IEEE1451标准网络化智能传感器研究(硕士论文).doc

1、论文分类号 TP212, TP393 单 位 代 码 10183密 级 内 部 研 究 生 学 号 2003512020吉 林 大 学硕 士 学 位 论 文IEEE1451 标准网络化智能传感器研究标准网络化智能传感器研究Research of Networked Smart Sensor Based on IEEE1451 Standard作者姓名：吴 忠 杰专 业：测试计量技术及仪器导师姓名：林 君导师职称：教授（博士生导师）学位类别：工学硕士论文起止年月：2004 年 9 月至 2006 年 4 月吉林大学硕士学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，是本人在指导教师的指导下

2、，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期： 年 月 日中国优秀博硕士学位论文全文数据库投稿声明研究生院： 本人同意中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程的内容，愿意将本人的学位论文委托研究生院向中国学术期刊（光盘版）电子杂志社的中国优秀博硕士学位论文全文数据库投稿，希望中国优秀博硕士学位论文全文数据库给予出版，并同意在中国博硕士学位论文评价数据库和 CNKI 系列数据库中使用，同意按章程规

3、定享受相关权益。 论文级别： 硕士 博士学科专业：测试计量技术及仪器论文题目：IEEE1451 标准网络化智能传感器研究作者签名： 指导教师签名： 年 月 日联系地址（邮编）：吉林大学仪器科学与电气工程学院(130026)作者联系电话：0431-8502419-604 13844816753作者姓名 吴 忠 杰 论 文分 类 号 TP212, TP393保密 级别 内 部 研究生学号 2003512020学位 类别 硕 士 授予学位 单 位 吉 林 大 学专业 名称 测试计 量技 术及 仪 器 培养 单 位（院、所、中心） 仪 器科学与 电气工程学院研究方向 信息提取与计 算机 应 用 学 习

4、时间2003年 9 月至 2006年 6月论 文中文 题 目 IEEE1451标 准网 络 化智能 传 感器研究论 文英文 题 目 Research of Networked Smart Sensor Based on IEEE1451 Standard关 键词 (3-8个 ) 网络化智能传感器，IEEE1451 标准，以太网，DSP，TCP/IP，神 经网络，校正引擎，分布式 测控姓 名 林 君 职 称 教授（博 导 ）导师 情况学 历 学位 硕 士 工作 单 位 吉林大学论 文提交日期 2006年 5 月 10日 答 辩 日期 2006年 6 月 09日是否基金 资 助 项 目 是 基金

5、类别 及 编号 吉林省科技 厅计 划引 导项 目 20030312如已 经 出版， 请 填写以下内容出版地（城市名、省名） 出版者（机构）名称出版日期 出版者地址（包括 邮编 ）内容提要基于各类现场总线的网络化智能传感器存在接口不统一问题，对系统研发、集成和维护带来了很多问题，为此，国际电子电气工程师协会（IEEE）及美国国家标准技术总局（NIST）联合推出了 IEEE1451 网络化智能传感器接口标准。该标准的推出使得各厂商研制的网络化智能传感器能够相互兼容，实现了各厂商传感器之间的互操作性与互换性。在纷繁复杂的现场总线中，以太网总线以其得天独厚的优势成为现场总线发展的主流，基于以太网总线可

6、以构建大型分布式测控系统，成为业界研究热点。论文在以太网总线基础上对 IEEE1451 标准的网络化智能传感器进行了研究，研制了符合 IEEE1451.2 标准的网络应用处理器 NCAP 以及系列智能变送器模块 STIM。在NCAP 中实现了精简的 TCP/IP 协议栈、IEEE1451 协议栈以及校正引擎。为了实现网络应用处理器规范的软件接口，使得智能传感器接口彻底标准化，论文对传感器应用层软件接口进行了研究，实现了 C/S、B/S 、C/S 和 B/S 混合数据传输模式以及电子邮件数据传输方法。IEEE1451 标准定义了校正引擎，规范了校正模型，提高了传感器智能。论文在标准校正模型基础上

7、对传感器校正补偿方法进行了研究，包括数据插值、最小二乘以及神经网络方法。在方法研究的基础上基于 Matlab 和 VC+环境开发了传感器模型建立软件，能够生成 IEEE1451 标准的校正电子数据表格。在研制的网络化智能传感器基础上，构建了多个基于以太网的分布式测控系统模型，并且开发了系列支撑演示软件。通过实践，充分论证了网络化智能传感器研制的有效性和工程实用性，以及 IEEE1451 国际标准制定的合理性和优越性。目 录第 1 章 绪 论 11.1 传感器的发展及网络化智能传感器的提出 11.2 现场总线多样化带来的传感器接口问题 31.3 IEEE1451 标准网络化智能传感器国内外研究现

8、状 .41.4 论文研究意义 71.5 本文主要研究内容 8第 2 章 IEEE1451 网络化智能传感器模型 .102.1 IEEE1451 网络化智能传感器标准概述 .102.2 IEEE1451.2 网络化智能传感器接口标准 132.3 IEEE1451.2 网络化智能传感器模型 172.4 IEEE1451 智能传感器接口标准特点 .182.5 IEEE1451 国际标准讨论 .19第 3 章 IEEE1451 标准网络化智能传感器总体设计 .213.1 网络化智能传感器系统构建目标 213.2 网络化智能传感器总体设计方案 223.3 关键技术分析 243.4 开发难点分析 253.

9、5 网络化智能传感器设计实物 26第 4 章 基于以太网的网络应用处理器研制 274.1 以太网技术概述 274.2 网络应用处理器总体设计方案 294.3 以太网络硬件接口电路设计 314.4 基于 DSP 网络应用处理器硬件电路设计 .354.5 嵌入式 TCP/IP 协议栈的设计与实现 444.6 IEEE1451.2 协议栈的设计与实现 674.7 DSP 程序下载及相关软件开发 .714.8 网络应用处理器测试结果及讨论 754.9 本章小结 77第 5 章 IEEE1451 标准智能变送器模块研制 .785.1 智能变送器模块研制总体概述 785.2 IEEE1451 标准智能变送

10、器模块模型 .785.3 智能变送器模块固件程序设计思想 795.4 温湿度智能变送器模块的设计与实现 825.5 甲烷智能变送器模块的设计与实现 875.6 本章小结 90第 6 章 网络化智能传感器应用层通信方法研究 916.1 网络化智能传感器应用层通信方法概述 916.2 B/S 数据传输模式的设计与实现 926.3 B/S 和 C/S 混合数据传输模式的设计与实现 996.4 电子邮件数据传输方法的设计与实现 1036.5 本章小结 106第 7 章 网络化智能传感器支撑软件设计 1077.1 网络化智能传感器支撑软件设计概述 1077.2 基于套接字技术演示软件开发 1077.3

11、网络化智能传感器节点工具开发 1137.4 基于 LABVIEW 平台的传感器节点系统集成 .1177.5 本章小结 119第 8 章 智能传感器校正方法与校正引擎研究 1208.1 传感器校正与补偿问题的提出 1208.2 IEEE1451 智能传感器校正引擎与电子数据表格概述 .1208.3 智能传感器校正方法研究 1238.4 智能传感器校正/补偿模型建立软件开发 .1348.5 校正 TEDS 的生成与校正引擎应用 1408.6 本章小结 142第 9 章 传感器测控网络构建及演示实验结果 1439.1 分布式网络化智能传感器系统构建及实验结果讨论 1439.2 标准网络化智能传感器在

12、矿井安全监控中的应用 1479.3 本章小结 148第 10 章 全文总结 14910.1 研究工作成果及总结 14910.2 进一步研究建议 149参考文献 .151摘 要 .IABSTRACTIII致 谢 VI攻读硕士期间发表的学术论文与科研成果 .VII导师及作者简介 IX第 1 章 绪 论1.1 传感器的发展及网络化智能传感器的提出本文所提到的传感器也可以称为变送器，是一种泛称，包括通常意义上的传感器（Sensor）和执行器（Actuator ）两部分。伴随着传感技术、通信技术和计算机技术的交叉发展产生了网络化智能传感技术，成为人们广泛关注的研究热点。工业现代化的飞速发展，测控系统自动

13、化、智能化的技术进步，对传感器的准确度、可靠性、稳定性提出了更高要求，需要具备一定数据处理能力，能够实现自检、自校正和自补偿，并且具备网络互联能力，可以将多个传感器节点互联组成高精度、功能强大的测控网络，这已成为传感器发展的一大方向 1, 29, 28, 36。如图 1-1 所示，网络化传感器的发展大致历经了模拟接口传感器、数字接口传感器和基于现场总线的智能传感器三个阶段，并逐步向标准网络化智能传感器的方向发展。虽然他们具有相同的变送器单元，但是在结构和功能上都发生了巨大变化。变送器单元信号调理单元模拟网络接口变送器单元信号调理单元数字化处理模拟网络接口变送器单元信号调理单元数字化处理数据处理

14、模块智能控制模块独立网络接口IEEE1451 标准网络化智能传感器数据处理中心数据处理中心数字化处理(a) 模拟传感器 (b)数字传感器 (c)现场总线智能传感器 (d)标准网络化智能传感器图 1-1 网络化智能传感器发展方向早期的模拟传感器（Analog Sensor）功能、结构比较简单，由变送器单元、信号调理单元和模拟网络接口单元组成，输出可用于电测量的原始信号，如模拟电压或电流信号。模拟传感器的输出信号没有经过处理，不具备智能化，更谈不上信息化，功能单一，性能差。典型的模拟传感器接口为 420mA 电流环。随着集成电路的发展，将模数转换技术集成到传感器中，对传感器输出信号进行数字化处理，

15、再进行数字化传输，提高了传感器性能，产生了数字传感器。与模拟传感器相比，它增加了数字化处理模块和数字化的网络接口，如 RS-485 总线。这种传感器具有了一定数据处理能力，但智能化程度较低。1982 年，Wen H.Ko 和 Clifford D. Fung 首先提出了智能变送器（Smart Transducer）概念，智能变送器，即智能传感器与执行器的总称，就是把模拟/数字传感器或执行器单元与集成了处理器、存储器、接口电路和网络控制的本地微控制器进行整合，使变送器具备一定程度的智能。20 世纪八十年代末至九十年代初，为了适应工业测控网络的需求，提出了现场总线（Fieldbus）技术。现场总线

16、是连接智能化现场设备和主控系统之间全数字、开放式、双向通信网络。将现场总线技术应用于智能传感器，大大减少了传感器与主控系统的连线，提高了通信带宽，有效降低了系统成本和复杂度，这个阶段的传感器就是基于现场总线的智能传感器。但是由于种种原因，各种现场总线之间是相互独立的，大大制约了网络传感器技术的发展。90 年代末，面对纷繁复杂的现场总线局面，人们开始制定各种标准，规范网络化智能传感器接口，使得传感器的系统集成、维护和设计制造更加方便。因此，网络化智能传感器往标准化的网络化智能传感器方向发展，这是一个崭新的阶段，将是传感器广泛应用的新纪元。图 1-2 展望了标准网络化智能传感器的未来及其应用地球的

17、电子皮肤。标准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，使传感器具备自检、自校、自诊断及网络通信功能，实现信息的采集、处理和传输真正规范统一的新型网络化智能传感器。其具有如下特点：1、 具有智能传感功能。随着嵌入式技术、集成电路技术和微控制器的引入，使传感器成为硬件和软件的结合体。一方面传感器的功耗降低、体积减小、抗干扰性和可靠性提高；另一方面传感器具有了自识别和自校正功能，同时利用软件技术实现传感器的非线性补偿、零点漂移和温度补偿等。2、 具有网络通信功能。网络接口技术的应用使传感器方便地接入控制网络及信息网络，为系统的集成提供了极大的便利。3、 具有标

18、准的传感器接口模型，目前的国际标准是 IEEE1451 传感器接口标准。图 1-2 网络化智能传感器的未来及其应用前景监控中心随时随地的信息 获取分析、建模、预测各种各样的传感器 各种各样的应用1.2 现场总线多样化带来的传感器接口问题20 世纪 90 年代以来，现场总线一度成为人们的研究热点，市场充斥着各种各样的现场总线，曾经一度推动智能传感器发展的现场总线给传感器的发展带来了不利影响：一方面，现场总线国际标准的制定因技术、商业利益等原因造成多标准共存。IEC 61158 规定了 FF、Profibus 等 8 种现场总线标准，加上 IEC TC17 已通过的 3 种现场总线国际标准（ICE

19、 62026） ，导致目前现场总线国际标准共有 12 种之多。由于各个标准采用的通信协议完全不同，存在着智能传感器的兼容和互换性问题，影响了总线式智能传感器的应用。另一方面，现场总线还存在着瓶颈问题。表现在：生产运行需大量人机数据交换，现场总线系统的通信容量有限，容易造成信息流的阻塞。其中，现场总线的兼容性、互换性、互操作性问题尤为突出，它直接带来了如下三方面问题 2：第一，增加了传感器厂商的投资。为了占领市场份额，传感器厂商不得不熟悉多种现场总线协议标准，研发基于多种现场总线标准的智能传感器，这必然增加了厂商的投资。第二，使得系统集成变得复杂（如图 1-3 所示） 。对于系统集成工程师，增加

20、了传感器选型难度，同样它必须得了解多种现场总线标准。对于一个庞大的测控网络，不可能采用一种现场总线的设备，这使得系统集成变得复杂，系统变得臃肿，提高了对系统集成工程师的要求。第三，增加了系统投资者或者用户的风险，降低了系统的可维护性。系统出现故障之后，必须选择相同现场总线的设备，其选择面窄，加大了投资风险。面对上述问题，人们从两个角度思考问题，第一，采取标准化现场总线的方法，走现场总线归一化的道路（如图 1-4 所示） ，人们在这方面做了很多的工作，并且直到现在仍在讨论现场总线标准化问题，但是由于市场利益等问题，各大传感器厂商不可能在短期内放弃自己的势力范围，放弃自己的客户，因此，现场总线标准

21、化道路荆棘丛生，在短期内无法实现，出现了比较合理的多总线互存局面。在这一过程中，由于图 1-3 多种多样的现场总线标准以太网得天独厚的优势受到了人们的青睐，在现有的以太网总线标准上发展标准的工业以太网总线，统一现场总线，规范现场总线标准。第二，从传感器角度考虑问题（如图 1-5 所示） ，规范传感器模型，统一传感器接口标准，使得传感器设计与现场总线无关，解决不同网络之间的兼容性问题，并能最终实现各个厂家产品之间的互换性与互操作性。在这方面国际电子电气工程师协会与美国国家标准技术协会都作了很多工作，于 1997 年开始陆续推出 IEEE1451 网络化智能传感器接口标准，该标准一共包含七个相互独

22、立又成一体的协议标准，目前 IEEE1451.1、IEEE1451.2、IEEE1451.3 和IEEE1451.4 已经被 IEEE 组织审议通过，其它标准正在制定之中。HARTLonWorksCANRS485某一标准现场总线以太网总线其它现场总线面对这个问题各种国际组织立志于现场总线标准化，但是目前 还没有成功。现场总线战国时代现场总线未来发展 共存图 1-4 现场总线标准化解决问题思路4-20mA电流 环RS485现场总线各种现场总线制定一种标准使得传感器的设计、制造与现场总线无关实现互换性与互操作性IEEE1451协议 族兼容所有现场总线传感器功能模块化智能化传感器标准化思路：标准化传

23、感器设计，使其与现场网络无关。图 1-5 传感器设计标准化解决问题思路1.3 IEEE1451 标准网络化智能传感器国内外研究现状1.3.1 国外研究现状（1）在 ISA98 博览会上，惠普公司及其合作伙伴使用 IEEE1451.2 和 IEEE1451.1 来创建一个使用以太网络的储液灌控制方案，演示了传感器级的即插即用。这次演示说明了 IEEE1451 标准的一些优点，但并没有具体产品推出。（2）NIST（National Institute of Standard Technology）应用 IEEE1451 于机器温度的远程控制。Internet 技术的应用为跨越学校、省 /州、国家以

24、至全球的测试问题创造了一个新的解决方案。在 ISA98 上，NIST 使用了基于 Java 和 Internet 技术的网络化智能传感器，实现了对机器运行温度的远程监控。一个基于 IEEE1451.2 的 STIM 和 NCAP应用到了一个高速运行的机器温度监控系统中，并成功的在 Internet 上发布。该演示示例使得用户可以通过 Java Applet 程序对机器冷却温度的循环控制进行监控。图 1-6所示为该远程监控系统设计的动态操作界面，任何 Internet 节点上的客户端都可以访问该系统。图 1-6 NIST 推出的 IEEE1451.2 协议标准演示系统（3）在 1997 年 4

25、月的波士顿传感器展示会上第一次演示了网络化智能传感器网络无关性的特点。当把具有 IEEE1451.2 标准的传感器连接到不同的现场总线上时，输出具有相同的结果。在 ISA Expo98 上有一个类似的示例，这些演示都展示了 IEEE1451 标准的一些优点，即网络无关性、热交换性、互操作性和互换性。（4）爱尔兰的 Limerick 大学 PEI Technologies 一直致力于 IEEE1451 网络化智能传感器的研究。他们提供了一个温度检测和电扇控制的演示系统，基于 Aduc812 的 STIM与 HP 的 NCAP 组成网络化智能传感器节点，借助以太网络实现对温度和电扇的远程控制。（5

26、）美国国家仪器 NI 从 2004 年开始全力打造即插即用传感器，符合 IEEE1451.4 标准，LabVIEW 软件也支持该标准（如图 1-7 所示） 。采用 IEEE1451.4 标准减少了传感器的配置时间，使得传感器能够即插即用。到目前为止，NI 公司和传感器生产厂商已经联合推出了 3200 个带有电子数据表格（TEDS）的智能传感器节点。（6）美国 TMI 公司是 IEEE1451 协议力推的一个传感器生产商，他们的口号是：让传感器拥有智能。在 IEEE1451 接口标准方面，TMI 公司推出了几款标准的网络应用处理器单元，如图 1-8 所示。图 1-8 TMI 公司研制的网络应用处

27、理器图 1-7 NI 大力推广 IEEE1451.4 协议标准图 1-9 韩国采用 IEEE1451 标准传感器对基础设施进行监测（7）韩国采用 IEEE1451 标准和相关技术对主要城市的基础设施进行监测和监视。该项目由韩国的商业部门、工业部门以及能源部门共同承担。图 1-9 为韩国基于IEEE1451 标准构建的无线传感器测控网络，基本覆盖了韩国的整个国土。（8）2005 年 6 月 8 日在美国芝加哥传感器研讨会上提出将 IEEE1451 协议标准应用于海军舰艇的局域网中，这样可以基于 IEEE1451 标准网络化智能传感器节点构建海军舰艇大型分布式测控系统，其构建思想如图 1-10、1

28、-11 所示。舰艇局域网图 1-10 IEEE1451 在舰艇中的应用实例 图 1-11 装有 IEEE1451 传感器的系统1.3.2 国内研究现状国内有一部分单位注意到 IEEE1451 标准，并且已经认识到存在的差距，开始了跟踪研究。目前对这个标准进行研究的单位有中国科学院合肥智能机械研究所传感技术国家重点实验室、合肥工业大学自动化研究所、华中科技大学机械学院、北京大学计算机系、上海交通大学、东南大学、国防科技大学和吉林大学等院所，具体情况如下： 博士论文中国科学院合肥智能机械研究所 41、合肥工业大学 40 硕士论文华中科技大学机电学院 43、吉林大学、东南大学 42 学术论文上海交通

29、大学、北京大学、成都电子科技大学、华中科技大学等 公安部科研项目东南大学多媒体技术研究所吴乐南 42 吉林省科技厅项目吉林大学智能仪器与测控技术研究所虽然国内发表了一些学术论文或者研究生论文，但关于该标准的网络化智能传感器的应用成果或者标准网络化智能传感器节点的研制报道很少。合肥工业大学曾经将该标准应用于机器人手爪的远程控制 40，并作了博士论文。他们研制的系统基于嵌入式计算机平台 NetBox，具体成果不太清楚。华中科技大学在 IEEE1451 标准上作过一些探讨，但没有太多的学术成果发表。本文在吉林省科技厅项目支持下完成，对IEEE1451 标准进行了全面研究，并且在 IEEE1451 协

30、议标准的研究基础上设计了多个案例，可以应用于智能大厦、环境监测以及矿井安全监测等领域。1.4 论文研究意义概括起来，论文的研究意义主要有以下几个方面：1、 研究 IEEE1451 智能传感器接口标准进行，追踪国际前沿技术，发掘 IEEE1451 国际标准中的精华，为该标准在国内的推广应用奠定基础。2、 现场总线多样化是传感器领域的一个国际性问题，IEEE1451 标准是该问题的一个解决方案，并且是一种可行有效的方法。论文对该标准的研究会对国内的现场总线标准化问题的解决带来一定的影响，并且会提供一定的技术支持。3、 研制基于 IEEE1451 网络化智能传感器节点，特别是构建基于该标准的传感器网

31、络，对于研究网络化智能传感器具有很重要的现实意义，为下一步研制实用的标准网络化智能传感器节点作技术储备。4、 以太网络是下一代现场总线研究的热点，论文对以太网总线进行了深入研究，开发了一系列以太网络协议处理程序，并且探讨了针对传感器节点的各种应用层数据传输方式，为以太网络测控系统的构建提供了很有价值的参考。5、 研制的系列 IEEE1451 网络化智能传感器模块可以应用于智能建筑、环境监测以及矿井安全监测等领域，特别在矿井安全监测领域将会得到很有价值的应用。1.5 本文主要研究内容在吉林省科技厅项目的支持下，论文对 IEEE1451.2 协议标准展开了全面深入的研究，在研究协议标准的基础上研制

32、了系列符合 IEEE1451 标准的网络化智能传感器节点，包括基于以太网络的网络应用处理器以及各种智能变送器模块。在研制的网络化智能传感器节点基础上，构建了基于以太网络的智能传感器分布式测控模型，采用C/S 模式、 B/S 模式、C/S 和 B/S 混合模式以及电子邮件技术对传感器进行远程数据访问和操作，并且在监控中心建立了以数据库为核心的电子邮件服务器，远程传感器节点可以主动将监测信息发送到监控中心进行报警。经过两年的努力，论文主要完成了如下内容：1、 IEEE1451.2 智能传感器接口标准研究，开发 STIM 和 NCAP 端 IEEE1451.2协议栈；2、 基于 DSP 和 MCU

33、的以太网络应用处理器硬件系统研制；3、 精简嵌入式 TCP/IP 协议栈的设计与实现，完成高速以太网络数据通信；4、 对网络数据传输方式进行研究，将 C/S、B/S 、C/S 和 B/S 混合数据传输方式应用于网络化智能传感器；5、 开发嵌入式 Web 服务器，实现了 B/S 数据传输方式；6、 将 Java 技术应用于智能传感器节点，实现传感器信息的远程实时监测；7、 开发电子邮件客户机，实现传感器信息的主动数据传输；8、 对传感器的校正补偿技术进行研究，采用最小二乘、插值理论、神经网络方法建立传感器静态模型，并基于 Matlab 和 VC 平台开发了传感器校正补偿软件；9、 研制符合 IE

34、EE1451.2 标准的温度、地震检波器等智能变送器模块；10、 开发智能传感器节点的配置工具、演示软件以及相关动态链接库；11、 构建基于以太网络的分布式测控系统，对系统进行整体测试实验；论文研究过程中研制和开发的软硬件系统如表 1-1 所示。表 1-1 研制的软硬件系统列表序号 名称 说明网络应用处理器（NCAP）部分1 基于 DSP 的高端网络应用处理器 1 具有嵌入式 Web（JAVA） 、Socket 通信能力2 基于 DSP 的高端网络应用处理器 2 具有 SMTP 电子邮件、Socket 通信能力3 基于 MCU 的微型网络应用处理器1具有嵌入式 Web（JAVA） 、Socke

35、t 通信能力4 基于 MCU 的微型网络应用处理器2具有 SMTP 电子邮件、Socket 通信能力智能变送器模块（STIM）部分5 温湿度智能变送器模块 可用于环境监测等领域6 温度智能变送器模块 可用于环境监测等领域7 步进电机驱动控制模块 执行控制演示单元8 智能地震检波器 地震勘探演示模块9 甲烷智能变送器模块 可用于矿井安全检测等领域10 人体感应智能变送器模块 可用于智能建筑等领域支撑软件部分11 IEEE1451 智能传感器演示软件 具有数据读写、TEDS 管理、执行单元控制等功能12 智能传感器节点配置工具 具有传感器节点配置、测试，数据下载等功能13 TEDS 编辑管理软件

36、具有 TEDS 电子数据表格生成、编辑、管理等功能14 Socket 通信 DLL 动态链接库 封装了系列 C/S 模式传感器操作函数15 基于 LabVIEW 的系统集成演示软件演示 LabVIEW 平台下的系统集成，封装了驱动节点16 IEEE1451 智能传感器模型建立软件 可以建立传感器静态模型，生成标准 TEDS论文共分 10 章，对上述内容的理论、原理及开发实现过程进行了详细阐述。第一章为绪论，对网络化智能传感器的发展、国内外研究现状进行介绍。第二章对 IEEE1451 标准进行简单介绍，特别介绍了 IEEE1451.2 标准规范。第三章介绍了 IEEE1451 标准网络化智能传感

37、器的总体设计方案，分析了网络化智能传感器的关键技术与开发难点。第四章对网络应用处理器的研制进行了详细阐述，给出了硬件系统开发原理及实现过程，嵌入式 TCP/IP 协议栈开发原理及设计思想， IEEE1451 协议栈的实现原理以及 DSP 系统开发注意事项，最后讨论了网络应用处理器的测试结果。第五章对 IEEE1451 标准智能变送器模块的研制进行了阐述，给出了智能变送器模块的模型、固件程序设计思想以及两个智能变送器模块的研制实例。第六章研究了网络化智能传感器应用层接口规范，对 C/S、B/S 、C/S 和 B/混合数据传输模式以及电子邮件传输方式在网络化智能传感器中的应用进行了探讨。第七章给出

38、了系列网络化智能传感器支撑软件开发思想，总结了设计关键技术。第八章研究了智能传感器校正方法以及 IEEE1451 标准校正引擎技术，开发了智能传感器模型建立软件，简述了关键算法的实现以及校正引擎的应用。第九章构建了三个分布式测控系统模型，给出并且讨论了演示结果。第十章为全文总结，简述了所做工作以及工作中的创新点，并讨论了 IEEE1451标准网络化智能传感器应该继续研究的问题。第 2 章 IEEE1451 网络化智能传感器模型【本章提要】本章简要介绍了 IEEE1451 网络化智能传感器的各个标准，重点阐述了IEEE1451.2 接口标准，并且给出了网络化智能传感器模型，最后讨论了 IEEE1

39、451 标准的意义和存在的不足。2.1 IEEE1451 网络化智能传感器标准概述为了解决现场总线多样性带来的不同厂商网络化智能传感器接口之间互不兼容问题，以美国 Kang Lee 为首的一些学者在 1993 年开始构造一种通用智能传感器的接口标准 3, 37。1993 年 9 月，IEEE 第九次技术委员会（传感器测量和仪器仪表技术协会）决定制定一种网络化智能传感器通信接口的协议。1994 年 3 月，美国国家技术标准局（NIST）和 IEEE 共同组织一次关于制定智能传感器接口和制定智能传感器连接网络通用标准的研讨会。后来又连续主办了 4 次关于这方面的研讨会，讨论 IEEE1451 传感

40、器/ 执行器智能变送器接口标准。 1995 年 4 月，成立了两个专门的技术委员会：P1451.1 工作组和 P1451.2 工作组。P1451.1 工作组主要负责定义智能变送器的公共对象模型和相应的接口；P1451.2 工作组主要定义 TEDS 和数字接口标准，包括 STIM网络应用处理器(NCAP)NetworkedCapableApplicationProcessorIEEE1451.2IEEE1451.4IEEE1451.3IEEE1451.5模拟+数字数字点对点分布式多点总线无线接口TEDS变送器TEDS变送器T I I接口TEDS变送器总线接口TEDS变送器无线接口任何网络IEEE

41、1451.1通用对象模型IEEE1451.0通用功能与TEDSNetwork Independent混合模式变送器智能变送器接口模块(STIM)变送器总线接口模块(TBIM)无线变送器IEEE1451.6CANTEDS变送器CANopen图 2-1 IEEE1451 协议族体系结构和 NCAP 之间的通信接口协议和引脚分配。1995 年 5 月给出了相应的标准草案和演示系统。经过几年的努力，IEEE 分别在 1997 年和 1999 年投票通过了 IEEE1451.2 和IEEE1451.1 两个网络化智能传感器标准，同时成立了几个新的工作组，包括IEEE1451.3、IEEE1451.4、I

42、EEE1451.0 和 IEEE1451.5。其中 IEEE1451.3 和IEEE1451.4 分别于 2004 年前后通过 IEEE 组织审议。IEEE1451.0 和 IEEE1451.5 标准还在审议之中。IEEE1451 标准推出之后得到了 IEEE、NIST 和波音、惠普等一些大公司的积极支持，并在传感器国际会议上演示了基于 IEEE1451 标准的网络化智能传感器系统。但是，到目前为止，IEEE1451 标准还没有得到传感器生产厂商的广泛支持，没有大量的 IEEE1451 标准传感器推出，IEEE1451 标准还没有成为真正的传感器接口标准，主要原因在于标准本身还需要完善。IEE

43、E1451 协议族体系结构和各协议之间的关系如图 2-1 所示。整个协议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，定义了一套使智能传感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，加强了 IEEE1451 协议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。硬件接口部分由 IEEE1451.2、IEEE1451.3、IEEE1451.4 和 IEEE1451.5 协议组成，主要是针对智能传感器的具体应用提出来的，需要注意的是，IEEE1451.X

44、 不仅可以相互协同工作，而且也可以彼此独立发挥作用。IEEE1451.1 可以不需要任何 IEEE1451.X 硬件接口而使用，IEEE1451.X 硬件接口也可以不需要 IEEE1451.X 软件接口而独立工作。下面对 IEEE1451 协议族系列标准作简要介绍 34，各标准的模型如图 2-3 所示。2.1.1 IEEE P1451.0 标准IEEE P1451.0 提议标准，即通用的功能、通信协议和变送器电子数据表格式（Common Functions，Communication Protocols，and Transducer Electronic Data Sheet（TEDS） Fo

45、rmats） 。IEEE P1451 提议标准族由几个标准组成，尽管它们之间有共同的特征，但是却不存在通用的功能、通信协议和电子数据表格式的设置，这影响了这些标准之间的互操作性，阻碍了这些标准在用户群中的广泛使用。IEEE P1451.0提议标准就是为解决这一问题提出来的，通过定义一个包含基本命令设置和通信协议的独立于 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，以达到加强这些标准之间的互操作性。2.1.2 IEEE 1451.1 标准IEEE Std 1451.1 标准，即智能变送器网络应用处理器信息模型（ Network Capable Application

46、 Processor（NCAP ）Information Model for smart transducer），1999 年 7 月通过了 IEEE 认可。该标准采用面向对象的方法精确地定义了通用的智能传感器信息模型，涵盖了网络化变送器的各种应用，通过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，采用一系列功能模块比如 IO 驱动硬件抽象等来支持各种各样的变送器。2.1.3 IEEE 1451.2 标准IEEE Std 1451.2 标准，即变送器与微处理器通信协议和变送器电子数据表格式（Transducer to Microprocessor Communication P

47、rotocols and Transducer Electronic Data Sheet（TEDS） Formats） ，1997 年 9 月通过了 IEEE 认可。该标准具体定义了电子数据表格式 TEDS 和一个 10 线数字接口 TII（ Transducer Independent Interface）以及变送器与微处理器间通信协议，使智能传感器执行器模块具有了即插即用能力，测控网络也可以通过访问 TEDS 来监测和配置传感器执行器通道，其模型如图 2-2 所示。有关该标准的具体内容在后面将详细阐述。2.1.4 IEEE 1451.3 标准IEEE 1451.3 标准，即分布式多点系统

48、数字通信和变送器电子数据表格式（Digital Communication and Transducer Electronic Data Sheet（TEDS ）Formats for Distributed Multidrop System） ，2003 年 10 月通过了 IEEE 认可。该标准利用展布频谱技术（spread spectrum technique），在一根信号电缆上实现数据同步采集、通信和对连接在变送器总线上的电子设备供电。2.1.5 IEEE 1451.4 标准IEEE P1451.4 提议标准，即混合模式通信协议和变送器电子数据表格式（Mixed-mode Commun

49、ication Protocols and Transducer Electronic Data Sheet（TEDS）Formats） ，该标准于 2004 年通过 IEEE 组织认可。IEEE 1451.1、IEEE 1451.2 和 IEEE 1451.3 标准主要针对可数字方式读的具有网络处理能力的传感器和执行器。IEEE P1451.4 标准主要致力于基于已存在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：混合模式接口一方面支持数字接口对 TEDS 的读写；另一方面也支持模拟接口对现场仪器的测量；同时使用紧凑的 TEDS 对模拟传感器的简单、低成本的连接。每一个 IEEE1451.4 兼容的混合模式传感器至少由一个传感器、电子数据表格TEDS 和控制传输的接口逻辑。这里的 TEDS 以 IEEE1451.2 标准的 TEDS 为基础，是该标准的一个子集，其目的是尽量减少 TEDS 存储器的大小。变 送 器变 送 器变 送 器变 送 器 ADCDACDI/O？ 地 址逻 辑TEDS电 子 数 据 表 格智 能 变 送 器 接 口 模 块 （ STIM） 微处理器 通信收发器