摘要：網絡化智能傳感技術是智能傳感技術和計算機網絡技術結合的產物。本文介紹了基于現場總線和IEEE P1451標準族的智能傳感技術的發展現狀，提出基于IEEE P1451智能變送器接口標準族的智能傳感技術是未來網絡化智能傳感技術的發展方向。 　　關鍵詞：網絡化傳感器；智能傳感器；現場總線；IEEE P1451 　　1、引言 　　傳感器技術、通信技術與計算機技術構成現代信息的三大基礎，它們分別完成對被測量的信息提取、信息傳輸及信息處理，是當代科學技術發展的一個重要標志。隨著科學技術的發展，數字化、智能化和網絡化已成為時代發展趨勢：計算機技術和通信技術結合進而產生了計算機網絡技術；計算機技術和傳感器技術結合產生了智能傳感器技術；將三者融為一體（計算機網絡技術與智能傳感技術結合）便產生了網絡化智能傳感技術。網絡化智能傳感技術已成為人們關注的熱點[1],本文僅就網絡化智能傳感技術的發展現狀與發展趨勢作簡要論述。 　　2、網絡化智能傳感技術 　　網絡化智能傳感器是以嵌入式微處理器為核心，集成了傳感單元、信號處理單元和網絡接口單元，使傳感器具備自檢、自校、自診斷及網絡通信功能，從而實現信息的采集、處理和傳輸真正統一協調的新型智能傳感器，原理框圖如圖1所示。 　　網絡化智能傳感器與其它類型傳感器相比，具有如下特點： 　　⑴具有智能傳感功能。隨著嵌入式技術、集成電路技術和微控制器的引入，使傳感器成為硬件和軟件的結合體，一方面傳感器的功耗降低、體積減小、抗干擾性和可靠性提高，另一方面傳感器具有了自識別和自校正功能，同時利用軟件技術實現傳感器的非線性補償、零點漂移和溫度補償等； 　　⑵ 具有網絡通信功能。網絡接口技術的應用使傳感器方便地接入工業控制網絡，為系統的擴充和維護提供了極大的方便。 　　3、基于現場總線的智能傳感技術 　　現場總線技術是一種集計算機技術、通信技術、集成電路技術及智能傳感技術于一身的新興控制技術，按照國際電工委員會IEC61158的標準定義：“安裝在制造和過程區域的現場裝置與控制室內的自動控制裝置之間的數字式、串行、多點通信的數據總線稱為現場總線”。一般認為“現場總線是一種全數字化、雙向、多站的通信系統，是用于工業控制的計算機系統工業總線”。 　　現場總線技術是在儀表智能化和全數字控制系統的需求下產生的。現場總線是連結智能化現場設備和控制室之間全數字式、開放式和雙向的通信網絡。隨著各種智能傳感器、變送器和執行器的出現，一種新的工業控制系統體系?D數字化到現場、控制功能到現場、設備管理到現場的現場總線控制系統FCS（Fieldbus Control System）必將取代傳統的集散控制系統DCS（Distributed Control System）。基于現場總線的智能傳感器如圖2所示。 　　3.1現場總線的本質含義 　　現場總線不僅是一種通信協議，也不僅是用數字信號傳輸的儀表代替模擬信號（4～20mA DC）傳輸的儀表，關鍵是用新一代的現場總線控制系統FCS代替傳統的集散控制系統DCS，實現現場通信網絡與控制系統的集成。其本質含義體現在以下六個方面[2]： 　　⑴ 全數字化通信 　　和半數字化的DCS不同，現場總線系統是一個純數字系統。現場總線是用于過程自動化和制造自動化的現場設備或現場儀表互連的現場數字通信網絡，利用數字信號代替模擬信號，其傳輸抗干擾性強，測量精度高，大大提高了系統的性能。 　　⑵ 現場設備互連 　　現場設備或現場儀表是指傳感器、變送器和執行器等，這些設備通過一對傳輸線互連。傳輸線可以使用雙絞線、同軸電纜和光纖等。 　　⑶ 互操作性 　　互操作性的含義來自不同制造廠的現場設備，不僅可以互相通信，而且可以統一組態，構成所需的控制回路，共同實現控制策略。 　　⑷ 分散功能塊 　　FCS廢棄了DCS的輸入/輸出單元和控制站，把DCS控制站的功能塊分散地分配給現場儀表，實現了徹底的分散控制。 　　⑸ 通信線供電 　　現場總線的常用傳輸介質是雙絞線，通信線供電方式允許現場儀表直接從通信線上攝取能量。 　　⑹ 開放式互連網絡 　　現場總線為開放式互連網絡，既可與同類網絡互連，也可與不同網絡互連，還可以實現網絡數據庫共享。 　　3.2 現場總線存在的不足 　　現場總線技術自20世紀80年代產生以來，一直受到人們的極大關注，被譽為自控領域的一次革命。進入90年代以來，現場總線控制系統一度成為人們的研究熱點，各種各樣的現場總線產品不斷涌現。隨著現場總線控制系統在生產現場的實際應用，基于現場總線的智能傳感技術也面臨著諸多問題。 　　一方面，現場總線國際標準的制定因技術、商業利益等原因造成多標準共存。IEC 61158規定了FF、Profibus等8種現場總線標準，加上IEC TC17已通過的3種現場總線國際標準（ICE 62026），導致目前現場總線國際標準共有12種之多。由于各個標準采用的通信協議完全不同，存在著智能傳感器的兼容和互換性問題，影響了總線式智能傳感器的應用。 　　另一方面，現場總線還存在著瓶頸問題。表現在：現場總線切斷后，系統有可能產生不可預知的后果；系統組臺參數過于復雜，且其設定的好壞對系統性能影響很大；生產運行需大量人機數據交換，現場總線系統的通信容量有限，容易造成信息流的阻塞。 　　4、基于IEEE P1451接口標準族的智能傳感技術 　　IEEE P1451標準族是基于目前現場總線標準不一，各種現場總線標準都有自己規定的通信協議，互不兼容，從而給智能傳感技術的應用、擴展和維護等帶來不利影響的基礎上提出來的。目的是通過定義一整套通用的通信接口，大大簡化由傳感器/執行器構成的各種網絡控制系統，解決不同網絡之間的兼容性問題，并能夠最終實現各個廠家的產品相互之間的互換性與互操作性。 　　4.1 IEEE P1451智能變送器接口標準族簡介 　　IEEE P1451提議標準族定義了變送器（傳感器或執行器）的軟硬件接口。該組所有標準都支持電子數據表（TEDS）概念，這為變送器提供了自識別（self-identification）和即插即用(plug-and-play)功能。以下是IEEE P1451家族系列標準的簡要介紹。 　　⑴　IEEE P1451.0[3] 　　IEEE P1451.0提議標準，即通用的功能、通信協議和變送器電子數據表格式（Common Functions，Communication Protocols，and Transducer Electronic Data Sheet（TEDS）Formats）。IEEE P1451提議標準族由幾個標準組成，盡管它們之間有共同的特征，但是卻不存在通用的功能、通信協議和電子數據表格式的設置，這影響了這些標準之間的互操作性，阻礙了這些標準在用戶群中的廣泛使用。IEEE P1451.0提議標準就是為解決這一問題提出來的，通過定義一個包含基本命令設置和通信協議的獨立于NCAP到變送器模塊接口的物理層，為不同的物理接口提供通用、簡單的標準，以達到加強這些標準之間的互操作性。 　　⑵ IEEE Std 1451.1[4] 　　IEEE Std 1451.1標準，即智能變送器網絡應用處理器信息模型（Network Capable Application Processor（NCAP）Information Model for smart transducer），1999年7月通過了IEEE認可。該標準采用面向對象的方法精確地定義了通用的智能傳感器信息模型，涵蓋了網絡化變送器的各種應用，通過一個標準的應用編程接口（API）來實現從模型到網絡協議的映射，采用一系列功能模塊比如I／O驅動硬件抽象等來支持各種各樣的變送器，如圖3所示。 　　⑶ IEEE Std 1451.2[5] 　　IEEE Std 1451.2標準，即變送器與微處理器通信協議和變送器電子數據表格式（Transducer to Microprocessor Communication Protocols and Transducer Electronic Data Sheet（TEDS）Formats），1997年9月通過了IEEE認可。該標準具體定義了電子數據表格式TEDS和一個10線數字接口TII（Transducer Independent Interface）以及變送器與微處理器間通信協議（如圖4所示），使智能傳感器／執行器模塊具有了即插即用能力，測控網絡也可以通過訪問TEDS來監測和配置傳感器／執行器通道。 　　⑷ IEEE Std 1451.3 　　IEEE Std 1451.3標準，即分布式多點系統數字通信和變送器電子數據表格式（Digital Communication and Transducer Electronic Data Sheet（TEDS）Formats for Distributed Multidrop System），2003年10月通過了IEEE認可。該標準利用展布頻譜技術（spread spectrum technique），在一根信號電纜上實現數據同步采集、通信和對連接在變送器總線上的電子設備供電。IEEE 1451.3分布式多點變送器接口如圖5所示。 　　⑸ IEEE P1451.4 　　IEEE P1451.4提議標準，即混合模式通信協議和變送器電子數據表格式（Mixed-mode Communication Protocols and Transducer Electronic Data Sheet（TEDS）Formats）。IEEE 1451.1、IEEE 1451.2和IEEE 1451.3標準主要針對可數字方式讀的具有網絡處理能力的傳感器和執行器。IEEE P1451.4標準主要致力于基于已存在的模擬量變送器連接方法提出一個混合模式智能變送器通信協議：混合模式接口一方面支持數字接口對TEDS的讀寫，另一方面也支持模擬接口對現場儀器的測量；同時使用緊湊的TEDS對模擬傳感器的簡單、低成本的連接。基于IEEE P1451.4混合模式智能變送器接口如圖6所示。 　　⑹ IEEE P1451.5 　　IEEE P1451.5提議標準，即無線通信與變送器電子數據表格式（Wireless Communication and Transducer Electronic Data Sheet（TEDS）Formats）。該提議標準于2001年6月最新推出的，旨在現有的IEEE P1451框架下，構筑一個開放的標準無線傳感器接口，以適應工業自動化等不同應用領域的需求。 　　4.2 IEEE P1451智能變送器接口標準族體系結構 　　IEEE P1451標準可以分為面向軟件的接口與面向硬件的接口兩大部分。軟件接口部分借助面向對象模型來描述網絡化智能變送器的行為，定義了一套使智能變送器順利接入不同測控網絡的軟件接口規范；同時通過定義一個通用的功能、通信協議和電子數據表格式，以達到加強IEEE P1451族系列標準之間的互操作性。軟件接口部分主要由IEEE 1451.1和IEEE P1451.0組成。硬件接口部分是由IEEE 1451.2、IEEE 1451.3、IEEE P1451.4和IEEE P1451.5組成，主要是針對智能傳感器的具體應用而提出來的。圖7描述了IEEE P1451標準族的整體框架和各成員間的關系。 　　需要指出的是，145l.X雖然是互相協同工作的，但它們也可以彼此獨立發揮作用。1451.1可以不需要任何1451.X硬件接口而使用，1451.X硬件接口也可以不需要1451.X軟件接口，但其軟件必須要提供相應的功能如傳感器數據或信息的網絡傳輸。 　　5、結論 　　網絡化智能傳感技術研究方興未艾，建立、開發適用于工業控制系統的智能傳感器接口將成為今后一段時間內國際標準化組織的主要任務。毫無疑問，隨著IEEE P1451智能變送器接口標準族體系的建立與完善，基于IEEE P1451標準族所定義的網絡化智能傳感技術代表了未來測控系統的發展方向，必將會得到越來越廣泛的應用。