傳感器接口標(biāo)準(zhǔn)最新進(jìn)展

近來(lái)被獲準(zhǔn)通過(guò)的IEEE 1451.4標(biāo)準(zhǔn)，以其更簡(jiǎn)單、實(shí)用的應(yīng)用使智能變送器接口標(biāo)準(zhǔn)得到了重生，同時(shí)它用于模數(shù)信息轉(zhuǎn)換的變送器電子數(shù)據(jù)表格(TEDs)具有即插即用能力，這引發(fā)了開(kāi)發(fā)全新解決方案的熱潮。

事實(shí)上，業(yè)界的某些評(píng)論已經(jīng)過(guò)分夸大了IEEE 1451智能變送器接口標(biāo)準(zhǔn)的消亡。該標(biāo)準(zhǔn)被束之高閣，直到開(kāi)發(fā)者開(kāi)始使用最近批準(zhǔn)通過(guò)的IEEE 1451.4部分。這一部分標(biāo)準(zhǔn)中增加了存儲(chǔ)元件以使傳感器更加智能化，還通過(guò)變送器電子數(shù)據(jù)表格(Transducer Electronic Data Sheets, TEDS)增加了自識(shí)別功能。這種簡(jiǎn)便的方法使變送器電子數(shù)據(jù)表格可用于大量現(xiàn)存的模擬傳感器接口，且添加了即插即用功能，并確保了精確和經(jīng)濟(jì)的解決方案和應(yīng)用。簡(jiǎn)言之，P1451不再是“一個(gè)尋找問(wèn)題的解決方案”（P代表整個(gè)標(biāo)準(zhǔn)目前處于提交狀態(tài)）。

這一標(biāo)準(zhǔn)滿(mǎn)足了中小型傳感器和變送器制造商長(zhǎng)久以來(lái)的期望——尋求一個(gè)通用的傳感器接口，但卻長(zhǎng)期承擔(dān)著不同網(wǎng)絡(luò)、現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)、協(xié)議和需求造成的歷史負(fù)擔(dān)。1451標(biāo)準(zhǔn)最初的概念是為了讓變送器外殼有空間安裝驅(qū)動(dòng)器，允許變送器可插入P1451類(lèi)的驅(qū)動(dòng)器，減少了專(zhuān)門(mén)驅(qū)動(dòng)的需要，據(jù)說(shuō)能節(jié)省90%~95%以前用于軟件開(kāi)發(fā)的時(shí)間。

一些歷史背景

1451是1994年由電氣與電子工程師學(xué)會(huì)（IEEE）儀器與測(cè)量分會(huì)和美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)協(xié)會(huì)（NIST）發(fā)起，目的是希望用標(biāo)準(zhǔn)通信接口解決傳統(tǒng)傳感器集成的問(wèn)題。目前，P1451已經(jīng)發(fā)展成擁有7個(gè)工作組，其中4個(gè)是正式批準(zhǔn)的。

最近，P1451.3工作組定義了用于集群傳感器應(yīng)用和確保高速、同步數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，P1451.4工作組完成了模擬變送器的混合模式通信的應(yīng)用，例如數(shù)字電子表格和模擬信號(hào)。

約兩年以前，美國(guó)國(guó)家儀器公司（NI）報(bào)道說(shuō)它意識(shí)到了1451.4潛在的價(jià)值，并開(kāi)始與IEEE工作組更積極地合作。NI的激勵(lì)和IEEE的批準(zhǔn)通過(guò)成為1451.4復(fù)蘇的動(dòng)力。

圖1：Watlow公司和美國(guó)國(guó)家儀器公司報(bào)道說(shuō)，目前在絕大多數(shù)的溫度下智能熱電偶比熱電阻(RTDs)要精確得多，而智能熱電阻也可以達(dá)到參考精度。

1451.4 的開(kāi)展

通過(guò)給模擬變送器增加即插即用功能，其可將其添加到數(shù)字儀器和測(cè)量系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)中。IEEE 1451.4目前正有一個(gè)良好的機(jī)會(huì)，依靠簡(jiǎn)化變送器的安裝、網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)與系統(tǒng)的維護(hù)和更新來(lái)加快聯(lián)網(wǎng)傳感器的應(yīng)用。1451. 4正通過(guò)建立一個(gè)通用系統(tǒng)達(dá)成上述目標(biāo)，該系統(tǒng)的信息數(shù)字網(wǎng)絡(luò)需要辨識(shí)、標(biāo)志、接口和使用來(lái)自模擬傳感器的信號(hào)。

1451.4工作組副主席，美國(guó)國(guó)家儀器公司經(jīng)理David Potter解釋說(shuō)1451.4是一項(xiàng)實(shí)用的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，它使變送器電子數(shù)據(jù)表格與模擬測(cè)量相兼容?！坝捎谠谧兯推髂M接口增加了自識(shí)別功能，該標(biāo)準(zhǔn)具有令任何測(cè)量系統(tǒng)，模擬的或數(shù)字的，更易于安裝、配置和維護(hù)的潛力。當(dāng)傳感器連接到數(shù)據(jù)采集設(shè)備或任何儀表板，就會(huì)得到大量的關(guān)于安裝范圍、濾波和其他一些參數(shù)。如果這些信息已經(jīng)保存在一塊存儲(chǔ)芯片中，那么你就可以自動(dòng)進(jìn)行安裝與校正。”

1451.4標(biāo)準(zhǔn)還利用嵌入在傳感器中的電可擦除、可編程、只讀存儲(chǔ)器芯片(EEPROM)實(shí)現(xiàn)即插即用功能詳細(xì)資料的存儲(chǔ)與通信。制造商可以由Internet獲取芯片的標(biāo)志符。一個(gè)完整的變送器電子數(shù)據(jù)表格可能包含一個(gè)具體類(lèi)型傳感器的類(lèi)型識(shí)別和屬性?xún)?nèi)容，如加速計(jì)、麥克風(fēng)、應(yīng)變儀、熱電偶和其他類(lèi)別傳感器。變送器電子數(shù)據(jù)表格中還可以包含傳感器的全部校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。

對(duì)某個(gè)具體傳感器的要求是，模板描述文件應(yīng)當(dāng)在網(wǎng)站上給出并發(fā)布。該標(biāo)準(zhǔn)考慮到在一些現(xiàn)存的傳感器中不能嵌入如EEPROM的存儲(chǔ)器，因此在Internet上提供了虛擬變送器電子數(shù)據(jù)表格。美國(guó)國(guó)家儀器公司和他的合作伙伴提供了龐大的虛擬變送器電子數(shù)據(jù)表格庫(kù)，可以在網(wǎng)址www.ni.com/sensors免費(fèi)下載。作為美國(guó)國(guó)家儀器公司合作伙伴計(jì)劃的一部分，目前大約有25家公司提供符合1451.4標(biāo)準(zhǔn)的傳感器。

圖2：Chris

Seymour在2004年ISA展會(huì)上展示了Watlow公司的Infosense-P型即插即用熱電偶、熱電阻和電熱調(diào)節(jié)器如何與符合1451.4標(biāo)準(zhǔn)的芯片和變送器電子數(shù)據(jù)表格配合使用，用于校準(zhǔn)一個(gè)典型的“衣架（coat hanger）”，并使其比傳統(tǒng)的溫度傳感器更精確。

Watlow公司的“衣架”

對(duì)測(cè)試和測(cè)量用戶(hù)而言，1451.4標(biāo)準(zhǔn)可以大幅度提高熱電偶的精度。例如，典型的J型熱電偶是由兩種不同等級(jí)和相對(duì)精度的金屬組成，但是，Watlow公司最近發(fā)現(xiàn)在它生產(chǎn)的熱電偶上增加1451.4的單線(xiàn)存儲(chǔ)器，提高了校準(zhǔn)性能和曲線(xiàn)線(xiàn)性化程度，測(cè)量誤差從1.5℃到0.5 ℃降低了三倍，使之比美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化組織的熱電偶更加精確又如，一個(gè)典型的K型熱電偶通常使用在600℃時(shí)有±2.6℃的不確定度，但是通過(guò)加入符合1451.4標(biāo)準(zhǔn)的智能傳感器和更好的原材料，根據(jù)Watlow公司戰(zhàn)略市場(chǎng)經(jīng)理Chris Seymour的說(shuō)法，可將在 600℃時(shí)的不確定度降低到0.6℃。同時(shí)他補(bǔ)充說(shuō)，一個(gè)A級(jí)的熱電阻（RTD）工作在600℃時(shí)通常有±1.4℃的不確定度，而1451.4將其改造為智能熱電阻后，其不確定度可以小到0.2℃。

Murphy在2004年ISA展會(huì)上展示了Watlow公司的Infosense-P型即插即用熱電偶、熱電阻和電熱調(diào)節(jié)器如何與符合1451.4標(biāo)準(zhǔn)的芯片和變送器電子數(shù)據(jù)表格配合使用，用于校準(zhǔn)一個(gè)典型的“衣架（coat hanger）”，并使其比傳統(tǒng)的溫度傳感器更精確。

“我們主要是向OEM供貨，這要求精度和可重復(fù)性，他們之前不得不購(gòu)買(mǎi)精度在0.5%~1.0%誤差范圍的傳感器，現(xiàn)在我們可以將所有的校準(zhǔn)信息存放于一片存儲(chǔ)器中”，Seymour說(shuō)?！拔覀儸F(xiàn)在能實(shí)時(shí)地了解一個(gè)傳感器的工作狀態(tài)，因?yàn)樗渲械臄?shù)字元件可以告訴我們其模擬側(cè)的運(yùn)行狀態(tài)。在這個(gè)情況下，我們的OEM客戶(hù)能夠生產(chǎn)出在較高溫度下工作，并比熱電阻技術(shù)更精確的熱電偶，而后者要昂貴得多。”

Seymour補(bǔ)充說(shuō)采用符合1451.4標(biāo)準(zhǔn)的芯片意味著：為了獲得更好的精度、提高壽命、降低溫漂，Watlow公司也可以在其熱電偶使用新型混合材料，例如高溫合金。現(xiàn)在，芯片中有所有的電壓/電阻數(shù)據(jù)表，能告訴儀器它可能是什么類(lèi)型的傳感器?！耙郧坝脩?hù)不得不購(gòu)買(mǎi)校準(zhǔn)表，但很容易被丟棄。而現(xiàn)在，擁有了變送器電子數(shù)據(jù)表格后，就不可能將信息與芯片分離開(kāi)了”，Seymour又說(shuō)?！岸遥畛醯臉?biāo)準(zhǔn)是傳感器必須線(xiàn)性運(yùn)行，變化也必須是線(xiàn)性的，因?yàn)樗械膬x器都是模擬的?，F(xiàn)在，我們有數(shù)字電子技術(shù)，我們可以跟蹤記錄任何我們想要的功能，包括收集有關(guān)未來(lái)傳感器工作故障的數(shù)據(jù)”。

IEEE P1451 標(biāo)準(zhǔn)

P1451.0——通用功能、通信協(xié)議和變送器電子數(shù)據(jù)表(TEDS)格式。
功能：標(biāo)準(zhǔn)草案的目的是開(kāi)發(fā)一套用于IEEE1451智能變送器標(biāo)準(zhǔn)的通用功能、命令和TEDS。
狀態(tài)：標(biāo)準(zhǔn)草案制定中；有希望2005年投票。
1451.1——網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用處理器（NCAP）信息模型。
狀態(tài)：1999年6月被批準(zhǔn)為標(biāo)準(zhǔn)；目前正在修訂。
1451.2——變送器-微處理器通信協(xié)議和TEDS格式。
狀態(tài)：1997年9月被批準(zhǔn)為標(biāo)準(zhǔn)；目前正在修訂，加入U(xiǎn)ART接口。
1451.3——分布式多點(diǎn)系統(tǒng)數(shù)字通信和TEDS格式。
狀態(tài)：2003年11月作為標(biāo)準(zhǔn)被批準(zhǔn)。
1451.4——混合模式通信協(xié)議和TEDS格式。
功能：定義采用反轉(zhuǎn)極性的混合模式通信，在相同的兩條線(xiàn)路上以數(shù)字方式傳送TEDS數(shù)據(jù)，發(fā)送模擬變送器信號(hào)。
狀態(tài)：2004年5月被批準(zhǔn)為標(biāo)準(zhǔn)，有望2004年11月公布。
P1451.5——無(wú)線(xiàn)傳感器通信與TEDS格式。
功能：減少電纜和安裝成本；降低電纜/局域網(wǎng)壓降；改進(jìn)基于條件監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)采集；有助于預(yù)維護(hù)。
狀態(tài)：標(biāo)準(zhǔn)草案制定中；有希望2005年投票。
P1451.6——用于本質(zhì)安全和非本質(zhì)安全應(yīng)用的高速、基于CANopen協(xié)議的變送器網(wǎng)絡(luò)接口。
狀態(tài)：標(biāo)準(zhǔn)草案制定中。