-
-
-
jiang_0514 | 当前状态：在线
总积分：2005 2024年可用积分：0
注册时间： 2008-10-15
最后登录时间： 2023-04-25
-
-
一种IEEE1451.4智能传感器数据采集系统的实现
jiang_0514 发表于 2008/12/16 13:48:27 765 查看 0 回复 [上一主题] [下一主题]
手机阅读
0．引言
根据IEEE1451.4标准规定开发的传感器即插即用标准，能大幅度减少了传感器测量系统的搭建、配置及编程工作，而且随着USB数据采集设备的出现，测量系统的开发已经可以充分利用USB即插即用的好处了。结合这两种技术，可以很方便的开发从传感器到计算机的即插即用数据采集系统，将硬件安装的时间缩短一半，有时还可以减少应用程序的开发时间，极大地降低了测量系统总成本。但因为还存在很多传统的模拟传感器，没有EEPROM可用，不能内嵌TEDS，考虑到要向后兼容，本文通过在PC机上为一种传统传感器配置虚拟TEDS使它成为IEEE1451.4智能传感器，并采用USB接口数据采集卡，搭建了一个简易的温度测量数据采集系统。
1．IEEE1451.4标准浅析
用于智能变送器接口标准IEEE1451系列，已经颁布的标准有1451.1、1451.2、1451.3和1451.4。在IEEE1451模型中，传感器是通过NCAP（Network Capable Application Processor，具有联网能力的应用处理器）接入网络的。传感器与NCAP通过标准接口以及TEDS实现即插即用连接；NCAP之间及NCAP与计算机之间通过遵循标准的模型实现互联。
IEEE1451.1描述了NCAP信息模型，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；通过定义通用的功能、通信协议及电子数据表格式，加强了各标准间的互操作性。IEEE1451.2定义了智能传感器接口模块、独立接口协议以及TEDS数据结构；IEEE 1451.3描述了一种总线型接口以及TEDS结构；IEEE1451.4描述了一种模拟/数字混合接口和TEDS结构，它因为能以很小的代价将普通模拟传感器改造成智能传感器而受到青睐[1]。
IEEE1451.4标准的核心部分是TEDS的定义，其结构极其紧凑，具有灵活性与扩展性，可以应对范围广泛的传感器类型和要求。TEDS信息分为以下几个关键部分：第一部分即基本TEDS，包含了必要的传感器识别信息；第二部分，IEEE标准TEDS，包含传感器专用的“数据表”信息，一般是正确配置电气接口并将测量数据转换为工程单位所需要的数据；最后一部分，用来存放传感器中自定义数据和信息。
IEEE1451.4的第二个组成部分是定义了一个混合模式的接口，如图1中，把传统的模拟传感器信号与低成本的串行数字连接结合在一起，以访问传感器内嵌的传感器TEDS，。为了将“传感器即插即用”的优势延用于传统型模拟传感器，用虚拟TEDS（存于PC机或可以访问的网络数据库中）以文档形式提供同样的传感器TEDS，如图2所示，有了虚拟TEDS，传统的模拟传感器也同样可以向与其连接的数据采集系统进行自我识别和描述[2]。
图1 内嵌TEDS的智能传感器 
图2 传统的模拟传感器配置虚拟TEDS
2．数据采集系统搭建
2.1 硬件实现部分
采用AD公司的一种温度传感器AD22100A和NI公司的一款USB接口的数据采集卡，搭建一个测量温度信息的简易的数据采集系统，其硬件框图如图3所示。
图3 数据采集硬件框图
数据采集卡USB6009通过USB接口与PC机相连，数据采集卡通过USB总线驱动，所以并不需要外接电源，而且它可以向外提供一个5V的激励电源，刚好可以用做传感器AD22100A的激励电源，传感器的输出电压信号VO接入数据采集卡的模拟输入端AI 1。
1）温度传感器
设计中选用的AD22100A传感器是一款带信号调理的电压输出的温度传感器，它有8个引脚，其中引脚1接激励电压信号V+，引脚2表示输出电压信号VO，引脚4接地信号GND，其他5个引脚不连接。传感器的一些基本参数如表1所示，根据表中转换功能可知，输出电压VOUT与激励电压V+、测量温度TA成比例。
表1 AD22100A基本参数表
2）数据采集卡
USB6009的体积小、易于连接，可直接连接信号源，并设有为外部传感器和外部设备供电的一个板上参考电压，采用方便而易于携带的总线供电型设计，采样率可达48Ks/s。
它主要由一个USB微控制器、一个8通道14位的模数转换器（ADC）和两个12位的数模转换器（DAC）组成，向外提供一个2.5V的基准电压及一个5V/200mA的电源，有8路模拟输入（支持差分输入），2路模拟输入和12条数字I/O线。
2.2 TEDS实现
由于传感器AD22100A的基本参数中含有标定表信息，所以要设计一个包括标准TEDS和标定表TEDS的TEDS结构，其结构表如表2所示。一个完整的TEDS是由多个部分链接而成的，本设计中传感器TEDS主要由4大块组成，以下分别做简要描述[3]。
表2 AD22100A的TEDS结构示意图 
第一部分是基本TEDS，包括制造商ID（14bit）、型号（15bit）、版本字号（5bit）、版
本号（6bit）和序列号（24bit）这5项信息，这部分信息要存在一个非易失性存储器中。
第二部分是标准模板TEDS，是IEEE1451.4标准提供的ID编号为25~39及43的一组可直接调用的模板，按照传感器类型分为16种类型。AD22100为电压传感器，故选用ID=30的电压输出模板，在此模板中输入传感器的基本参数，诸如传感器类型、测量范围、输入输出阻抗、输出电信号大小以及激励电源等，相应的传感器的一些基本参数如表1所示。
第三部分是校准模版，因为AD22100A需要输入标定信息，标准模板不能完全满足要求，所以要添加标定模版TEDS，标定模板共有三种：标定表模板ID=40、标定曲线（多项式）模板ID=41和频率响应表模板ID=42。如果标定信息可以用多项式较方便的表示出来，就可以选用标定曲线模板，直接描述出多项式即可，否则就要选用标定表模板，进行曲线拟合，这种方法需要多点信息，需要的信息量大，比较复杂。
根据表1中传感器输出电压与测量温度的转换关系可得：TA=43.57 VOUT+（-61.11），用此多项式对传感器进行标定。因为标定信息是一次多项式，故选用标定曲线模板来描述。在标定曲线模板中，对于复杂的标定曲线，可以在%CalCurve_PieceStart中进行分段处理，本设计是比较简单的一次曲线，不用分段处理。标定分两步进行，先在%CalCurve_power中将指数设为0，同时%CalCurve_coef中系数置为-61.11；然后在%CalCurve_power中将指数设为1同时%CalCurve_coef中将系数置为43.57，最后在%CalCurve_Domain中选择参数为Physical，此时就可以输出测量的物理信号大小，这样就完成了标定信息。
最后一部份是向用户开放的数据区，用户可以自定义一些自己的重要信息，比如传感器位置、维修信息等，到此就可以完整的创建本设计中需要的传感器TEDS。
TEDS标准确定了模块与传感器之间的通讯，NI-DAQmx提供界面以阅读传感器数据并自动换算成为工程单位，代替了从书面数据表中手工输入传感器参数。在MAX中进行配置具体操作为：按照路径Devices and Interfaces->NI-DAQmx Devices->USB-6009：Dev1，查找到数据采集卡硬件，右击USB-6009配置TEDS，配置好后加到对应的任务中。可以在Data Neighborhood中创建和全局通道，并进行任务和通道的参数配置，比如创建新任务时，选择I/O类型；选择执行的测量或信号发生；创建任务的局部通道，可以增加全局通道到该任务，也可以选择实际通道；必要的话可以配置该测量的各种设置、定时和触发；最后保存任务。
在传统的数据采集系统中，因为没有TEDS信息可调用，所以要手动配置传感器参数，如量程、敏感度及比例系数等，以便软件能正确的转换并解析传感器数据，可能在应用软件开发时还要花大量时间编写传感器标定程序，而配置TEDS的传感器可以简化这些工作。
模拟传感器配置虚拟TEDS，可以免去手工输入传感器参数的辛劳，为开发者带来了许多实际性的好处：系统安装更加快捷；诊断能力得到提高；由于修理和更换传感器而导致的停机时间更短；资源管理得到改善；自动使用校准数据等等。
虽然虚拟TEDS相对于没有TEDS信息时有了很大改善，但相对于实TEDS（内嵌于传感器中），虚TEDS还是有一定缺陷，比如实TEDS接入任意通道也可以自动更新，能正常工作，而虚TEDS必须要接入相应的传感器通道，否则不能起到标定作用，所以在MAX中配置TEDS时，要将TEDS正确导入到连接对应传感器的物理通道。
2.3 数据采集实现
数据采集软件可以采用多种方法编写，可以调用NI-DAQmx的API函数用C或VB语言编写，也可以利用LabVIEW进行图形化编程，各种方法的开发思想和流程基本相似。
首先创建一个任务，再创建一个模拟电压输入通道，将通道加到任务中，创建通道时要设定好待测量信号的物理通道号，通道名称，终端配置，极值和单位等信息，接着设定采样参数，包括采样时钟源，采样频率大小，采样模式及每个通道的采样数，配置完后就可以调用开始函数开始数据采集，采集完成后读取数据，然后清除任务完成采样任务。特别注意的是，它的API函数一般会提供一个状态参数，表示函数操作成功与否，编写程序时可以根据调用函数的状态参数来判断函数执行情况，决定继续执行或者跳出进行出错处理。
由于传感器标定信息中存在舍入误差，传感器本身精度有限，A/D转换时也会存在量化误差，而且受周围环境影响也会存在一定的随机误差，综合以上原因，设计中的测量结果会存在一些偏差，但最后的测量温度偏差不超过2℃，结果基本正确，表明使用虚拟TEDS完全可以正确的为传统传感器搭建一个更加简易的数据采集系统。
3．小结
本着简化数据采集系统的目的，本文讨论了一种为传统的模拟传感器配置虚拟TEDS以及选用USB接口的数据采集卡来简化传统的数据采集系统的实现方案。实践证明，配置了TEDS的传感器和相应的即插即用的数据采集硬件、软件让各种测量系统在便于使用、精确可靠等方面得到了实质性的提高。
作者简介:
王婷（1982-），女，汉族，硕士研究生，机械电子工程专业，主要从事智能传感器研究。
史铁林（1964-），男，汉族，教授，博士生导师，主要从事故障诊断、人工智能、微机电系统等方面的研究。
赵江滨（1976-），男，汉族，博士研究生，机械电子工程专业，主要从事智能传感器、虚拟仪器以及智能维护方面的研究。
WANG Ting, female, born in 1982, Han, Master, mechanical electronics specialty. Now engaged
in intelligent sensor.
SHI Tie-lin, male, born in 1964, Han, professor, Now engaged in fault diagnostics, artificial intelligence and MEMS.
ZHAO Jiang-bin, male, born in 1976, Han,Doctor, mechanical electronics specialty. Now engaged
in intelligent sensor, virtual instrument and intelligent maintenance.
参考文献
[1] 梁国伟，李长武，李文军. 网络化智能传感技术发展浅析. 微计算机信息（测控自动化）2004年第20卷第7期54页
[2] Sensors Plug&Play 智能传感器测量的新标准. 计算机应用. 2004.10第56页
[3] IEEE Standard for A Smart Transducer Interface for Sensors and Actuators—Mixed-Mode Communication Protocols and Transducer Electronic Data Sheet Formats，IEEE Std 1451.4™-2004
本文得到国家973项目“高性能电子产品设计制造精微化、数字化新原理和新方法”子项目“电子制造中的混合约束数字建模与产品缺陷诊断机理”资助(编号：2003CB716207)。
本文作者创新点：
对比分析了无TEDS（变送器电子数据表格）信息的传统的模拟传感器、配置虚拟TEDS的模拟传感器以及内嵌实TEDS的智能传感器的优缺点，说明了为传感器配置TEDS的优势，并成功的为一种传统的温度传感器AD22100A配置虚拟TEDS，使其成为IEEE1451.4智能传感器，文中给出了软硬件实现细节，验证了为传感器配置TEDS的正确性和优越性。TEDS的使用以及硬件上采用即插即用的USB数据采集卡，实现了对传统数据采集系统的简化。