隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展，傳感器廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線場(chǎng)景。目前，基于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)傳感器和基于以太網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)傳感器也開(kāi)始從實(shí)驗(yàn)研究階段走向?qū)嵱没?，形成了許多以新型網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器為數(shù)據(jù)采集前端的測(cè)控系統(tǒng)。由于采用多種總線技術(shù)，使得傳感器針對(duì)不同總線在兼容性和互換性等方面也存在著很多問(wèn)題。為了解決傳感器與各種網(wǎng)絡(luò)相連接的問(wèn)題，IEEE制定了一個(gè)簡(jiǎn)化控制網(wǎng)絡(luò)和智能傳感器連接標(biāo)準(zhǔn)的IEEE 1451智能變送器接口標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)從1994年3月開(kāi)始制定到現(xiàn)在已經(jīng)形成了一個(gè)完整的標(biāo)準(zhǔn)體系，其主要目標(biāo)是要定義一套通用的通信接口，使變送器能夠獨(dú)立于各種網(wǎng)絡(luò)，并最終實(shí)現(xiàn)變送器到網(wǎng)絡(luò)的互換性與互操作性。
IEEE 1451協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)主要定義傳感器或執(zhí)行器的硬件和軟件接口標(biāo)準(zhǔn)，也定義了傳感器或執(zhí)行器標(biāo)準(zhǔn)化的通信接口，使得不同的現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)接口之間可以通過(guò)IEEE 1451定義的接口進(jìn)行互連。IEEE1451.5提供了一種無(wú)線解決方案，IEEE 1451.5標(biāo)準(zhǔn)無(wú)線傳感器接口模塊(WTIM:Wireless Transducer I nter face Module)與網(wǎng)絡(luò)適配處理器(NCAP:Network Capable Application Processor)的無(wú)線通信接口主要有IEEE 802.11(WiFi)、Bluetooth、IEEE 802.15.4(Zig Bee)與6LowPAN。隨著WirelessHART在工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景的廣泛應(yīng)用，設(shè)計(jì)符合基于IEEE 1451協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的WirelessHART無(wú)線通信的智能傳感器接口已勢(shì)在必行。通過(guò)對(duì)IEEE1451系列協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)研究，本文設(shè)計(jì)了符合該系列標(biāo)準(zhǔn)的WirelessHART智能傳感器軟件。
1、系統(tǒng)概述
基于IEEE1451的WirelessHART智能傳感器系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)包括無(wú)線傳感器接口模塊(WTIM)和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用處理器(NCAP)。無(wú)線傳感器接口模塊通過(guò)通信采集模塊將與之連接終端傳感器輸出的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行整合處理，并基于IEEE 1451協(xié)議要求，封裝成符合協(xié)議的智能傳感器接口軟件庫(kù)，通過(guò)TII(Transducer Independent Interface)接口與網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊內(nèi)部實(shí)現(xiàn)了IEEE 1451.5與WirelessHART協(xié)議的技術(shù)融合，將符合IEEE 1451.5協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的傳感器數(shù)據(jù)由WirelessHART數(shù)據(jù)幀格式傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)應(yīng)用處理器，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用處理器通過(guò)解析處理，實(shí)現(xiàn)WTIM與NCAP之間的數(shù)據(jù)通信。由于篇幅的限制，本文重點(diǎn)介紹無(wú)線傳感器接口模塊軟件設(shè)計(jì)方案，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用處理器部分的軟件設(shè)計(jì)不作為本文介紹對(duì)象。
2、軟件設(shè)計(jì)
2.1 軟件系統(tǒng)功能介紹
智能傳感器模塊的軟件設(shè)計(jì)在整個(gè)模塊的設(shè)計(jì)工作中占據(jù)重要地位。通過(guò)編寫(xiě)軟件實(shí)現(xiàn)智能變送器的“即插即用”、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?。智能傳感器軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)分為3個(gè)部分：網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊、通信采集模塊以及電子數(shù)據(jù)表格(TEDS)模塊。
網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊將作為從設(shè)備實(shí)時(shí)解析從NCAP傳來(lái)的基于IEEE 1451.5+WirelessHART格式的數(shù)據(jù)請(qǐng)求命令，并將數(shù)據(jù)封裝成IEEE 1451.2格式，通過(guò)TII接口傳輸?shù)酵ㄐ挪杉K。通信采集模塊的功能是自識(shí)別傳感器信息并通過(guò)A/D實(shí)時(shí)采集傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)、讀取傳感器的TEDS以及實(shí)現(xiàn)IEEE 1451.0和IEEE 1451.2的通信協(xié)議。此外，本設(shè)計(jì)使用了Microsoft公司的Visual Studio軟件編寫(xiě)了TEDS燒寫(xiě)上位機(jī)，通過(guò)智能傳感器模塊的TTL接口與計(jì)算機(jī)連接，并通過(guò)配置串口配置智能傳感器的TEDS。
圖1 基于IEEE 1451的WirelessHART智能傳感器系統(tǒng)架構(gòu)
2.2 智能傳感器TEDS設(shè)計(jì)
TEDS作為IEEE 1451標(biāo)準(zhǔn)族中不可缺少的重要部分，是使傳感器具有一定的“自覺(jué)”能力、實(shí)現(xiàn)傳感器“即插即用”功能的關(guān)鍵。它監(jiān)測(cè)到傳感節(jié)點(diǎn)接入無(wú)線傳感網(wǎng)的動(dòng)作時(shí)，將發(fā)送給上級(jí)管理系統(tǒng)進(jìn)行身份識(shí)別，用戶(hù)通過(guò)TEDS可獲取傳感節(jié)點(diǎn)相關(guān)信息，從而對(duì)其進(jìn)行識(shí)別。在IEEE 1451.0標(biāo)準(zhǔn)中，TEDS按照信息功能被劃分為10余種，其中有4個(gè)TEDS是必需的，類(lèi)型如下：
①M(fèi)eta-TEDS描述了TIM(Transducer Interface Module)的基本信息，傳感器通道數(shù)，分組等情況；其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義如表1所示。
表1 MetaTEDS的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(部分列出)
②Transducer Channel TEDS描述了TIM中特定傳感器通道的詳細(xì)信息，比如物理上實(shí)際的采集量，被控量，工作模式等。
③User's Transducer Name TEDS存儲(chǔ)智能傳感器的名稱(chēng)用于系統(tǒng)識(shí)別。
④PHY TEDS描述了TIM與NCAP之間的物理連接的媒介，格式無(wú)標(biāo)準(zhǔn)定義，可用戶(hù)自定。
TEDS提供了實(shí)現(xiàn)傳感器智能化的標(biāo)準(zhǔn)，但由于受到已有系統(tǒng)的限制以及實(shí)現(xiàn)TEDS的成本等方面的影響，TEDS實(shí)現(xiàn)有多種方法。目前主要有基于硬件的TEDS實(shí)現(xiàn)方法和基于純軟件的虛擬TEDS方法。硬件實(shí)現(xiàn)方法一般通過(guò)外部可編程存儲(chǔ)器EEPROM來(lái)更新或保存設(shè)備的TEDS。而軟件虛擬TEDS一般會(huì)將傳感器的相關(guān)信息以數(shù)據(jù)庫(kù)的形式存儲(chǔ)在采樣系統(tǒng)中。
本設(shè)計(jì)采用Atmel公司生產(chǎn)的基于IIC協(xié)議的AT24C128C的串行EEPROM存儲(chǔ)器芯片存儲(chǔ)TEDS。通過(guò)上位機(jī)編寫(xiě)基本的TEDS數(shù)據(jù)塊。隨后使用自定義的EEPROM傳輸協(xié)議將待傳輸?shù)腡EDS數(shù)據(jù)封裝起來(lái)，借助UART端口燒寫(xiě)到通信模塊的單片機(jī)中。單片機(jī)處理串口接收到的數(shù)據(jù)包并解析，隨后通過(guò)IIC總線將TEDS數(shù)據(jù)燒寫(xiě)到EEPROM中，實(shí)現(xiàn)TEDS的離線編程，智能傳感器TEDS配置界面如圖2所示。
圖2 智能傳感器TEDS配置界面
2.3 通信采集模塊軟件設(shè)計(jì)通信采集模塊在整體的系統(tǒng)架構(gòu)中起到至關(guān)重要的作用，模塊的主要作用及功能如下：
①處理終端傳感器上傳的數(shù)字量或模擬量信號(hào)。
②處理上位機(jī)串口發(fā)送的燒寫(xiě)設(shè)備TEDS的請(qǐng)求，并通過(guò)IIC總線燒寫(xiě)TEDS數(shù)據(jù)到EEPROM中。
③實(shí)現(xiàn)IEEE 1451.2協(xié)議及通信狀態(tài)機(jī)，處理來(lái)自網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊傳輸過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)請(qǐng)求并及時(shí)解析響應(yīng)。
④設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控。在本設(shè)計(jì)中，為了傳感器操作的安全行和可控性，通信采集模塊如果需要進(jìn)行燒寫(xiě)TEDS的操作，上電之前首先需要將撥碼撥到Write ON狀態(tài)下，上電待設(shè)備穩(wěn)定后，上位機(jī)可通過(guò)UART串口將準(zhǔn)備好的TEDS數(shù)據(jù)燒寫(xiě)到單片機(jī)的EEPROM中(燒寫(xiě)過(guò)程中可觀察撥碼開(kāi)關(guān)旁邊的指示燈，正常運(yùn)行時(shí)為綠色常亮，燒寫(xiě)時(shí)為綠色閃爍)。燒寫(xiě)完成后需要將撥碼開(kāi)關(guān)撥到Write OFF。如果EEPROM中已經(jīng)保存了TEDS數(shù)據(jù)，那么上電之前需要將撥碼開(kāi)關(guān)保持在Write OFF。
數(shù)據(jù)初始化完成后，通信采集模塊立刻向網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊發(fā)送設(shè)備識(shí)別中斷請(qǐng)求，告知NCAP及客戶(hù)端此時(shí)有傳感器上線(期間需要和網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊反復(fù)確認(rèn)網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊是否已經(jīng)入網(wǎng))。同時(shí)通信采集模塊處于數(shù)據(jù)采集狀態(tài)，模塊按照一定的采集速率定時(shí)的采集傳感器的信息，此時(shí)通信端口將實(shí)時(shí)監(jiān)聽(tīng)來(lái)自網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊TII端口的基于IEEE 1451.2協(xié)議的讀寫(xiě)TEDS命令請(qǐng)求。通信采集模塊作為從站設(shè)備接收到命令請(qǐng)求后并及時(shí)響應(yīng)，完成一次數(shù)據(jù)傳輸。通信采集模塊軟件流程如圖3所示。
圖3 通信采集模塊軟件流程圖
2.4 網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊軟件設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊的作用是接收來(lái)自NCAP的基于IEEE 1451.5協(xié)議與Wireless HART協(xié)議相融合的無(wú)線信號(hào)。Wireless HART協(xié)議是第一個(gè)開(kāi)放式的可互操作無(wú)線通信協(xié)議，在HART協(xié)議的基礎(chǔ)上增加了無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)；在IEEE 802.15.4物理層的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了TDMA數(shù)據(jù)鏈路層，Mesh網(wǎng)絡(luò)層及應(yīng)用層。在本設(shè)計(jì)中，使用Wireless HART實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，將IEEE 1451.5協(xié)議置于Wireless HART特殊命令中的負(fù)載中。設(shè)備入網(wǎng)及診斷的過(guò)程依舊采用Wireless HART協(xié)議實(shí)現(xiàn)，NCAP通過(guò)讀取特殊命令，獲取IEEE 1451協(xié)議中定義的傳感器設(shè)備信息參數(shù)?？傮w通信方式采用請(qǐng)求-響應(yīng)模式。網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊軟件設(shè)計(jì)流程如圖4所示。
圖4 網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊軟件設(shè)計(jì)流程圖
3、結(jié)論
本文提出的基于IEEE 1451協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的WirelessHART無(wú)線通信的智能傳感器接口，實(shí)現(xiàn)了WTIM與NCAP之間的數(shù)據(jù)通信；同時(shí)，設(shè)計(jì)的編輯界面能夠由用戶(hù)根據(jù)連接的傳感器自行進(jìn)行修改TEDS內(nèi)容；通信采集模塊在支持TEDS描述、采集傳感器通道值、獲取和保存?zhèn)鞲衅鞯男畔⒓皡?shù)的同時(shí)，也輸出了標(biāo)準(zhǔn)化的基于IEEE 1451.2協(xié)議的TII通信接口；網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊則將WirelessHART與IEEE 1451協(xié)議相融合，不僅僅提高了系統(tǒng)通信的可靠性，也極大的增加了系統(tǒng)移植的靈活性。
目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于IEEE 1451標(biāo)準(zhǔn)及無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳感器技術(shù)的各項(xiàng)研究正在進(jìn)行，但是作為一個(gè)通用的標(biāo)準(zhǔn)，其市場(chǎng)普及范圍還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。并且作為WTIM的“主站”，適配多種無(wú)線通信協(xié)議的NCAP網(wǎng)關(guān)研究也需要國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者進(jìn)一步研究和解決。隨著WirelessHART技術(shù)在市場(chǎng)上逐漸廣泛的應(yīng)用，基于IEEE 1451和WirelessHART協(xié)議相融合的技術(shù)希望為IEEE 1451進(jìn)入傳統(tǒng)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)領(lǐng)域提供更多的可能。
作者： 張?jiān)讫?、孫洋、宗津誠(chéng)、王進(jìn)超、于占茹
