摘要：網(wǎng)絡(luò)化智能傳感技術(shù)是智能傳感技術(shù)和計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物。本文介紹了基于現(xiàn)場總線和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)是未來網(wǎng)絡(luò)化智能傳感技術(shù)的發(fā)展方向。 　　關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)化傳感器；智能傳感器；現(xiàn)場總線；IEEE P1451 　　1、引言 　　傳感器技術(shù)、通信技術(shù)與計算機(jī)技術(shù)構(gòu)成現(xiàn)代信息的三大基礎(chǔ)，它們分別完成對被測量的信息提取、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)化已成為時代發(fā)展趨勢：計算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)結(jié)合進(jìn)而產(chǎn)生了計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)；計算機(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)[1],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)展趨勢作簡要論述。 　　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型傳感器相比，具有如下特點(diǎn)： 　?、啪哂兄悄軅鞲泄δ?。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別和自校正功能，同時利用軟件技術(shù)實現(xiàn)傳感器的非線性補(bǔ)償、零點(diǎn)漂移和溫度補(bǔ)償?shù)龋? 　?、?具有網(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)場總線的智能傳感技術(shù) 　　現(xiàn)場總線技術(shù)是一種集計算機(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)，按照國際電工委員會IEC61158的標(biāo)準(zhǔn)定義：“安裝在制造和過程區(qū)域的現(xiàn)場裝置與控制室內(nèi)的自動控制裝置之間的數(shù)字式、串行、多點(diǎn)通信的數(shù)據(jù)總線稱為現(xiàn)場總線”。一般認(rèn)為“現(xiàn)場總線是一種全數(shù)字化、雙向、多站的通信系統(tǒng)，是用于工業(yè)控制的計算機(jī)系統(tǒng)工業(yè)總線”。 　　現(xiàn)場總線技術(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。現(xiàn)場總線是連結(jié)智能化現(xiàn)場設(shè)備和控制室之間全數(shù)字式、開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、控制功能到現(xiàn)場、設(shè)備管理到現(xiàn)場的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS（Fieldbus Control System）必將取代傳統(tǒng)的集散控制系統(tǒng)DCS（Distributed Control System）?；诂F(xiàn)場總線的智能傳感器如圖2所示。 　　3.1現(xiàn)場總線的本質(zhì)含義 　　現(xiàn)場總線不僅是一種通信協(xié)議，也不僅是用數(shù)字信號傳輸?shù)膬x表代替模擬信號（4～20mA DC）傳輸?shù)膬x表，關(guān)鍵是用新一代的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS代替?zhèn)鹘y(tǒng)的集散控制系統(tǒng)DCS，實現(xiàn)現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)與控制系統(tǒng)的集成。其本質(zhì)含義體現(xiàn)在以下六個方面[2]： 　?、?全數(shù)字化通信 　　和半數(shù)字化的DCS不同，現(xiàn)場總線系統(tǒng)是一個純數(shù)字系統(tǒng)。現(xiàn)場總線是用于過程自動化和制造自動化的現(xiàn)場設(shè)備或現(xiàn)場儀表互連的現(xiàn)場數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)，利用數(shù)字信號代替模擬信號，其傳輸抗干擾性強(qiáng)，測量精度高，大大提高了系統(tǒng)的性能。 　　⑵ 現(xiàn)場設(shè)備互連 　　現(xiàn)場設(shè)備或現(xiàn)場儀表是指傳感器、變送器和執(zhí)行器等，這些設(shè)備通過一對傳輸線互連。傳輸線可以使用雙絞線、同軸電纜和光纖等。 　?、?互操作性 　　互操作性的含義來自不同制造廠的現(xiàn)場設(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，共同實現(xiàn)控制策略。 　?、?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)場儀表，實現(xiàn)了徹底的分散控制。 　?、?通信線供電 　　現(xiàn)場總線的常用傳輸介質(zhì)是雙絞線，通信線供電方式允許現(xiàn)場儀表直接從通信線上攝取能量。 　　⑹ 開放式互連網(wǎng)絡(luò) 　　現(xiàn)場總線為開放式互連網(wǎng)絡(luò)，既可與同類網(wǎng)絡(luò)互連，也可與不同網(wǎng)絡(luò)互連，還可以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫共享。 　　3.2 現(xiàn)場總線存在的不足 　　現(xiàn)場總線技術(shù)自20世紀(jì)80年代產(chǎn)生以來，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，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)一度成為人們的研究熱點(diǎn)，各種各樣的現(xiàn)場總線產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)。隨著現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)在生產(chǎn)現(xiàn)場的實際應(yīng)用，基于現(xiàn)場總線的智能傳感技術(shù)也面臨著諸多問題。 　　一方面，現(xiàn)場總線國際標(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。IEC 61158規(guī)定了FF、Profibus等8種現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，加上IEC TC17已通過的3種現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)（ICE 62026），導(dǎo)致目前現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)共有12種之多。由于各個標(biāo)準(zhǔn)采用的通信協(xié)議完全不同，存在著智能傳感器的兼容和互換性問題，影響了總線式智能傳感器的應(yīng)用。 　　另一方面，現(xiàn)場總線還存在著瓶頸問題。表現(xiàn)在：現(xiàn)場總線切斷后，系統(tǒng)有可能產(chǎn)生不可預(yù)知的后果；系統(tǒng)組臺參數(shù)過于復(fù)雜，且其設(shè)定的好壞對系統(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)場總線系統(tǒng)的通信容量有限，容易造成信息流的阻塞。 　　4、基于IEEE P1451接口標(biāo)準(zhǔn)族的智能傳感技術(shù) 　　IEEE P1451標(biāo)準(zhǔn)族是基于目前現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)不一，各種現(xiàn)場總線標(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)等帶來不利影響的基礎(chǔ)上提出來的。目的是通過定義一整套通用的通信接口，大大簡化由傳感器/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)之間的兼容性問題，并能夠最終實現(xiàn)各個廠家的產(chǎn)品相互之間的互換性與互操作性。 　　4.1 IEEE P1451智能變送器接口標(biāo)準(zhǔn)族簡介 　　IEEE P1451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別（self-identification）和即插即用(plug-and-play)功能。以下是IEEE P1451家族系列標(biāo)準(zhǔn)的簡要介紹。 　?、拧EEE P1451.0[3] 　　IEEE P1451.0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（Common Functions，Communication Protocols，and Transducer Electronic Data Sheet（TEDS）Formats）。IEEE P1451提議標(biāo)準(zhǔn)族由幾個標(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)在用戶群中的廣泛使用。IEEE P1451.0提議標(biāo)準(zhǔn)就是為解決這一問題提出來的，通過定義一個包含基本命令設(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。 　?、?IEEE Std 1451.1[4] 　　IEEE Std 1451.1標(biāo)準(zhǔn)，即智能變送器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用處理器信息模型（Network Capable Application Processor（NCAP）Information Model for smart transducer），1999年7月通過了IEEE認(rèn)可。該標(biāo)準(zhǔn)采用面向?qū)ο蟮姆椒ň_地定義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，通過一個標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用編程接口（API）來實現(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)動硬件抽象等來支持各種各樣的變送器，如圖3所示。 　　⑶ IEEE Std 1451.2[5] 　　IEEE Std 1451.2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（Transducer to Microprocessor Communication Protocols and Transducer Electronic Data Sheet（TEDS）Formats），1997年9月通過了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10線數(shù)字接口TII（Transducer Independent Interface）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，測控網(wǎng)絡(luò)也可以通過訪問TEDS來監(jiān)測和配置傳感器／執(zhí)行器通道。 　?、?IEEE Std 1451.3 　　IEEE Std 1451.3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（Digital Communication and Transducer Electronic Data Sheet（TEDS）Formats for Distributed Multidrop System），2003年10月通過了IEEE認(rèn)可。該標(biāo)準(zhǔn)利用展布頻譜技術(shù)（spread spectrum technique），在一根信號電纜上實現(xiàn)數(shù)據(jù)同步采集、通信和對連接在變送器總線上的電子設(shè)備供電。IEEE 1451.3分布式多點(diǎn)變送器接口如圖5所示。 　?、?IEEE P1451.4 　　IEEE P1451.4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-mode Communication Protocols and Transducer Electronic Data Sheet（TEDS）Formats）。IEEE 1451.1、IEEE 1451.2和IEEE 1451.3標(biāo)準(zhǔn)主要針對可數(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。IEEE P1451.4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TEDS的讀寫，另一方面也支持模擬接口對現(xiàn)場儀器的測量；同時使用緊湊的TEDS對模擬傳感器的簡單、低成本的連接。基于IEEE P1451.4混合模式智能變送器接口如圖6所示。 　　⑹ IEEE P1451.5 　　IEEE P1451.5提議標(biāo)準(zhǔn)，即無線通信與變送器電子數(shù)據(jù)表格式（Wireless Communication and Transducer Electronic Data Sheet（TEDS）Formats）。該提議標(biāo)準(zhǔn)于2001年6月最新推出的，旨在現(xiàn)有的IEEE P1451框架下，構(gòu)筑一個開放的標(biāo)準(zhǔn)無線傳感器接口，以適應(yīng)工業(yè)自動化等不同應(yīng)用領(lǐng)域的需求。 　　4.2 IEEE P1451智能變送器接口標(biāo)準(zhǔn)族體系結(jié)構(gòu) 　　IEEE P1451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蛠砻枋鼍W(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控網(wǎng)絡(luò)的軟件接口規(guī)范；同時通過定義一個通用的功能、通信協(xié)議和電子數(shù)據(jù)表格式，以達(dá)到加強(qiáng)IEEE P1451族系列標(biāo)準(zhǔn)之間的互操作性。軟件接口部分主要由IEEE 1451.1和IEEE P1451.0組成。硬件接口部分是由IEEE 1451.2、IEEE 1451.3、IEEE P1451.4和IEEE P1451.5組成，主要是針對智能傳感器的具體應(yīng)用而提出來的。圖7描述了IEEE P1451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間內(nèi)國際標(biāo)準(zhǔn)化組織的主要任務(wù)。毫無疑問，隨著IEEE P1451智能變送器接口標(biāo)準(zhǔn)族體系的建立與完善，基于IEEE P1451標(biāo)準(zhǔn)族所定義的網(wǎng)絡(luò)化智能傳感技術(shù)代表了未來測控系統(tǒng)的發(fā)展方向，必將會得到越來越廣泛的應(yīng)用。