傳感器接口標準

　　近來被獲準通過的IEEE1451.4標準，以其更簡單、實用的應用使智能變送器接口標準得到了重生，同時它用于模數(shù)信息轉換的變送器電子數(shù)據(jù)表格（TEDs）具有即插即用能力，這引發(fā)了開發(fā)全新解決方案的熱潮。
　　
　　事實上，業(yè)界的某些評論已經過分夸大了IEEE1451智能變送器接口標準的消亡。該標準被束之高閣，直到開始使用zui近批準通過的IEEE1451.4部分。這一部分標準中增加了存儲元件以使傳感器更加智能化，還通過變送器電子數(shù)據(jù)表格（TransducerElectronicDataSheets,TEDS）增加了自識別功能。這種簡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，并確保了和經濟的解決方案和應用。簡言之，P1451不再是“一個尋找問題的解決方案”（P代表整個標準目前處于提交狀態(tài)）。
　　
　　這一標準滿足了中小型傳感器和變送器制造商長久以來的期望——尋求一個通用的傳感器接口，但卻長期承擔著不同網絡、現(xiàn)場總線、協(xié)議和需求造成的歷史負擔。1451標準zui初的概念是為了讓變送器外殼有空間安裝驅動器，允許變送器可插入P1451類的驅動器，減少了專門驅動的需要，據(jù)說能節(jié)省90%~95%以前用于軟件開發(fā)的時間。
　　
　　一些歷史背景
　　
　　1451是1994年由電氣與電子工程師學會（IEEE）儀器與測量分會和美國國家標準與技術協(xié)會（NIST）發(fā)起，目的是希望用標準通信接口解決傳統(tǒng)傳感器集成的問題。目前，P1451已經發(fā)展成擁有7個工作組，其中4個是正式批準的。
　　
　　zui近，P1451.3工作組定義了用于集群傳感器應用和確保高速、同步數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉藴省Ｍ瑫r，P1451.4工作組完成了模擬變送器的混合模式通信的應用，例如數(shù)字電子表格和模擬信號。
　　
　　約兩年以前，美國國家儀器公司（NI）報道說它意識到了1451.4潛在的價值，并開始與IEEE工作組更積極地合作。NI的激勵和IEEE的批準通過成為1451.4復蘇的動力。　　
　　圖1：Watlow公司和美國國家儀器公司報道說，目前在絕大多數(shù)的溫度下智能熱電偶比熱電阻（RTDs）要得多，而智能熱電阻也可以達到參考精度。
　　
　　1451.4的開展
　　
　　通過給模擬變送器增加即插即用功能，其可將其添加到數(shù)字儀器和測量系統(tǒng)的網絡中。IEEE1451.4目前正有一個良好的機會，依靠簡化變送器的安裝、網絡的建設與系統(tǒng)的維護和更新來加快聯(lián)網傳感器的應用。1451.4正通過建立一個通用系統(tǒng)達成上述目標，該系統(tǒng)的信息數(shù)字網絡需要辨識、標志、接口和使用來自模擬傳感器的信號。
　　
　　1451.4工作組副主席，美國國家儀器公司DavidPotter解釋說1451.4是一項實用的技術標準，它使變送器電子數(shù)據(jù)表格與模擬測量相兼容。“由于在變送器模擬接口增加了自識別功能，該標準具有令任何測量系統(tǒng)，模擬的或數(shù)字的，更易于安裝、配置和維護的潛力。當傳感器連接到數(shù)據(jù)采集設備或任何儀表板，就會得到大量的關于安裝范圍、濾波和其他一些參數(shù)。如果這些信息已經保存在一塊存儲芯片中，那么你就可以自動進行安裝與校正。”
　　
　　1451.4標準還利用嵌入在傳感器中的電可擦除、可編程、只讀存儲器芯片（EEPROM）實現(xiàn)即插即用功能詳細資料的存儲與通信。制造商可以由Internet獲取芯片的標志符。一個完整的變送器電子數(shù)據(jù)表格可能包含一個具體類型傳感器的類型識別和屬性內容，如加速計、麥克風、應變儀、熱電偶和其他類別傳感器。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數(shù)據(jù)。
　　
　　對某個具體傳感器的要求是，模板描述文件應當在上給出并發(fā)布。該標準考慮到在一些現(xiàn)存的傳感器中不能嵌入如EEPROM的存儲器，因此在Internet上提供了虛擬變送器電子數(shù)據(jù)表格。美國國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，可以在/sensors免費下載。作為美國國家儀器公司合作伙伴計劃的一部分，目前大約有25家公司提供符合1451.4標準的傳感器。
　　
　　Seymour在2004年ISA展會上展示了Watlow公司的Infosense-P型即插即用熱電偶、熱電阻和電熱調節(jié)器如何與符合1451.4標準的芯片和變送器電子數(shù)據(jù)表格配合使用，用于校準一個典型的“衣架（coathanger）”，并使其比傳統(tǒng)的溫度傳感器更。
　　
　　Watlow公司的“衣架”
　　
　　對測試和測量用戶而言，1451.4標準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和相對精度的金屬組成，但是，Watlow公司zui近發(fā)現(xiàn)在它生產的熱電偶上增加1451.4的單線存儲器，提高了校準性能和曲線線性化程度，測量誤差從1.5℃到0.5℃降低了三倍，使之比美國國家標準化組織的熱電偶更加又如，一個典型的K型熱電偶通常使用在600℃時有±2.6℃的不確定度，但是通過加入符合1451.4標準的智能傳感器和更好的原材料，根據(jù)Watlow公司戰(zhàn)略市場ChrisSeymour的說法，可將在600℃時的不確定度降低到0.6℃。同時他補充說，一個*的熱電阻（RTD）工作在600℃時通常有±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、熱電阻和電熱調節(jié)器如何與符合1451.4標準的芯片和變送器電子數(shù)據(jù)表格配合使用，用于校準一個典型的“衣架（coathanger）”，并使其比傳統(tǒng)的溫度傳感器更。
　　
　　“我們主要是向OEM供貨，這要求精度和可重復性，他們之前不得不購買精度在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信息存放于一片存儲器中”，Seymour說。“我們現(xiàn)在能實時地了解一個傳感器的工作狀態(tài)，因為它其中的數(shù)字元件可以告訴我們其模擬側的運行狀態(tài)。在這個情況下，我們的OEM客戶能夠生產出在較高溫度下工作，并比熱電阻技術更的熱電偶，而后者要昂貴得多。”
　　
　　Seymour補充說采用符合1451.4標準的芯片意味著：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型的傳感器。“以前用戶不得不購買校準表，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了”，Seymour又說。“而且，zui初的標準是傳感器必須線性運行，變化也必須是線性的，因為所有的儀器都是模擬的。現(xiàn)在，我們有數(shù)字電子技術，我們可以跟蹤記錄任何我們想要的功能，包括收集有關未來傳感器工作故障的數(shù)據(jù)”。
　　
　　IEEEP1451標準
　　
　　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：標準草案的目的是開發(fā)一套用于IEEE1451智能變送器標準的通用功能、命令和TEDS。
　　
　　狀態(tài)：標準草案制定中；有希望2005年投票。
　　
　　1451.1——網絡應用處理器（NCAP）信息模型。
　　
　　狀態(tài)：1999年6月被批準為標準；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月被批準為標準；目前正在修訂，加入UART接口。
　　
　　1451.3——分布式多點系統(tǒng)數(shù)字通信和TEDS格式。
　　
　　狀態(tài)：2003年11月作為標準被批準。
　　
　　1451.4——混合模式通信協(xié)議和TEDS格式。
　　
　　功能：定義采用反轉極性的混合模式通信，在相同的兩條線路上以數(shù)字方式傳送TEDS數(shù)據(jù)，發(fā)送模擬變送器信號。
　　
　　狀態(tài)：2004年5月被批準為標準，有望2004年11月公布。
　　
　　P1451.5——無線傳感器通信與TEDS格式。
　　
　　功能：減少電纜和安裝成本；降低電纜/局域網壓降；改進基于條件監(jiān)測的數(shù)據(jù)采集；有助于預維護。
　　
　　狀態(tài)：標準草案制定中；有希望2005年投票。
　　
　　P1451.6——用于本質安全和非本質安全應用的高速、基于CANopen協(xié)議的變送器網絡接口。
　　
　　狀態(tài)：標準草案制定中。