现代检测-低功耗与网络化技术

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1、2. 信 号 调 理 电 路 的 低 功 耗 设 计 原则 3. 低 功 耗 电 源 管 理 技 术4. 网 络 化 技 术 n 传 感 器 实 现 低 功 耗 的 意 义 节 能 、 解 决 电 磁 兼 容 问 题 、 降 低 成 本 ， 提 高 可 靠 性 无 线 传 感 器 续 航 、 减 小 体 积 与 质 量 实 现 自 供 电 的 前 提 条 件n 传 感 器 实 现 低 功 耗 的 主 要 途 径 低 占 空 比 -在 满 足 性 能 要 求 的 前 提 下 低 功 耗 敏 感 器 件 与 自 源 型 传 感 器 调 理 电 路 低 功 耗 电 源 管 理 n 传 感 器 实 现

2、 网 络 化 的 意 义 信 息 获 取 管 理 多 传 感 器 协 同 工 作 信 号 调 理 电 路 的 低 功 耗 设 计 原则 1） 常 用 信 号 调 理 电 路 功 能 类 型根 据 传 感 器 输 出 的 参 量 类 型 及 其 调 理 方 式 分 类 :(a) 电 阻 型 ; (b) 电 容 型 ; (c) 电 感 型 ; (d) 互 感 型 ; (e) 电 压 型 ; (f) 电 流 型 ; (g) 电 荷 型 ; (h) 脉 冲 型 .不 同 参 量 传 感 器 的 工 作 原 理 与 信 号 调 理 作 用 如 下 表 所 示 : 信 号 调 理 电 路 的 低 功 耗

3、设 计 原则 不 同 参 量 传 感 器 的 工 作 原 理 与 信 号 调 理 的 作 用传 感 器 类 型 工 作 原 理 信 号 调 理 电 路 的 作 用电 阻 型 传 感 器 将 被 测 量 转 换 为 电 阻 的 变 化 将 电 阻 变 化 转 换 为 易 测 量 的 电 参 数电 容 型 传 感 器 将 被 测 量 转 换 为 电 容 的 变 化 将 电 容 变 化 转 换 为 易 处 理 的 电 信 号电 感 型 传 感 器 将 被 测 量 转 换 为 电 感 的 变 化 将 电 感 变 化 转 换 为 易 处 理 的 电 信 号互 感 型 传 感 器 将 被 测 量 转 换

4、为 互 感 的 变 化 将 互 感 或 感 应 电 势 的 变 化 转 换 成 电压 或 电 流 变 化电 压 (电 动 势 )型 传 感 器 将 被 测 量 转 换 为 电 压 或 电 动势 的 变 化 将 微 弱 的 电 动 势 或 电 压 变 化 转 换 为较 强 的 电 压 或 电 流 变 化电 流 型 传 感 器 将 被 测 量 转 换 为 电 流 的 变 化 对 输 出 的 微 弱 电 流 进 行 放 大 ， 将 其变 换 成 较 强 的 电 压 或 电 流 电 荷 型 传 感 器 将 被 测 量 转 换 为 电 荷 的 变 化 将 电 荷 量 转 换 成 较 强 的 电 压 或

5、电 流脉 冲 (数 字 )型传 感 器 将 被 测 量 转 换 为 脉 冲 序 列 或数 字 信 号 对 脉 冲 序 列 计 数 并 转 成 所 需 形 式 ；将 编 码 信 号 转 换 成 相 应 数 字 信 号 信 号 调 理 电 路 的 低 功 耗 设 计 原则 (2) 常 用 的 信 号 调 理 技 术 手 段(a) 阻 抗 匹 配 ; (b) 信 号 放 大 ; (c) 传 感 器 激 励 ; (d) 信 号 滤 波 ;(e) 信 号 隔 离 ; (f) 信 号 线 性 化 ; (g) 信 号 变 换 ; (h) 功 率 驱 动 .(3) 四 种 常 见 调 理 电 路(a) 信 号

6、 放 大 电 路 : 经 由 传 感 器 或 敏 感 元 件 转 换 后 输 出 的 信号 微 弱 ， 如 mV级 、 V级 甚 至 更 弱 ， 利 用 前 需 先 放 大 。 设 计 方 案 选 择 原 则 :优 先 考 虑 功 耗 低 、 集 成 度 高 的 放 大 方 案常 用 放 大 器 :仪 用 放 大 器 、 可 编 程 增 益 放 大 器 、 隔 离 放 大 器 信 号 调 理 电 路 的 低 功 耗 设 计 原 则 典 型 放 大 器 示 例 如 下 表 所 示 ： 常 见 隔 离 放 大 器 特 点 比 较 ： 变 压 器 隔 离 放 大 器 相 对 其 他 种 类 的 功

7、耗 大 ； 使 用 光 电 隔 离 放 大 器 不 需 外 接 任 何 器 件 ， 功 耗 相 对 低 ； 在 信 号 隔 离 放 大 电 路 设 计 中 应 优 先 考 虑 光 电 隔 离 放 大 器 。种 类 典 型 器 件仪 用 放 大 器 AD620、 AD627、 AD522、 INA101等可 编 程 增 益 放 大 器 AD526、 LH0084、 PGA102等隔 离放 大器 变 压 器 隔 离 放 大 器 AD202、 AD203、 AD204、 ISO212P等光 电 隔 离 放 大 器 ISO100电 容 隔 离 放 大 器 ISO106、 ISO122等 (3) 四 种

8、 常 见 调 理 电 路 信 号 滤 波 电 路数 字 滤 波 的 缺 点 ： 分 辨 率 有 限 、 动 态 范 围 小 、 响 应 慢选 用 原 则 ： 在 满 足 滤 波 性 能 要 求 的 前 提 下 尽 可 能 选 数 字 滤波 方 式 ； 设 计 模 拟 滤 波 时 ， 尽 可 能 使 用 集 成 解 决 方 案 。信 号 调 理 电 路 的 低 功 耗 设 计 原 则常 用 集 成 滤 波 器 典 型 器 件低 通 电 源 开 关 滤 波 器 MAX7420、 MAX7480、 MAX7419、MAX7418可 配 置 开 关 电 容 滤 波 器 MAX260、 MAX263连

9、续 时 间 低 通 滤 波 器 LTC1563-2、 LTC6605、 LTC6604、LTC1563-3连 续 时 间 可 配 置 滤 波 器 MAX274、 MAX275、 LTC1562 (2) 四 种 常 见 调 理 电 路(c) 信 号 变 换 电 路例 如 采 用 电 压 /频 率 变 换 ， 以 频 率 调 制 电 压 信 号 ， 以 便 电 气隔 离 和 数 字 化 ； 用 交 /直 流 变 换 提 取 输 入 信 号 的 交 流 参 数 等选 用 原 则 : 优 先 考 虑 选 用 外 围 元 器 件 少 的 集 成 器 件 的 方 案 。常 用 集 成 变 换 器 类 型

10、典 型 器 件集 成 电 压 /频 率 变 换 器 AD537、 AD650、 AD652、 VFC32K、VFC100A、 LM331、 RC4151集 成 交 流 /直 流 变 换 器 AD536、 AD636、 AD637上 表 中 ， AD652相 对 AD650所 需 外 围 器 件 更 少信 号 调 理 电 路 的 低 功 耗 设 计 原 则常 见 集 成 变 换 器 类 型 (2) 四 种 常 见 调 理 电 路(d) 信 号 线 性 化 电 路 可 通 过 硬 件 电 路 或 软 件 电 路 实 现软 硬 件 电 路 的 优 缺 点 ： 硬 件 线 性 化 实 时 性 好 ，

11、但 实 现 较 困 难且 范 围 有 限 、 功 耗 大 ； 软 件 易 实 现 、 功 耗 小 ， 但 有 延 时选 用 原 则 ： 满 足 实 时 性 要 求 前 提 下 优 先 考 虑 软 件 线 性 化 。 不能 采 用 软 件 线 性 化 时 ， 选 用 集 成 模 拟 运 算 器 件 实 现 。(3)低 功 耗 设 计 遵 循 的 基 本 原 则(a)采 用 低 功 耗 器 件 ； (b)采 用 宽 电 源 输 入 器 件(c)采 用 高 集 成 度 专 用 器 件 ； (d)优 先 考 虑 单 一 规 格 的 电 源(e)自 动 休 眠 的 工 作 方 式 ; (f)采 用 “

12、按 需 使 用 ” 的 工 作 方 式信 号 调 理 电 路 的 低 功 耗 设 计 原 则 n 3、 低 功 耗 电 源 管 理 技 术n动 态 电 源 管 理 设 计n电 源 调 整 和 按 负 载 多 方 式 分 时 供 电n传 感 器 的 电 源 调 整n根 据 负 载 大 小 和 特 点 采 用 多 方 式 供 电 n3 低 功 耗 电 源 管 理 技 术 1） 概 述n电 源 管 理 技 术 按 时 间 顺 序 对 电 子 系 统 的 电 流 和 电 压 进 行 控 制n电 源 管 理 的 目 的 在 不 影 响 性 能 的 基 础 上 将 电 源 有 效 分 配 给 系 统 不

13、同组 件 ； 尽 可 能 减 少 不 必 要 的 电 能 消 耗 ， 避 免 浪 费 。n电 源 管 理 实 现 方 案 硬 件 方 案 和 软 件 方 案 硬 件 方 案 ： 将 电 源 管 理 策 略 直 接 实 施 到 芯 片 电 路 中 ； 将 电 源 管 理 策 略 写 入 固 件 驱 动 中 ， 如 BIOS。软 件 方 案 : 静 态 电 源 管 理 和 动 态 电 源 管 理 n3 低 功 耗 电 源 管 理 技 术n1） 概 述n电 源 管 理 实 现 方 案硬 件 方 案 ： 处 理 器 电 源 管 理 功 能 ， 具 体 包 括 三 点 ： 将 处 理 器 划 分 成 不

14、 同 的 性 能 状 态 ， 每 个 状 态 对 应 一 定 的功 耗 和 性 能 参 数 ， 这 样 处 理 器 可 以 根 据 系 统 的 负 载 选 择 满 足性 能 需 求 的 最 小 功 耗 的 性 能 状 态 。 通 过 时 钟 门 控 电 路 控 制 处 理 器 各 种 端 口 的 电 源 ， 防 止 能量 泄 漏 。 内 部 集 成 温 度 传 感 器 ， 根 据 运 行 时 温 度 变 化 动 态 调 整 处理 器 频 率 和 电 压 。 例 如 TI公 司 的 OMAP处 理 器 ， 不 仅 可 以 根据 负 载 的 情 况 在 运 行 时 调 整 CPU电 压 、 CPU

15、频 率 ， 同 时 还 可以 通 过 关 闭 CPU上 一 些 部 件 ， 如 高 速 缓 存 ， 可 极 大 地 降 低 系统 的 功 耗 。 n 3 低 功 耗 电 源 管 理 技 术n 2） 动 态 电 源 管 理 设 计n 电 子 电 路 的 总 能 耗 是 活 动 能 耗 与 静 态 能 耗 之 和 ， 活 动 能 耗 在电 子 电 路 工 作 或 逻 辑 状 态 转 换 时 产 生 ， 静 态 能 耗 是 由 晶 体 管 漏电 流 产 生 的 。 电 子 电 路 的 功 率 为 ： P=CUdd2fc+UddIqn 其 中 ， C为 电 容 ； fc为 时 钟 频 率 ； Udd为

16、 电 源 电 压 ； Iq为 漏 电 流 ; CUdd2fc为 活 动 能 耗 ， UddIq为 静 态 能 耗 。n 晶 体 管 漏 电 不 可 控 ， 动 态 电 源 管 理 设 计 以 控 制 活 动 能 耗 为 主 。 n两 种 管 理 活 动 能 耗 的 方 法 。(1)时 钟 选 通 与 调 节 。 当 停 止 电 路 时 钟 ， 活 动 能 耗 为 零 ， 关 闭 暂不 使 用 的 电 路 模 块 的 时 钟 ， 可 减 少 整 个 系 统 的 活 动 能 耗 。(2)电 压 供 应 选 通 与 调 节 。 如 果 电 路 模 块 的 电 压 为 零 ， 则 活 动 能耗 与 静

17、 态 能 耗 都 为 零 ， 电 路 模 块 处 于 最 低 能 耗 状 态 。 将 暂 不 使用 的 电 路 模 块 的 电 压 供 应 切 断 或 降 低 ， 可 节 能 。 3 低 功 耗 电 源 管 理 技 术 2） 动 态 电 源 管 理 设 计n动 态 电 源 管 理 是 在 空 闲 时 降 低 或 关 闭 电 路 模 块 的 电 压 或 频率 ， 但 都 会 引 入 额 外 的 电 能 消 耗 ， 甚 至 高 于 正 常 的 消 耗 。n动 态 电 源 管 理 就 是 要 选 择 一 个 合 适 的 动 态 电 源 管 理 策 略 ，适 时 切 换 电 能 状 态 ， 在 最 小

18、 性 能 损 失 下 达 到 节 能 效 果 。 n三 种 策 略 :(a) 超 时 策 略 ; (b) 预 测 策 略 ; (c) 随 机 策 略 .策 略 类 型 原 理 特 点超 时 策 略 当 Idle时 段 开 始 后 ， 启 动 定 时 器 ， 在 timeout时 间 内 有 新任 务 ， 不 进 行 电 能 状 态 切 换 ； 否 则 timeout时 间 过 后 切换 电 能 状 态 置 为 节 能 模 式 (sleep)。 简 单 ， 使用 最 为 广泛预 测 策 略 通 过 学 习 过 去 负 载 的 情 况 对 未 来 负 载 情 况 进 行 预 测 ， 在输 入 数

19、据 的 特 性 和 当 前 系 统 性 能 的 基 础 上 动 态 地 改 变 阈 值 ， 使 系 统 性 能 得 到 优 化 。 合 理 高 效随 机 策 略 将 动 态 电 源 管 理 问 题 看 成 是 一 个 随 机 最 优 化 问 题 ， 利 用受 控 的 Markov过 程 来 研 究 具 有 不 确定 性 3 低 功 耗 电 源 管 理 技 术n3） 电 源 调 整 和 按 负 载 多 方 式 分 时 供 电(a) 传 感 器 的 电 源 调 整目 的 : 满 足 功 能 和 性 能 要 求 +节 能 ； 前 者 包 括 调 压 、 稳 压 、负 载 能 力 匹 配 等 要 求

20、； 后 者 是 要 求 低 功 耗 、 高 能 效 。传 感 器 供 电 没 有 标 准 化 ， 而 稳 压 源 有 规 格 ， 电 源 必 需 调 整 .电 源 调 整 方 式 : 升 压 、 降 压 、 升 /降 压 , 自 动 进 入 节 能 模 式电 源 调 整 器 件 功 能 能 效 性线 性 LDO(线性 低 压 差 稳 压器 ) 只 降 压 ， 电 源 提 供 电 压 低于 传 感 器 最 低 工 作 电 压 时器 件 不 能 工 作 。 有 电 流 就 总 存 在 负 载 压降 ， 负 载 电 流 越 大 能 量消 耗 也 就 越 大开 关 DC/DC 可 实 现 升 压 、

21、降 压 、 升 /降 压 调 整 负 载 电 流 太 小 时 ， 能 量效 率 很 低 3 低 功 耗 电 源 管 理 技 术n3） 电 源 调 整 和 按 负 载 多 方 式 分 时 供 电n(b) 根 据 负 载 大 小 和 特 点 采 用 多 方 式 供 电多 方 式 供 电 : 电 池 直 接 供 电 、 经 过 电 源 调 整 后 供 电 、 处 理 器I/O口 供 电 等 方 式 ， 并 实 现 自 动 选 择 。(c) 分 时 供 电多 电 源 分 时 供 电 ： 传 感 器 系 统 有 太 阳 能 或 其 他 能 量 补 给 途 径时 ， 采 用 分 时 供 电 方 式 ， 在

22、 有 其 他 能 源 补 给 时 ， 断 开 主 供 电源 -电 池 的 供 电 ， 及 时 充 分 利 用 这 些 辅 助 能 源 的 补 给 。电 源 模 块 功 能 控 制 结 构 图 3 低 功 耗 电 源 管 理 技 术 3） 电 源 调 整 和 按 负 载 多 方 式 分 时 供 电 (c) 分 时 供 电单 电 源 错 峰 供 电 ： 单 电 源 情 况 下 对 多 负 载 采 取 错 峰 供 电 方 式例 如 ， 无 线 发 射 时 CPU不 做 高 强 度 信 号 处 理 ； A/D转 换 时 ,明显 增 加 负 载 的 后 续 操作 暂 缓 等 。 右 图 为 一种 实 现

23、 节 点 错 峰 的 模块 顺 序 工 作 时 序 示 例 。分 时 结 合 多 方 式 供 电 :通 过 电 源 管 理 减 小 电池 的 工 作 电 流 ， 提 高电 源 的 整 体 能 效 。 2021-5-16 19 4 网 络 化 智 能 传 感 器 及 接 口 标 准n网 络 化 智 能 传 感 器n网 络 化 传 感 器 概 述n网 络 化 传 感 器 的 结 构n网 络 化 传 感 器 的 类 别n智 能 传 感 器 接 口 标 准 IEEE 1451 nIEEE 1451概 述nIEEE 1451标 准 的 关 键 技 术 特 征 2021-5-16 20 4 网 络 化 智

24、 能 传 感 器 及 接 口 标 准1） 网 络 化 智 能 传 感 器(1) 网 络 化 传 感 器 概 述技 术 构 成 ： 计 算 机 技 术 、 通 信 技 术 与 传 感 器 技 术 的 结 合 形成 了 网 络 化 传 感 器 技 术 ， 其 构 成 如 图 所 示 。 2021-5-16 21 4 网 络 化 智 能 传 感 器 及 接 口 标 准1)网 络 化 智 能 传 感 器(1) 网 络 化 传 感 器 概 述定 义 ： 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

25、 器 。网 络 化 传 感 器 的 优 点 ：(a) 使 传 感 器 由 单 一 功 能 、 单 一 检 测 向 多 功 能 、 多 点 检 测 方向 发 展 ， 使 信 息 处 理 由 被 动 检 测 转 向 主 动 检 测 ， 由 就 地 检 测转 向 远 距 离 实 时 在 线 检 测 。(b)引 入 嵌 入 式 技 术 和 集 成 电 路 技 术 ， 使 传 感 器 功 耗 降 低 、体 积 减 小 、 抗 干 扰 性 和 可 靠 性 提 高 ， 更 能 满 足 应 用 需 要 。(c) 使 传 感 器 可 就 近 接 入 网 络 、 可 通 过 总 线 串 在 一 起 ， 减 少现

26、场 线 缆 ， 方 便 布 线 ， 节 省 投 资 ， 易 于 系 统 维 护 和 扩 展 。 2021-5-16 22 4 网 络 化 智 能 传 感 器 及 接 口 标 准 1) 网 络 化 智 能 传 感 器(1) 网 络 化 传 感 器 概 述网 络 化 传 感 器 的 优 点 ：(d) 可 实 现 资 源 共 享 ， 传 感 器 采 集 数 据 可 供 多 用 户 使 用 ，从 而 降 低 测 量 系 统 的 成 本 。(e) 输 出 为 数 字 信 号 ， 其 传 输 过 程 无 精 度 损 失 ， 可 保 证 系统 精 度 。 4 网 络 化 智 能 传 感 器 及 接 口 标

27、准1) 网 络 化 智 能 传 感 器(2) 网 络 化 传 感 器 的 结 构网 络 化 传 感 器 采 用 标 准 的 网 络 协 议 并 通 过 模 块 化 的 结 构 将 智能 化 传 感 器 与 网 络 技 术 有 机 地 结 合 起 来 ， 其 基 本 结 构 如 下 图所 示 。 2021-5-16 23网 络 化 传 感 器 的 基 本 结 构 4 网 络 化 智 能 传 感 器 及 接 口 标 准 1) 网 络 化 智 能 传 感 器 (3) 网 络 化 传 感 器 的 类 别 2021-5-16 24 分 类 依 据 类 别 相 关 内 容按 传 输 介质 分 类 有 线

28、网 络 传感 器 采 用 固 体 介 质 来 进 行 信 息 传 输 ， 如 铜 线 或 光 纤 等无 线 网 络 传感 器 在 自 由 空 间 中 进 行 信 息 传 输 ， 其 传 输 信 道 可 以 是 光 通信 、 红 外 通 信 或 者 无 线 电 通 信 ， 其 中 应 用 较 多 的 是 基于 无 线 射 频 通 信 如 zigbee或 蓝 牙 协 议 方 式 。按 网 络 接口 分 类 基 于 现 场 总线 的 网 络 化传 感 器 现 场 总 线 是 指 连 接 智 能 现 场 设 备 和 自 动 化 系 统 的 数 字式 、 双 向 传 输 及 多 分 支 结 构 的 通

29、信 网 ， 其 关 键 标 志 是支 持 全 数 字 通 信 ， 主 要 特 点 是 可 靠 性 高 。基 于 以 太 网的 网 络 化 传感 器 不 仅 可 直 接 接 入 Internet或 Intranet， 还 可 做 到 即 插 即用 。 由 于 采 用 统 一 的 网 络 协 议 ， 不 同 厂 家 的 网 络 化 传感 器 可 以 直 接 互 换 与 兼 容 。 2021-5-16 25 4 网 络 化 智 能 传 感 器 及 接 口 标 准2)智 能 传 感 器 接 口 标 准 IEEE 1451(1) IEEE 1451概 述制 定 IEEE 1451的 目 的 : 开 发

30、一 种 软 硬 件 的 连 接 方 案 ， 使 变送 器 (传 感 器 /执 行 器 )同 微 处 理 器 、 仪 器 系 统 或 网 络 连 接 ， 此标 准 不 仅 允 许 各 厂 家 生 产 的 传 感 器 支 持 多 种 网 络 ， 还 允 许 用户 根 据 实 际 情 况 选 择 传 感 器 和 (有 线 或 无 线 )网 络 ， 并 支 持 即插 即 用 ， 最 终 实 现 各 厂 家 产 品 的 互 换 性 与 互 操 作 性 。IEEE 1451的 特 点 :(a) 传 感 器 软 件 应 用 层 的 可 移 植 性 ；(b) 传 感 器 应 用 的 网 络 独 立 性 ；(c

31、) 传 感 器 的 互 换 性 。 n4 网 络 化 智 能 传 感 器 及 接 口 标 准n2)智 能 传 感 器 接 口 标 准 IEEE 1451(1) IEEE 1451概 述IEEE 1451功 能 模 型 : 为 提 升 数 据 获 取 、 分 布 式 传 感 与 控 制功 能 ， 以 及 建 立 开 放 式 系 统 ， 通 过 系 列 技 术 手 段 把 传 感 器 节点 设 计 与 网 络 实 现 分 隔 开 来 ， 其 中 包 括 传 感 器 自 识 别 、 自 配置 、 远 程 自 标 定 、 长 期 自 身 文 档 维 护 、 简 化 传 感 器 升 级 维 护以 及 增

32、 加 系 统 与 数 据 的 可 靠 性 等 。 2021-5-16 26IEEE 1451定 义 的 智 能 传 感 器 功 能 模 型 n4 网 络 化 智 能 传 感 器 及 接 口 标 准n2) 智 能 传 感 器 接 口 标 准 IEEE 1451(1) IEEE 1451概 述IEEE 1451的 两 种 功 能 模 块 与 结 构 模 型 ：(a) 网 络 适 配 处 理 器 模 块 (network capable application processor，NCAP)(b) 变 送 器 接 口 模 块 (transducer interface module， TIM)TIM

33、及 NCAP典 型 结 构 模 型 ： 2021-5-16 27 2021-5-16 28 标 准 名 称 与 描 述 状态 TIM到 NCAP通 信 NCAP与外 网 通信 使 用1451.0通用 TEDS和 命 令 主 要 特 点IEEE1451.0:2007 智 能 传 感 器 接 口 标 准 颁布 所 有 是 , NCAP 是 定 义 了 1451所 有 成 员 接 口 的通 用 特 征IEEE1451.1:1999 网 络 适 配 器 信 息 模 型 颁布 否 网 络 与 NCAP, NCAP与NCAP, NCAP与 TIM之 间 的通 信 ： 面 向 对 象 软 件 提 纲IEEE

34、1451.2:1997 传 感 器 与 微 处 理 器 通信 协 议 和 TEDS格 式 颁布 增 强 SPI接 口和 协 议 是 , NCAP 否 点 对 点 , NCAP与 TIM通 信采 用 增 强 的 SPIIEEE1451.2:2009 传 感 器 与 微 处 理 器通 信 协 议 和 TEDS格式 修订 UART/RS-232RS-422/RS-485 是 , NCAP 是 点 对 点 , NCAP与 TIM通 信采 用 通 用 串 行 通 信 标 准IEEE1451.3:2003 分 布 式 多 点 系 统 数 字通 信 与 TEDS格 式 颁布 HPNA 是 , NCAP 否

35、多 点 分 布 式 ， 告 诉 内 部 总 线 IEEE1451.4:2004 混 合 模 式 通 信 协 议 和TEDS格 式 颁布 MAXIM/Dallas单 线 通 信 协 议 否 否 低 成 本 小 容 量 TEDS，利 用 现 有 模 拟 传 感 器IEEE1451.5:2007 无 线 通 信 协 议 和TEDS格 式 颁布 蓝 牙 ， 802.11和 802.15.4 是 , NCAP 是 TIM与 NCAP采 用 无 线 通 信 协 议IEEE1451.6:2004 CANopen协 议 传 感器网 络 接 口 修订 CANopen协议 是 , NCAP 是 TIM与 NCAP

36、采 用 CANopen通 信 协 议 ， 应 用 于 本 质 与 非本 质 安 全 系 统IEEE1451.7:2010 RFID系 统 通 信 协 议和 TEDS格 式 颁布 RFID系 统 通信 协 议 是 , NCAP 是 处 理 RFID基 础 结 构 中 的 传感 器 的 整 合 问 题 2021-5-16 29 n4 网 络 化 智 能 传 感 器 及 接 口 标 准n2)智 能 传 感 器 接 口 标 准 IEEE 1451(1) IEEE 1451概 述IEEE 1451系 列 标 准 工 作 关 系 ： n4 网 络 化 智 能 传 感 器 及 接 口 标 准n2)智 能 传

37、 感 器 接 口 标 准 IEEE 1451(1) IEEE 1451概 述IEEE 1451系 列 标 准 使 用 的 灵 活 性 ：IEEE 1451.X标 准 可 一 起 使 用 ， 也 可 单 独 使 用 。IEEE 1451.1标 准 可 独 立 于 其 他 IEEE 1451.X硬 件 接 口 标 准 而单 独 使 用 ；IEEE 1451.X也 可 不 需 IEEE 1451.1而 单 独 使 用 ， 但 必 须 要 有一 个 类 似 IEEE 1451.1功 能 的 软 件 结 构 模 块 把 IEEE 1451.X设备 与 网 络 连 接 。 2021-5-16 30 n4

38、网 络 化 智 能 传 感 器 及 接 口 标 准n2)智 能 传 感 器 接 口 标 准 IEEE 1451(2) IEEE 1451标 准 的 关 键 技 术 特 征(a) 变 送 器 接 口 (TIM)模 块主 要 功 能 ： 向 NCAP传 输 数 据 和 状 态 信 息 ， TIM借 助 于IEEE1451.2所 定 义 的 10线 数 据 接 口 TII(transducer independent interface)连 接 到 NCAP。(b)网 络 适 配 处 理 器 模 块 (NCAP)模 块NCAP介 于 TIM和 数 字 网 络 之 间 ， 用 于 从 TIM模 块 获

39、 取 数 据 ，并 将 数 据 转 发 至 不 同 的 现 场 总 线 网 络 ， 同 时 实 现 对 TIM模块 的 智 能 控 制 。 2021-5-16 31 n4 网 络 化 智 能 传 感 器 及 接 口 标 准n2) 智 能 传 感 器 接 口 标 准 IEEE 1451(2) IEEE 1451标 准 的 关 键 技 术 特 征(c) 数 字 接 口 :NCAP与 TIM的 连 接 通 过 10线 数 据 接 口 TII进 行 ，其 硬 件 连 接 规 定 如 下 图 所 示 。 TII是 基 于 SPI接 口 （ serial peripheral interface） 协 议

40、 的 点 对 点 、 带 同 步 时 钟 的 短 距 离接 口 。 2021-5-16 32TII接 口 示 意 图 2021-5-16 33 n4 网 络 化 智 能 传 感 器 及 接 口 标 准n2)智 能 传 感 器 接 口 标 准 IEEE 1451(2) IEEE 1451标 准 的 关 键 技 术 特 征TII接 口 引 脚 信 号 定 义引 脚 号 信 号 名 称 驱 动 者 功 能1 DCLK NCAP 上 升 沿 锁 存 数 据2 DIN NCAP 寻 址 ， NCAP向 TIM传 输 数 据3 DOUT TIM TIM向 NCAP传 输 数 据4 NACK TIM 触 发

41、 应 答 和 数 据 传 输 应 答5 COMMON NCAP 公 共 端 信 号 或 地6 NIOE NCAP 启 动 地 址 或 数 据 传 输7 NINT TIM TIM向 NCAP请 求 服 务 信 号8 NTRIG NCAP 实 现 TIM通 道 的 硬 件 触 发 9 POWER NCAP 提 供 +5V电 压10 NSDET TIM NCAP检 测 TIM存 在 与 否 n4 网 络 化 智 能 传 感 器 及 接 口 标 准n2)智 能 传 感 器 接 口 标 准 IEEE 1451(2) IEEE 1451标 准 的 关 键 技 术 特 征电 子 数 据 表 格 (TEDS)

42、TEDS是 TIM内 部 的 一 个 特 定 电 子 格 式 的 内 存 区 ， 用 于 描 述TIM自 身 以 及 与 其 连 接 的 传 感 器 或 执 行 器 ， 提 供 对 大 范 围 传 感器 或 执 行 器 的 支 持 ， 以 自 动 识 别 这 些 传 感 器 或 执 行 器 。TEDS一 般 储 存 在 变 送 器 内 置 电 子 储 存 器 中 ， 如 E2PROM。TEDS也 可 采 用 虚 拟 TEDS， 将 TEDS文 件 储 存 在 远 程 计 算 机 或网 络 上 。 变 送 器 工 作 时 ， NCAP把 TEDS储 存 在 NCAP中 ， 以 便于 远 程 网

43、络 和 用 户 访 问 。终 端 用 户 可 通 过 读 取 TEDS信 息 来 探 查 变 送 器 的 信 息 ， 如 功 能 、运 行 参 数 、 位 置 、 性 能 、 高 级 命 令 和 其 他 文 本 信 息 等 。 n4 网 络 化 智 能 传 感 器 及 接 口 标 准n2)智 能 传 感 器 接 口 标 准 IEEE 1451(2) IEEE 1451标 准 的 关 键 技 术 特 征物 理 单 位 表 示 : IEEE 1451.2采 用 1个 10 bit二 进 制 代 码 编 码 物 理单 位 ， 按 SI规 定 的 7个 基 本 物 理 量 来 表 所 有 被 测 物

44、理 量 。7个 基 本 物 理 量 ： 长 度 /m、 质 量 /kg、 时 间 /s、 电 流 /A、 温 度 /K、物 质 的 量 /mol以 及 光 强 /cd。实 用 中 另 加 2个 角 度 单 位 （ 球 面 角 ， 弧 度 ） 。传 感 器 物 理 量 单 位 表 示 方 法 物 理 量cd enmu rad sr m kg s A K mol单 位 指 数 1 1 1 1 1 1 1 1 1TEDS域 0 4 128 128 128 128 128 128 128 128 128例 ： 力 的 标 准 单 位 为 kgm/s2,对 应 TEDS域 表 示 为 0,128,128

45、,128,130,130,124,128,128,128 n4 网 络 化 智 能 传 感 器 及 接 口 标 准n2)智 能 传 感 器 接 口 标 准 IEEE 1451(2) IEEE 1451标 准 的 关 键 技 术 特 征校 准 数 学 模 型 -以 软 件 手 段 校 正 传 感 器 , 克 服 靠 电 路 、 材 料 和工 艺 无 法 完 全 解 决 的 漂 移 、 非 线 性 、 交 叉 敏 感 影 响 等 问 题 。IEEE 1451在 TEDS中 定 义 了 校 正 TEDS并 存 储 于 TIM中 ， 允 许传 感 器 制 造 商 对 每 个 通道 的 多 变 量 校 准 进 行 描 述 。修 正 引 擎 从 TEDS中 读 入校 准 参 数 和 传 感 器 实 际 输出 并 转 换 成 实 际 输 入 量 值 。图 为 修 正 所 用 的 的 一 般 模型 。 校 准 引 擎 的 一 般 模 型 （ 多 输 入 多 输 出 ）