1、IEEE 1451 标准 和 蓝牙 仪器科学与光电工程学院 教师： 吴银锋 2015年11月1 日 传感系统与网络之：智能传感器基本单元 1.敏感元件或敏感元件阵列 2.激励控制单元 3.放大 4.模拟滤波 5.信号转换 6.补偿 7.数字信号处理 8.数字通信 智能传感器的组成及特点 引言 2引言 智能传感器（系统）：传感器与微处理器 赋予智能的集合，兼有信息检测与信息处 理功能的传感器(系统) 简单的说，所谓智能传感器：就是带微处 理器、兼有信息检测、信息处理功能和信 息传输功能的传感器（系统） 。 智能传感器的最大特点就是将传感器检测 信息的功能、微处理器的信息处理功能、 网络化信息传
2、输功能有机地融合在一起。 3智能传感 器 的 组成及特点 智能传感器的功能 （1）具有自校准和自诊断功能。智能传感器 不仅能自动检测各种被测参数，还能进行自 动调零、自动调平衡、自动校准，某些智能 传感器还能自标定功能。 （2）具有数据存储、逻辑判断和信息处理功 能，能对被测量信号进行信号调理或信号处 理（包括对信号进行预处理、线性化，或对 温度、静压力等参数进行自动补偿等）。 4智 能 传 感器的组成及特点 （3）具有组态功能，使用灵活。在智能传感 器系统中可设置多种模块化的硬件和软件， 用户可通过微处理器发出指令，改变智能传 感器的硬件模块和软件模块的组合状态，完 成不同的测量功能。 （4
3、）具有双向通信功能，能直接与微处理器 （P）或单片机（ C ）通信。 5网 络 化 智能传感器 网络化智能传感器是传感器技术与计算 机通信技术相结合的产物。 随着计算机技术、网络技术和通信技术 的高速发展，出现了网络化的自动测试技术 。网络化测试系统实现了大量复杂的远程测 试，是信息时代测试的必然趋势。 网络化智能传感器致力于研究智能传感 器的网络通信功能。目前，根据网络通信方 式分有线和无线网络化传感系统两大类。 6网 络 化 智能传感器 网络化智能传感器： 工业应用中，有线的网络化智能传感器 ，常常是基于各种总线（Modbus、CAN、 IEEE1451）的网络化传感系统。 无线的网络化智
4、能传感器，目前又称为 无线传感器网络，主要是基于无线通信协议 （蓝牙、Zigbee、无线Hart100）的网络化 传感系统。 7网 络 化 智能传感器 网络化智能传感器主要包括三种形式： 1 基于现场总 线的智能传 感器 2 基于TCP/IP 协议的智能 传感器 3 无线传感器 网络 8网 络 化 智能传感器 9网 络 化 智能传感器 10网 络 化 智能传感器 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单元的新一代传感器。 特点： 功耗低，体积小，抗干扰性和可靠性高 多敏感功能 能自校正，有很高的线性度和测量精度 方便接入网络，降低了现场布线的复杂程度
5、 11授课内容 IEEE 1451标准 蓝牙技术 12Smart Sensor Enablers 如此多的传感器、处理器、如此多的网络 类型，如何实现快速开发？ Nielsens Law 13例子 Mars Climate Observatory Crash: Sept. 23, 1999, $125M, 10 months / 1M km Root Cause: Failure to use metric units in the coding of a ground software file, “Small Forces,” used in trajectory models 14IEE
6、E 1451 起源 Institute for Electrical and Electronic Engineers 电气 和电 子工 程师 学会 美 IEEE National Institute of Standard Technology, (美国) 国家标准技术研究所 NIST 15IEEE 1451 起源 IEEE和NIST目的： 开发一个与网络、传感器提供商都无关的传感 器接口，即一套通用的通信接口，以使变送器能够 独立于网络，并与现有微处理器的系统、仪器仪表 和现场总线网络相连接，解决不同网络间的兼容问 题，最终实现变送器到网络的互换性和互操作性； 提供TEDS（传感器电子数据
7、表）标准格式；定制传 感器数据、控制、定时、结构和校准的通用模式； 避免易出的错误和人为数据进入，省略系统构成的 步骤，使得传感器或执行器的有线、无线连接变得 容易。 16IEEE 1451 起源 General Model of a “Smart Sensor“ 17IEEE 1451 起源 IEEE 1451 Partition of General Model 18IEEE 1451 起源 19Measurement Process 20Publish / Subscribe Measurement Stream Example Example： NCAP sets up streami
8、ng measurement with client / server message STIMs periodic timer triggers measurement process Measurement results are published back to NCAP 21IEEE1451 标准 软件接口部分借助面向对象模型来描述网络智能变送器的 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；同时通过定义通用的功能、通信协议及电 子数据表格式，以达到加强IEEE 1451 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
9、.0 组成。 硬件接口部分是由IEEE 1451.X（X 代表2 6）组成，主要 是针对智能传感器的具体应用而提出来的。 22IEEE 1451 Family The 1451 family of standards includes: 2 1451.0-2007 IEEE Standard for a Smart Transducer Interface for Sensors and Actuators Common Functions, Communication Protocols, and Transducer Electronic Data Sheet (TEDS) Formats
10、 1451.1-1999 IEEE Standard for a Smart Transducer Interface for Sensors and Actuators Network Capable Application Processor Information Model 1451.2-1997 IEEE Standard for a Smart Transducer Interface for Sensors and Actuators Transducer to Microprocessor Communication Protocols & TEDS Formats 1451.
11、3-2003 IEEE Standard for a Smart Transducer Interface for Sensors and Actuators Digital Communication & TEDS Formats for Distributed Multidrop Systems 1451.4-2004 IEEE Standard for a Smart Transducer Interface for Sensors and Actuators Mixed-Mode Communication Protocols & TEDS Formats 1451.5-2007 IE
12、EE Standard for a Smart Transducer Interface for Sensors and Actuators Wireless Communication Protocols & Transducer Electronic Data Sheet (TEDS) Formats 1451.7-2010 IEEE Standard for a Smart Transducer Interface for Sensors and Actuators Transducers to Radio Frequency Identification (RFID) Systems
13、Communication Protocols and Transducer Electronic Data Sheet Formats 23IEEE 1451 Family 24IEEE1451 Family 25IEEE 1451 Family IEEE 1451 体系结构 26IEEE 1451.0 标准 IEEE 1451.0提议标准通过定义一个包含基本命令设置和 通信协议、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。 IEEE1451.0 27IEEE1451.0 标准 开 放 系统互 连OSI7 层协议 28IEEE1451.1 标准 定义了网络
14、独立的信息模型，使传感器接口与NCAP 相连 ，它使用了面向对象的模型定义提供给智能传感器及其组 件。该模型由一组对象类组成，这些对象类具有特定的属 性、动作和行为，它们为传感器提供一个清楚、完整的描 述。该模型也为传感器的接口提供了一个与硬件无关的抽 象描述。该标准通过采用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。同时，这个标准以可 选的方式支持所有的接口模型的通信方式，如其它的IEEE 1451 标准提供， 如 STIM 、 TBIM （ Transducer Bus Interface Module）和混合模式传感器。IEEE1451.1 标准 IEEE 1451.
15、1 标准是围绕着 面向对象系统技术建 立的，这些系统中的 核心是 类 的概念。一 个类描述功能 模块所共有的特征， 这些功能模块 被称为实例或 对象。基本类的概念 被附加的规范所扩展以用于IEEE 1451.1。这些规范包 括发布集合（类所产生的事件）， 订阅集合（类 所相应的时间 ），状态机（一个大规模的状态转换规则标准集 ）及一 组 数据类型的定义（提供互用性所必需的一部分特性） 。 IEEE1451.1 变 送器接 口 30 30IEEE 1451.1 Class Hierarchy IEEE 1451.1层次结构 31IEEE1451.1 标准 IEEE 1451.1实现模型 32IE
16、EE1451.1 标准 优点 丰富的通信模型 支持客户机/服务器模型和发布/订阅模型 强有力的模型简化了分布式测控系统软件 的开发和系统的复杂度、 模块化的结构可以容易的定制任意大小的 系统、 现场总线无关、总线和现场设备对应用来 说是透明的 33IEEE1451.2 标准 1451.2 标准规定了 一个连接传感器到微处理器的数字接口，描述了电 子数据表格TEDS （ Transducer Electronic DataSheet ） 及其数据格 式，提供了一 个连接STIM 和NCAP 的10 线的标准接口TII，使制造商 可以把一个传 感器应用到多种网络 中，使传感器具有“即插即用 (pl
17、ug-and-play)”兼容性。这个 标准没有指定信号调 理、信号转换或 TEDS 的如何应用， 由各传感器制造商自主实现，以保持各自在性能、 质量、特性与 价格等方面的竞争力 。 34IEEE1451.2 标准 Plug and play 例子 35IEEE1451.2 标准 36IEEE1451.2 标准 TII信号和控制线示意图 3738IEEE1451.3 标准 IEEE P1451.3 提议定义一标准的物理接口指标，为以多点设置的方式 连接多个物理上分散的传感器。这是非常必要的，比如说，在某些情 况下，由于恶劣的环境， 不可能在物理上把TEDS 嵌入在传感器中。 IEEEP1451
18、.3 标准提议以一种“小总线”（mini-bus）方式实现变送器 总线接口模型（TBIM），这种小总线因足够小且便宜可以轻易的嵌入 到传感器中，从而允许通过一个简单的控制逻辑接口进行最大量的数 据转换。 39IEEE1451.3 标准 40IEEE1451.3 标准 所有TBIM 都包 含有五 个通信 函数， 如表1 所示。 这些通 信函数 将在一 个 物理传 输媒介 上最少 利用其 中两个 通信通 道。通 信通道 将与启 动变 送 器的电 源共享 这个物 理媒介 。对高 功耗的 变送器 来说， 通过通 信电 缆 共享也 许是不 够的， 这时可 提供外 电源来 驱动变 送器。 41IEEE14
19、51.4 标准 IEEE （Mixed-mode CommunicationProtocols and Transducer Electronic Data Sheet （TEDS ）Formats）。标准主要 致力于基于已 传统的模拟量 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 接口支持模拟接口对 现场仪器的测量和数字接口对TEDS 的读写；使用 紧凑的TEDS 对模拟传感器 的简单、低成本的连接，使传 统型模拟传感 器也能“即插即用” 42IEEE1451.4 标准 IEEE 1451.4 标准的核心是TEDS 的定义 TEDS 包含着传感器关键信息。 43IEEE
20、1451.4 标准 IEEE P1551.4的混合模式变送器和接口关系图 44IEEE1451.4 标准 IEEEP1451.4 的TEDS 设计的主要要素有：帮助用户的相关 信息、即插即用功能、支持所有的变送器类型、开放性以 满足个别需求和与IEEE 1451.2 兼容。IEEEP1451.4 的TEDS 将包括以下内容： (1) 识别参数，如生产厂家、模块代码、序列号、版本号和 数据代码； (2) 设备参数，如传感器类型、灵敏度、传输带宽、单位和 精度； (3) 标定参数，如最后的标定日期、校正引擎系数； (4) 应用参数，如通道识别，通道分组，传感器位置和方向。 45IEEE1451.4
21、 标准 46IEEE1451.5 标准 无线通信与变送器电子数据表格式，标准定 义无线传感器通信协议和相应的TEDS。意在 构建一个开放的标准无线传感器接口 47IEEE1451.5 标准 无线通信与变送器电子数据表格式（Wireless Communicationand Transducer Electronic DataSheet（TEDS） Formats）。标准定义的无线传感器通信协议和相应的 TEDS，旨在现有的IEEE 1451 框架下，构筑一个开放的标 准无线传感器接口。 无线通信方式上将采用三种标准，即：IEEE 802.11 标准、 Bluetooth标准和ZigBee标准。
22、标准制订面临的任务在于定 义IEEE 1451.0/5 通信应用编程接口（API）；IEEE 1451.5 物理层（PHY）TEDS（包括802.11、luetooth、ZigBee以下 传输协议物理层TEDS）；14515 标准命令集7。图5 为 IEEE 1451.5 标准的设想结构。该标准参考模型、物理层 （physical layer）TEDS和命令集遵循IEEE 1451.0 标准。 48IEEE1451.7 标准 1451.7-2010 Transducers to Radio Frequency Identification (RFID) Systems Communicatio
23、n Protocols and Transducer Electronic Data Sheet Formats（RFID系 统通信协议与TEDS格式） This standard defines data formats to facilitate communications between radio frequency identification (RFID) systems and smart RFID tags with integral transducers (sensors and actuators). The standard defines new transduce
24、r electronic data sheet (TEDS) formats based on the IEEE 1451 family of standards. This standard also defines a command structure and specifies the communication methods with which the command structure is designed to be compatible. 49IEEE 1451标准总结 发展20年，发展缓慢，原因： 协议比较复杂，不利于商业化（TII总线） 支持该协议的用户比较少：Agi
25、lent，NI， BFOOT等几家。 最近因为网络化传感系统的发展需求，又 带来了新的活力，先后完成了1451.5， 1451.7等标准 50授课内容 IEEE 1451标准 蓝牙技术 512 蓝牙技术 1. 蓝牙技术的概念 1998年5月，爱立信、诺基亚、东芝、IBM和英特尔公司等 五家厂商，在联合开展短程无线通信技术的标准化活动时 提出了蓝牙技术，其宗旨是提供一种短距离、低成本的无 线传输应用技术。 蓝牙设备都可以与其邻近的蓝牙设备连接。蓝牙电子设备 可以通过短距离的即时网络（称为微微网）进行无线连接 和通信。每个设备最多可以在微微网中同时与七个其它设 备进行通信。每个设备还可以同时属于多
26、个微微网。当蓝 牙设备进入然后离开无线电邻近区域时，微微网可在此期 间自动动态建立。 522 蓝牙技术 532 蓝牙技术 542 蓝牙技术 “蓝牙(Bluetooth)”名称 的来 历取 自一 千多 年前 丹麦 一个 国王(Harald Blatand ) ，国王 喜欢 吃蓝 梅 ，牙 龈每 天都 是蓝 色的 所以 叫蓝 牙。 他的 功绩 便 是将 当时 四分 五裂 的瑞 典、 丹麦 、芬 兰统 一起 来。 因此 蓝牙 技术 的发 起人瑞典 的爱 立信 (Ericsson)公司 就以 此命 名来 表达 其要 将这 种全 新 的无 线传 输技 术在 全球 推广 ，并 实现 全球 通用 的愿 望。
27、 552 蓝牙技术 蓝牙技术的基本指标情况 主要技术指 标 基本情况 核心规格版 本 版本1.2 ，2003 年11 月 正式采 用。 版本2.0 + 增强数据率(EDR) ，2004 年11 月正式 采用。 ISO 协议层 Bluetooth 无线 规格为 产品开 发商提 供了链 路层和 应用层 定 义，可以支持数据和语音 应用。 频谱 运行于2.4 至2.485GHz 波段， 使用扩 频跳频 全双工 信号， 额 定速率 为1600 跳/秒。2.4GHz ISM 波 段 在大多 数国家 都可用 ， 且不需申请许可证。 传输范围 1 类无线电 主要用于工业应用案例 拥有100 米或300 英尺
28、 的作用范围 2 类无线电 通常用于移动设备拥有10 米或30 英尺 的 作用 范围 3 类无线电 最大范围可达1 米或3 英尺 功率 最常用的2 类无线电使 用2.5mW 的 功率。 数据率 版本1.2 支持1 Mbps ；版本2.0 + EDR 最多支持3 Mbps 562 蓝牙技术 蓝牙跳频 57蓝牙技术的特点 传输距离短 目前蓝牙技术工作距离是10米以内，经过增加射频功率后 可达到100 米。该工作范围使得蓝牙技术可以保证较高的 数据传输速率，同时可降低与其它电子产品和无线电技术 的干扰。 采用跳频扩频技术 将2.4Ghz 到2.4835Ghz之间划分出79 个频点，采用快速 跳频，根
29、据由主机和从机所构成的所谓微微网（piconet ） 主单元确定的跳频次数为每秒钟1600次。跳频技术的采用 使得蓝牙的无线链路自身具备了更高的安全性和抗干扰能 力 58蓝牙技术 的 特点 采用时分复用多路访问技术 蓝牙的基带符号速率为1Mbps ,它采用数据包的形式按 时隙传送，每时隙0.625us,，不排除将来采用更高的符号速 率。每个蓝牙设备均在自己的时隙中发送数据，这在一定程 度上有效地避免了无线通信中的“ 碰撞” 和“ 隐藏终端” 等 问题。 网络技术 几个piconet可以被连接在一起，并依靠跳频顺序识别 每个piconet 。同一piconet的所有用户都与这个跳频顺序 同步，其
30、拓扑结构可以被描述为“ 多piconet” 结构。在一 个由10 个独立的全负载piconet组成的“ 多piconet” 结构 中，全双工数据速率可超过6Mbps。 59蓝牙技术 的 特点 语音支持 语音信道采用连续可变斜率增量调制（CVSD）语音编码 方案，且从不重发语音数据包。 CVSD编码擅长处理丢失和 被损坏的语音采样，即使错误率达到4%，经过CVSD编码处理 的语音同样可以被识别。 纠错技术 蓝牙技术采用的是FEC（前向纠错）方案，其目的是为 了减少数据重发的次数，降低数据传输负载。但是，要实现 数据的无差错传输，FEC 就必然要生成一些不必要的开销比 特而降低数据的传送效率。这是
31、因为，数据包对于是否使用 报头是弹性定义的。报头中有占1/3 比例的FEC 码起保护作 用，其中包含了有用的链路信息。 60蓝 牙 设 备的组成 61蓝牙协议 栈 62LC 和 基带 63Piconet 64蓝 牙 技 术的应用 2 蓝牙技术在无线传感器网络中的应用 蓝牙技术作为一种低功耗的无线通信技术， 再辅之于IEEE1451标准中定义的TEDS数据表 格式，是有可能构建即插即用型的无线传感 器网络的。 这将极大地方便将新增传感器节点接入已 有传感器网络的可行性，因而给传感器网络 的快速发展奠定了坚实基础。 65以基于蓝牙技术的无线压力传感器网络为例，主要由传 感器模块、识别模块、信号调理
32、电路模块、A/D转换模块、 微处理器模块、蓝牙无线传输模块和上位机模块组成。如图 3.21所示。 66蓝 牙 技 术的应用 该智能传感器系统的工作过程如下： 1 读取识别模块的信息，以辨识当前与系统连接的传感器 基本信息。 2 DSP微处理器模块根据读取的传感器信息，对信号调理 电路进行适当配置； 3 传感器输出信号经A/D转换后送入微处理器中进行分析 处理，处理结果经蓝牙发射装置发射，在指定接收地点接 收信息后送入上位机进行相应处理。 67蓝 牙 技 术的应用 在整个智能传感器实现过程中，基于 TEDS数据表格的识别模块是关键环节，其 结构如图3.22所示。 68蓝 牙 技 术的应用 整个智能传感器的硬件结构如图3.23所示。 69蓝 牙 技 术的应用 协调整个系统运行的主流程如图3.24所示。 70小结 IEEE 1451 蓝牙 71谢谢!
