jù)表格TEDS（Transducer Electronic Data Sheet）及其數(shù)據(jù)格式，提供了一個連接STIM和NCAP的10線的標準接口TII，使制造商可以把一個傳感器應用到多種網絡中，使傳感器具有“即插即用（plug-and-play）”兼容性。這個標準沒有指定信號調理、信號轉換或TEDS的如何應用，由各傳感器制造商自主實現(xiàn)，以保持各自在性能、質量、特性與價格等方面的競爭力。 2、IEEE 1451.1標準 IEEE 1451.1定義了網絡獨立的信息模型，使傳感器接口與NCAP相連，它使用了面向對象的模型定義提供給智能傳感器及其組件。如圖3所示為1451.1標準實現(xiàn)模型示意圖。該模型由一組對象類組成，這些對象類具有特定的屬性、動作和行為，它們?yōu)閭鞲衅魈峁┮粋€清楚、完整的描述。該模型也為傳感器的接口提供了一個與硬件無關的抽象描述。該標準通過采用一個標準的應用編程接口（API）來實現(xiàn)從模型到網絡協(xié)議的映射。同時，這個標準以可選的方式支持所有的接口模型的通信方式，如其它的IEEE 1451標準提供，如STIM、TBIM（Transducer Bus Interface Module）和混合模式傳感器。 1451.1標準支持的現(xiàn)場設備和應用提供了很多優(yōu)點，如豐富的通信模型、支持客戶機/服務器模型和發(fā)布/訂閱模型、強有力的模型簡化了分布式測控系統(tǒng)軟件的開發(fā)和系統(tǒng)的復雜度、模塊化的結構可以容易的定制任意大小的系統(tǒng)、現(xiàn)場總線無關、總線和現(xiàn)場設備對應用來說是透明的，等等。 IEEE 1451.1標準是圍繞著面向對象系統(tǒng)技術建立的，這些系統(tǒng)中的核心是類的概念。一個類描述功能模塊所共有的特征，這些功能模塊被稱為實例或對象?；绢惖母拍畋桓郊拥囊?guī)范所擴展以用于IEEE 1451.1。這些規(guī)范包括發(fā)布集合（類所產生的事件），訂閱集合（類所相應的時間），狀態(tài)機（一個大規(guī)模的狀態(tài)轉換規(guī)則標準集）以及一組數(shù)據(jù)類型的定義（提供互用性所必需的一部分特性）。 3、IEEE P1451.3標準 IEEE P1451.3提議定義一標準的物理接口指標，為以多點設置的方式連接多個物理上分散的傳感器。這是非常必要的，比如說，在某些情況下，由于惡劣的環(huán)境，不可能在物理上把TEDS嵌入在傳感器中。IEEE P1451.3標準提議以一種“小總線”（mini-bus）方式實現(xiàn)變送器總線接口模型（TBIM），這種小總線因足夠小且便宜可以輕易的嵌入到傳感器中，從而允許通過一個簡單的控制邏輯接口進行最大量的數(shù)據(jù)轉換。 IEEE P1451.3允許變送器的制造商以很高的性能價格比且系統(tǒng)內部可操作的特點生產變送器。這個標準既允許以相對較低的采樣速率和合適的時序要求來設計和生產簡單的設備，同時，在另一方面，也可兼容高達幾兆帶寬和小到納秒的時序要求的設備。也就是說，這兩種不同頻譜的設備能夠和平的共處于同一條總線上。圖4所示為IEEE P1451.3的物理連接表示。在圖4中，一條單一的傳輸線既被用作支持變送器的電源，又用來提供總線控制器與變送器總線接口模型TBIM的通信。這條總線可具有一個總線控制器和多個TBIM。網絡適配器（NCAP）包含了總線的控制器和支持很多不同終端、NCAP和變送器總線的網絡接口。如果變送器總線存在于網絡的內部，總線控制器只能在NCAP中；否則，它應該設在主機或其它的設備中。一個變送器總線接口模型TBIM可以有一到多個不同的變送器。 所有TBIM都包含有五個通信函數(shù)，如表1所示。這些通信函數(shù)將在一個物理傳輸媒介上最少利用其中兩個通信通道。通信通道將與啟動變送器的電源共享這個物理媒介。對高功耗的變送器來說，通過通信電纜共享也許是不夠的，這時可提供外電源來驅動變送器。 最簡單的系統(tǒng)只含有總線管理通信通道，它被用作所有的通信通道?？偩€通信通道置于一個固定的頻率，或至少是一個小頻率，保證每一個總線控制器都能使用。對最簡系統(tǒng)來說，TBIM通信函數(shù)、同步函數(shù)、觸發(fā)函數(shù)和數(shù)據(jù)傳輸函數(shù)都共享同樣的通信通道。 IEEE P1451.3中定義了幾種TEDS。它們可以多種方式來劃分。一些TEDS是機器可讀且被用作允許總線控制器決定設備的特點；而其它TEDS是基于文本的用來說明設備如何操作的。三種機器可讀的TEDS對系統(tǒng)操作是必需的，其它的TEDS都是可選的。 對某些存貯器容量特別小或特殊環(huán)境不允許TEDS存貯于TBIM中的，可把TEDS置于遠程服務器上，這種遠程的TEDS在IEEE P1451.3中稱作虛擬TEDS。三種必需的TEDS是通信TEDS、模型總體TEDS和變送器特定的TEDS。 通信TEDS定義了TBIM的通信能力。每一個TBIM中只有一個通信TEDS。模型總體TEDS定義了TBIM的總體特征。每一個TBIM中只有一個模型總體TEDS。變送器特定的TEDS描述了每個變送器的特點。在TBIM中，每一個變送器都有一個變送器特定的TEDS。一般情況下，這些TEDS的容量是很小的，只有幾百個字節(jié)大小。但是，TBIM的存貯器的大小需求依賴于TBIM中變送器的數(shù)量。此外，IEEE P1451.3工作組正在考慮一些可選的TEDS。所有IEEE 1451.2中允許的TEDS都有可能包括在內。這些可選的TEDS中最常使用的是標定TEDS。這個TEDS提供了必要的常數(shù)來轉換原始的傳感器數(shù)據(jù)為工程單位的格式或者轉換工程單位格式到執(zhí)行器所需要的格式。一些其它的TEDS正在考慮，如傳輸函數(shù)TEDS能用來描述針對不同的輸入頻率時變送器的特點；數(shù)字濾波TEDS用來定義設置內部數(shù)據(jù)濾波以得到理想的頻率響應的系數(shù)等等。 4、IEEE P1451.4標準 NIST和IEEE工作組已部分完成了連接傳感器和執(zhí)行器到通信網絡，控制和測試系統(tǒng)的統(tǒng)一方法。IEEE 1451.1、IEEE 1451.2和IEEE P1451.3標準主要針對可數(shù)字方式讀的具有網絡處理能力的傳感器和執(zhí)行器。IEEE P1451.4 標準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混合模式智能變送器通信協(xié)議，它同時也為具有智能特點的模擬量變送器接口到合法的系統(tǒng)指定了TEDS格式。 這個提議的接口標準將與IEEE 1451.X網絡化變送器接口標準相兼容。 IEEE P1451.4提議定義一允許模擬量傳感器（如壓電傳感器、變形測量儀）以數(shù)字信息模式（或混合模式）通訊的標準，目的是傳感器能進行自識別和自設置。此標準同時建議數(shù)字TEDS數(shù)據(jù)的通訊將與使用最少量的線－遠遠少于IEEE 1451.2標準所需的10根線的傳感器的模擬信號共享。一個IEEE 1451.4的變送器包括一個變送器電子數(shù)據(jù)表格TEDS和一個混合模式的接口MMI。如圖5所示為IEEE P1451.4的混合模式變送器（傳感器和執(zhí)行器）和接口的關系圖。 作為IEEE 1451標準成員之一，IEEE P1451.4定義了一個混合模式變送器接口標準，如為控制和自我描述的目的，模擬量變送器將具有數(shù)字輸出能力。它將建立一個標準允許模擬輸出的混合模式的變送器與IEEE 1451兼容的對象進行數(shù)字通信。 每一個IEEE P1451.4兼容的混合模式變送器將至少由一個變送器、變送器電子數(shù)據(jù)表格TEDS和控制和傳輸數(shù)據(jù)進入不同的已存在的模擬接口的接口邏輯。見圖6。變送器的TEDS很小但定義了足夠的信息，可允許一個高級的1451對象來進行補充。 IEEE P1451.4工作組提議的這個標準允許模擬量變送器可與一個IEEE 1451對象進行數(shù)字通信。這個標準將定義通信協(xié)議和接口，以及變送器TEDS格式。這里的TEDS將以IEEE 1451.2的TEDS為基礎。但標準沒有指定變送器的設計，信號調理或TEDS的特別使用。 為了進行自我識別、自我描述和設置，有必要制訂一個允許模擬量變送器以數(shù)字方式通信這樣的標準。由于缺乏一個統(tǒng)一標準，一些變送器的廠家各自介紹了一些不同的實現(xiàn)方案，但都存在著接受的限制，不為公眾所認可。一個獨立的開放定義的標準將使?jié)撛诘挠脩?、變送器和系統(tǒng)生產廠家和系統(tǒng)集成商減少沖突與矛盾，使具有IEEE 1451.4接口和協(xié)議的產品之間互相兼容。這必將加速這項技術的誕生和被大家所接受。 IEEE P1451.4的TEDS是IEEE 1451.2標準定義的TEDS的一個子集，其目的是盡量減小TEDS存貯器的大小。IEEE P1451.4的TEDS設計的主要要素有：幫助用戶的相關信息、即插即用功能、支持所有的變送器類型、開放性以滿足個別需求和與IEEE 1451.2兼容。IEEE P1451.4的TEDS將包括以下內容： （1） 識別參數(shù)，如生產廠家、模塊代碼、序列號、版本號和數(shù)據(jù)代碼； （2） 設備參數(shù)，如傳感器類型、靈敏度、傳輸帶寬、單位和精度； （3） 標定參數(shù)，如最后的標定日期、校正引擎系數(shù)； （4） 應用參數(shù)，如通道識別，通道分組，傳感器位置和方向。 通過努力，IEEE P1451.4工作組將建立一個標準，允許模擬量輸出的混合模式變送器與高級的IEEE 1451對象進行數(shù)字通信。其中一個可能的實現(xiàn)如圖7所示。 三、IEEE 1451標準應用探討 自IEEE和NIST組織制定網絡化智能傳感器接口標準IEEE 1451以來，美國一些大公司積極參與IEEE 1451標準的制定，并在多次國際傳感器博覽會上進行了網絡化智能傳感器的演示和實驗，具體內容詳見參考文獻［10］，并有部分公司推出了網絡化智能傳感器系統(tǒng)開發(fā)工具。幾年過去了，基于IEEE 1451標準的產品問世不多?；萜展驹?000年初曾推出了支持IEEE 1451標準的BFOOT11501、66501和66502系列NCAP芯片，但到2000年底就宣布不再生產了，也就是說，目前的市場還沒有完全接受并推廣使用這個新的網絡化智能傳感器標準。國外是如此，而國內有一些關于IEEE 1451傳感器接口標準的綜述文章見于期刊，但關于基于IEEE 1451標準的網絡化智能傳感器的應用研究成果還未見報道，也沒有大公司宣布支持IEEE 1451標準。當然，一個新的標準要真正得到市場的認可是需要一定時間的。但出現(xiàn)目前這種狀況，我們認為除了標準本身的問題外，也有一些其它的因素。作者一直跟蹤學習這個標準，本文在這里提出對IEEE 1451標準實用化的幾點考慮，供大家參考。 1、現(xiàn)場總線廠商和傳感器制造商的支持不可或缺 自八十年代提出現(xiàn)場總線的概念以來，由于最初沒有統(tǒng)一的國際標準，國外一些企業(yè)，特別是美國、日本的一些大公司相互聯(lián)合在一起，紛紛制定出各自的總線標準，并推出了自己的產品。目前在市場上較為流行的現(xiàn)場總線主要有CAN（控制局域網絡）、LONWORKS（局部操作網絡）、PROFIBUS（過程現(xiàn)場總線）、HART（可尋址遠程傳感器數(shù)據(jù)通訊）、FF（基金會現(xiàn)場總線）等。由于這些企業(yè)本身在相應行業(yè)領域的壟斷地位，在不同的應用領域中都取得了很大的成功，從而導致目前市場上多種現(xiàn)場總線并存的現(xiàn)象。由于這些企業(yè)本身的優(yōu)勢不同，使用對象的差異，使得不同總線在各自領域中都有自身的優(yōu)勢。從商業(yè)上看, 各大現(xiàn)場總線技術廠商都不愿放棄已有的產品和市場, 短期內不愿尋求統(tǒng)一。作為針對現(xiàn)場總線之間這種不可互操作現(xiàn)實而制定的IEEE 1451標準，在各大現(xiàn)場總線技術廠商仍各自為政，不愿推廣使用這種標準的情況下，自然難有作為。 2、澄清對IEEE 1451.X之間關系的認識 IEEE 1451.2和IEEE 1451.1標準頒布以來，很多人都非常的困惑，把網絡化智能傳感器系統(tǒng)分成兩個模塊，即STIM和NCAP。而這兩個模塊都需要有微處理器，這就意味著要有兩套系統(tǒng)來分別作為STIM和NCAP的開發(fā)工具，無疑，這增加了標準推廣使用的難度。英國某大學曾把AD公司的AduC812作為一個STIM，把惠普公司的BFOOT66501作為NCAP，研制了一套網絡化智能傳感器系統(tǒng)，用于對氣象的檢測，通過嵌入式WEB服務器的方式遠程監(jiān)控氣象的變化，取得了成功。但隨著BFOOT系列支持1451標準的芯片的停產，到目前為止，還沒有支持或兼容1451標準的NCAP芯片再出現(xiàn)，這其中關鍵的一點就是IEEE 1451.2定義的10根線的TII標準接口。也正是因為有了這個統(tǒng)一的硬件接口，傳感器模塊STIM才能即插即用。 還有一種認識就是IEEE 1451.X標準必須放在一起使用，這也增加了標準使用或實用化的難度。 在去年的無線網絡化智能傳感器工作組會議上，制定1451標準的專家專門針對這個對標準的認識問題作了新的闡述，對標準的部分內容進行了更新。其中的關鍵點是：如何使用IEEE 1451標準以及IEEE 1451.X之間的關系。 IEEE 1451.X標準的開發(fā)可以使它們工作在一起，構成網絡化智能傳感器系統(tǒng)，但也可以各個IEEE 1451.X單獨應用；IEEE 1451.1標準可以獨立于其它1451.X（1451.2、P1451.3和P1451.4）硬件接口標準而單獨使用；而1451.X也可不需1451.1而單獨使用，但是，必須要有一個相似1451.1所具有的軟件結構，它能夠提供物理參數(shù)數(shù)據(jù)、應用功能函數(shù)和通信功能來把1451.X設備與網絡連接，實現(xiàn)1451.1的功能。 3、基于1451.1標準網絡化智能傳感器系統(tǒng) IEEE 1451標準定義了傳感器或執(zhí)行器的軟硬件接口標準，為傳感器或執(zhí)行器提供了標準化的通訊接口和軟硬件的定義，使不同的現(xiàn)場網絡之間可以通過應用IEEE 1451定義的接口標準互連，可以互操作，解決了不同網絡之間的兼容性問題，使傳感器的廠家、系統(tǒng)集成商和最終用戶有能力以低成本去支持多種網絡和變送器家族，并且通過簡化連線，降低了系統(tǒng)總的消耗。但如何使IEEE 1451標準盡可能實用化，國內目前仍處于一種比較混亂的狀態(tài)，沒有一個比較清楚的認識?；趯EEE 1451.X之間的關系新的認識，作者認為可以有多種不同的實現(xiàn)方案。我們研制了一種面向INTERNET的基于IEEE 1451.1的網絡化智能機器人手爪傳感器系統(tǒng)。 針對網絡化智能傳感器的特點，我們選用了嵌入式網絡模塊NetBox作為NCAP的研制平臺。它的微處理器是Intel的高性能、32-bit、嵌入式微處理器386EX。NetBox模塊上設置了有多種通訊接口，包括直接可連接的以太網10BASE-T接口、標準的RS232C接口，可擴展的RS422/RS485接口以及完善靈活的精簡總線接口，可與大多數(shù)的AD、DA、DIO、定時器、雙口RAM等器件直接相連，而不需要任何接口邏輯電路等。我們研制了數(shù)據(jù)采集電路，把機器人手爪的多傳感器數(shù)字信號和模擬信號采集到到系統(tǒng)中，利用CGI（通用網關接口）原理，把NETBOX作為NCAP（網絡適配器），并以嵌入式WEB服務器的方式連接到INTERNET，使人們遠程即可通過瀏覽器訪問這個系統(tǒng)。系統(tǒng)中運用神經元網絡的方法對機器人手爪的多個傳感器數(shù)據(jù)進行了融合，獲取機器人手爪當前的工作狀態(tài)，為整個機器人的控制、安全操作和行走提供決策的依據(jù)。圖8是系統(tǒng)總體框圖，它由傳感器、數(shù)據(jù)采集電路和NETBOX網絡模塊組成。 在系統(tǒng)的設計中，我們采用了IEEE 1451.1標準中的一些先進技術，系統(tǒng)具有如下特點： （1）電子數(shù)據(jù)表格TEDS技術，它可以充分描述傳感器的類型、行為、性能屬性和相關的參數(shù)，比如，傳感器生產商的名稱、傳感器的類型和序列號等等，從而使傳感器具有了自我描述能力和自我識別能力； （2）校正引擎技術，使傳感器內部具有自動修正誤差和自我補償能力； （3）支持TCP/IP協(xié)議，使系統(tǒng)只要在任何一個具有一定IP地址的INTERNET終端節(jié)點上，做到即插即用。 四、前景展望 IEEE 1451傳感器代表了下一代傳感器技術的發(fā)展方向。網絡化智能傳感器接口標準IEEE 1451的提出將有助于解決由于目前市場上多種現(xiàn)場網絡并存的現(xiàn)象。相信，隨著IEEE P1451.3、IEEE P1451.4標準的陸續(xù)制定、頒布和執(zhí)行，基于IEEE 1451的網絡化智能傳感器技術已經不再停留在論證階段或實驗室階段，越來越多成本低廉具備網絡化功能的智能傳感器/執(zhí)行器涌向市場，正在并且將要更廣泛地影響著人類生活。網絡化智能傳感器將對工業(yè)測控、智能建筑、遠程醫(yī)療、環(huán)境及水文監(jiān)測、農業(yè)信息化、航空航天及國防軍事等領域帶來革命性影響，其廣闊的應用前景和巨大的社會效益、經濟效益和環(huán)境效益不久將展現(xiàn)于世。