基于IEEE1451标准的智能传感器设计与实现

摘 要： 以远程环境监测为背景，设计一个基于IEEE1451智能传感器标准的监测系统。基于IEEE1451.4、IEEE1451.5和IEEE1451.1分别设计了变送器接口模块TIM、无线变送器接口模块WTIM和网络适配器NCAP，并给出了系统的硬件设计框图。此外，还设计了适用于环境监测的传感器电子表格（TEDS），并基于RT-Thread操作系统给出了软件系统主要的UML状态图和序列图。
关键词： 智能传感器；IEEE1451；TEDS；即插即用

为了给传感器配备一个通用的软硬件接口，使其方便地接入各种现场总线以及Internet和Intranet，从1993年开始，美国国家标准技术研究所和IEEE仪器与测量协会的传感技术委员会联合制定了智能传感器通用通信接口标准，即IEEE1451的智能变送器标准接口。针对变送器工业各个领域的要求，多个工作组先后建立并开发了接口标准的不同部分。
1 IEEE1451标准族介绍
IEEE1451是一个智能传感器接口的标准族，它定义了一系列为使智能传感器连接到微处理器、仪表系统和现场控制网络的开放、通用、独立于网络的标准[1]，提供了一系列基于监测和控制应用的有线或无线的协议。IEEE1451接口标准结构如图1所示[2]。

在IEEE1451标准族中，IEEE1451.0标准定义了传感器和执行器多种通用配置命令集，如点对点、分布多点和无线的配置，以适应各种应用的需要。而且还规定了通用变送器电子表(TEDS)的格式，目的在于提高IEEE1451系列标准之间的互操作性，简化针对网络适配器（NCAP）和智能变送器接口模块（STIM）使用不同物理层传输介质连接相关标准制定的工作难度和工作量。
IEEE1451.1：主要定义了NCAP的信息模型，这一标准为NCAP规定了一个公共的上层对象模型，网络结构和变送器模块类型不同，其对象模型就有不同的版本。一个简单的编程模型封装了传感器硬件实现的细节，规定了不同NCAP与STIM物理层版本在具体实现时的软件接口规范。
IEEE1451.4：主要针对于传感器和变送器的混合模式通信协议及传感器电子数据表格式。混合模式接口的智能型传感器定义了一种为传统模拟模式的传感器和变送器增加自我识别技术的机制。
IEEE1451.5：定义了无线传感器通信以及TEDS格式，定义了无线变送器模块WTIM(Wireless Transducer Interface Module)与NCAP之间通过无线方法建立连接的有关事项。
2 系统概述
本系统的设计背景为远程环境检测。考虑到设备主要应用在野外，地形比较复杂， IEEE1451.2-4标准都是基于有线连接的，连线困难。而IEEE1451.5标准是基于无线传输技术的，也就是NCAP和WTIM之间的通信是基于无线传输技术，可以节省成本，而且还方便今后对系统的升级改造。但本系统的TIM部分和WTIM部分采用的是IEEE1451.4标准的MMI接口。因为MMI允许TEDS的数字信号和传感器的模拟信号隔离传输，可以很方便地将传统传感器改造为符合标准的智能传感器。系统框图如图2所示。