朱曉博, 馬尚昌,2, 張素娟,2, 楊筆鋒

(1.成都信息工程學(xué)院電子工程學(xué)院,四川成都610225;2.中國氣象局大氣探測重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室,四川成都610225)

0 引言

隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展,傳感器網(wǎng)絡(luò)化與智能化成為智能傳感器發(fā)展的一種趨勢,但由于不同廠商生產(chǎn)傳感器的網(wǎng)絡(luò)接口協(xié)議不同使各類傳感器沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),增加了用戶使用和維護(hù)的成本。因此,為了方便傳感器聯(lián)網(wǎng),需要一種通用的傳感器網(wǎng)絡(luò)接口標(biāo)準(zhǔn),使不同廠家生產(chǎn)的傳感器可以實(shí)現(xiàn)較好的通用性,這也是智能化傳感器發(fā)展的關(guān)鍵。IEEE 1451系列標(biāo)準(zhǔn)為傳感器的網(wǎng)絡(luò)化和智能化提供了一種具體通用的框架,能夠使不同廠家生產(chǎn)的傳感器之間具有即插即用以及立即聯(lián)網(wǎng)的功能。

1 IEEE 1451標(biāo)準(zhǔn)簡介

IEEE 1451是一個(gè)智能傳感器接口的標(biāo)準(zhǔn)族,定義了一系列為使智能傳感器連接到MCU、儀表系統(tǒng)以及現(xiàn)場控制網(wǎng)絡(luò)的開放、通用并獨(dú)立于網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn),提供了一系列基于監(jiān)測和控制應(yīng)用的有線或者無線的協(xié)議[1]。標(biāo)準(zhǔn)將智能傳感器分成兩個(gè)模塊,即智能變送器模塊(STIM)以及網(wǎng)絡(luò)適配器模塊(NCAP)[2]。STIM由傳感器和微處理器結(jié)合而成。充分利用了MCU的運(yùn)算和存儲能力,可對傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,包括對測量信號的調(diào)理、自校正以及自補(bǔ)償?shù)?MCU是智能變送器的核心。NCAP是將設(shè)備連接到網(wǎng)絡(luò)上的通信接口裝置,NCAP用于實(shí)現(xiàn)對STIM 的控制,使其具有連網(wǎng)的功能,并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲、處理、以及TEDS中規(guī)定的校準(zhǔn)引擎等功能。在IEEE 1451標(biāo)準(zhǔn)族中,IEEE 1451.2標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了一個(gè)10線的TII接口,用于STIM與NCAP之間的互連,對電子數(shù)據(jù)表格(TEDS)進(jìn)行了定義,并給出詳細(xì)的數(shù)據(jù)格式,為傳感器方便的應(yīng)用到多種網(wǎng)絡(luò)提供了方便,使傳感器能夠具有“即插即用”兼容性[7]。文中參照的標(biāo)準(zhǔn)主要為IEEE 1451.2標(biāo)準(zhǔn)。

TEDS的設(shè)計(jì)是整個(gè)IEEE 1451協(xié)議族重要的創(chuàng)新以及精華所在,能夠使傳感器同時(shí)具有即插即用的兼容性。NCAP通過與STIM之間的數(shù)據(jù)交互獲取TEDS的內(nèi)容,并通過協(xié)議規(guī)范實(shí)現(xiàn)智能傳感器的自動(dòng)識別,同時(shí)實(shí)現(xiàn)對STIM的配置以及傳感器的即插即用。在IEEE1451.2標(biāo)準(zhǔn)中,TEDS可分為8個(gè)可尋址的單元部分,其中前兩個(gè)TEDS即Meta-TEDS和Channel TEDS是必選且為只讀,其他是可選的[1]。TEDS的具體定義如表1所示。

數(shù)據(jù)校準(zhǔn)是傳感器數(shù)據(jù)采集的重要一環(huán),能夠較好地提高傳感器測量數(shù)據(jù)的精度。IEEE 1451.2標(biāo)準(zhǔn)為傳感器數(shù)據(jù)的校準(zhǔn)提供了一種方式,即在TEDS中存儲校正系數(shù),使用校準(zhǔn)軟件結(jié)合校正TEDS中的校準(zhǔn)參數(shù)即可對傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)。Calibration TEDS中定義的校正引擎就是用特定的數(shù)學(xué)函數(shù)將傳感器的數(shù)據(jù)(可以是來自一個(gè)或多個(gè)STIM或者來自其他途徑)融合在一起,獲取多項(xiàng)式系數(shù),并通過相應(yīng)的數(shù)學(xué)公式計(jì)算出比較精確可信的傳感器數(shù)據(jù)。校正引擎既可以在NCAP中實(shí)現(xiàn),也可在STIM中實(shí)現(xiàn)。校正引擎一般采用多項(xiàng)式作為校準(zhǔn)函數(shù),若校準(zhǔn)函數(shù)多項(xiàng)式次數(shù)較高,則不利于實(shí)現(xiàn),因此校正引擎使用分段多項(xiàng)式函數(shù)。

表1 IEEE 1451.2中對 TEDS的定義及其內(nèi)容

2 智能傳感器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)采用的結(jié)構(gòu)模型是基于IEEE 1451.2的智能傳感器模型[3]。整個(gè)系統(tǒng)包括NCAP模塊、數(shù)據(jù)接口、以及由各種傳感器和相應(yīng)的STIM模塊。網(wǎng)絡(luò)模塊NCAP通過TII接口與STIM模塊連接,STIM負(fù)責(zé)前端傳感器、ADC和信號調(diào)理模塊的控制和管理,完成數(shù)據(jù)采集、預(yù)處理、特征抽取等功能。每個(gè)STIM根據(jù)不同需要可以掛接一種或多種傳感器,配合TEDS來實(shí)現(xiàn)模塊的即插即用。NCAP通過TII接口實(shí)現(xiàn)對STIM的管理與控制,同時(shí)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)校正以及存儲等功能[5]。TII模塊是基于IEEE 1451.2標(biāo)準(zhǔn)的變送器獨(dú)立接口,該模塊是實(shí)現(xiàn)ST IM與NCAP之間通信與即插即用的關(guān)鍵。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型

2.2 STIM結(jié)構(gòu)與實(shí)現(xiàn)

與傳統(tǒng)的STIM模塊比較,系統(tǒng)中的STIM模塊能夠獨(dú)立作為一個(gè)智能設(shè)備工作。在不需要聯(lián)網(wǎng)和做大數(shù)據(jù)量存儲時(shí),STIM模塊獨(dú)立使用,此時(shí)校準(zhǔn)引擎在STIM模塊實(shí)現(xiàn),并且STIM可以掛接各種通信模塊實(shí)現(xiàn)與終端的通信;在連接NCAP后,STIM將校準(zhǔn)引擎以及與終端通信的工作交給NCAP實(shí)現(xiàn)。

系統(tǒng)中STIM模塊使用的 MCU為STM32。STM32是意法半導(dǎo)體基于ARM CortexTM-M3的32位嵌入式處理器,主頻可達(dá)72MHz、90DMips。具有豐富的片內(nèi)資源以及強(qiáng)大的處理性能,且價(jià)格僅與8位單片機(jī)相當(dāng),性價(jià)比極高。其內(nèi)部的Flash以及豐富的外設(shè)為實(shí)現(xiàn)ST IM的基本功能及擴(kuò)展功能提供了豐富資源。系統(tǒng)選用的STM32F103RBT6具有128K的片內(nèi)FLASH,20K的SRAM,2個(gè)SPI,3個(gè)串口,2個(gè)12位ADC以及其余豐富的片內(nèi)外設(shè),其中片內(nèi)FLASH既能存儲較大體積的程序,又能作為存放 TEDS和通信協(xié)議棧的空間,SPI可用來實(shí)現(xiàn)TII功能,3個(gè)串口使STIM在實(shí)現(xiàn)支持多種傳感器信號輸入的同時(shí)具備掛接各種通信模塊的能力。STIM模塊的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 STIM模塊結(jié)構(gòu)圖

傳感器輸出信號的差別較大,比如信號種類,信號幅度、噪聲源等各不相同,因此不同的傳感器的接口電路需要進(jìn)行不同的前端調(diào)理。首先確定傳感器的信號類型、信號范圍、測量精度等參數(shù),確定傳感器接口標(biāo)準(zhǔn)。在設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)上,通過硬件電路設(shè)計(jì)預(yù)留各種類型傳感器信號的輸入接口和6路撥碼輸入用于選擇傳感器;然后通過程控開關(guān)將不同種類的信號送入不同的內(nèi)部通道;利用軟件判別和程控增益放大器將不同幅值的信號放大至合適的范圍;通過程序?qū)崿F(xiàn)對各種傳感器數(shù)據(jù)的高精度采集,完成各種傳感器接口信號調(diào)理電路的重構(gòu)。

2.3 NCAP結(jié)構(gòu)與實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)中NCAP采用STM32+μ CosII+LwIP的方式實(shí)現(xiàn)。其中主控芯片選用STM32互聯(lián)型的STM32F107VCT6,STM32F107具有 CAN2.0B以及USB OTG等接口,并增加以太網(wǎng)10/100 MAC模塊,支持MII和RMII,因此,只需一個(gè)外部PHY芯片即可實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的以太網(wǎng)收發(fā)器。LwIP是瑞典計(jì)算機(jī)科學(xué)院的一個(gè)開源的輕量級TCP/IP協(xié)議棧。具有內(nèi)存使用少和代碼體積小等優(yōu)點(diǎn),非常適合用在小型嵌入式系統(tǒng)中。NCAP模塊的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

在NCAP中需要實(shí)現(xiàn)一個(gè)TCP并發(fā)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器[13],用于遠(yuǎn)程PC終端訪問,計(jì)算機(jī)可通過向NCAP發(fā)送控制指令來控制NCAP執(zhí)行相應(yīng)的功能,如讀取某傳感器數(shù)據(jù),歷史數(shù)據(jù)下載,更新TEDS等操作。另外,NCAP還嵌入了一個(gè)Http Web Server,遠(yuǎn)端PC可通過網(wǎng)頁訪問NCAP并發(fā)送指令。

圖3 NCAP模塊結(jié)構(gòu)圖

2.4 TII接口實(shí)現(xiàn)

網(wǎng)絡(luò)智能化傳感器的STIM模塊和NCAP模塊之間是相互獨(dú)立的,需要一個(gè)橋梁連接。IEEE 1451.2定義了一個(gè)10線制的物理接口TII用于STIM與NCAP之間的連接和通信,用于實(shí)現(xiàn)二者之間的數(shù)據(jù)交互、控制信息和狀態(tài)信息的傳遞以及時(shí)鐘同步,NCAP還通過TII給STIM模塊的接口提供了一個(gè)電源[4]。表2為TII接口的物理線路。

表2 TII接口物理線路

TII接口以標(biāo)準(zhǔn)SPI串行通信方式為基礎(chǔ),所以具體實(shí)現(xiàn)的時(shí)候用STM32的SPI接口配合IO口和外部中斷來實(shí)現(xiàn)。NCAP通過TII給ST IM提供電源以及一個(gè)通用的地線。STIM具有獨(dú)立的電源模塊,但是TII接口的電源只能由NCAP提供,也就是說STIM獨(dú)立使用時(shí)TII接口不起作用。STIM模塊TII接口程序流程如圖4所示。

NSDET用來檢測STIM是否連接到NCAP或從NCAP移除。在STIM上NSDET與地線即COMMON腳連接到一起。在NCAP上NSDET與POWER腳接在一起,NCAP可以讀取NSDET的狀態(tài)。在STIM剛與NCAP的連接時(shí),NSDET上的信號可能會(huì)出現(xiàn)抖動(dòng),需要一些時(shí)間穩(wěn)定。STIM上電初始化需要一小段時(shí)間。當(dāng)NSDET穩(wěn)定在低電平狀態(tài)而NACK引腳準(zhǔn)備好的時(shí)候,NCAP可以通過NIOE腳向STIM傳送數(shù)據(jù)的信號。當(dāng)數(shù)據(jù)傳送完成時(shí),NCAP將NIOE拉高,而STIM通過拉高NACK回應(yīng)NCAP。

2.5 TEDS內(nèi)容

系統(tǒng)選用TEDS中的Meta-TEDS、Channel TEDS、Calibration TEDS以及 Industry Extension TEDS部分,其中前2個(gè)TEDS每個(gè)傳感器都必須具備,Meta-TEDS用于描述STIM的參數(shù)和全部通道的共同信息,如數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、通道數(shù)等信息;Channel-TEDS用于規(guī)定每個(gè)通道的參數(shù),如單位、量程、校準(zhǔn)模型(如果相應(yīng)通道存在校準(zhǔn)TEDS)等信息;Calibration-TEDS是否需要視傳感器而定,用來存放校準(zhǔn)參數(shù)等信息,如分段數(shù)、分段邊界、多項(xiàng)式系數(shù)等信息,并可隨時(shí)供傳感器對各個(gè)通道的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行校正運(yùn)算,比如溫濕度傳感器輸出信號受環(huán)境影響較大,需要對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn),則相應(yīng)通道存在Calibration-TEDS;Industry Extension TEDS中存放用戶以及設(shè)備維護(hù)人員需要的一些擴(kuò)展信息,如最后維護(hù)人員姓名、聯(lián)系方式、最后維護(hù)日期等參數(shù)。TEDS存儲在STM32片內(nèi)Flash的最后2K字節(jié)的區(qū)域。

3 系統(tǒng)在線升級方式實(shí)現(xiàn)

3.1 STM32的IAP簡介

IAP是一種在程序中編程的機(jī)制,可以通過串口、CAN總線、以太網(wǎng)、Zigbee等有線或無線的接口對MCU內(nèi)部的程序進(jìn)行動(dòng)態(tài)更新,與比較常用的ICP與ISP技術(shù)有很大區(qū)別。ICP在單片機(jī)編程中較為常用,需要機(jī)械式地連接下在線,通過仿真器燒寫程序;而ISP技術(shù)則是在單片機(jī)中內(nèi)置了一個(gè)bootloader程序,開機(jī)會(huì)先進(jìn)入bootloader,通過程序的引導(dǎo)對單片機(jī)進(jìn)行燒寫。ICP和ISP都需要連接下載線等機(jī)械式操作,若產(chǎn)品的外殼沒有預(yù)留相應(yīng)接口或安裝在狹窄空間,更新則無法進(jìn)行。但若引進(jìn)IAP技術(shù),則完全可以解決上述問題,還可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程編程和無線編程。STM32微控制器具有大容量的片內(nèi)可編程Flash,同時(shí)具有豐富的外設(shè)通信接口,因此可以方便地實(shí)現(xiàn)IAP技術(shù)。

圖4 STIM模塊T II接口程序流程圖

圖5 STM32內(nèi)部Flash空間規(guī)劃

圖6 IAP程序流程圖

3.2 IAP方式實(shí)現(xiàn)TEDS以及程序的在線更新與升級

既然IAP方式可以把程序?qū)懙侥硞€(gè)地址然后再跳轉(zhuǎn)到該地址執(zhí)行程序,那么只要存儲空間足夠大,在一片微控制器上可以實(shí)現(xiàn)存儲多個(gè)程序文件并動(dòng)態(tài)在各個(gè)程序文件之間跳轉(zhuǎn),可以在Flash空間內(nèi)專門預(yù)留一片地址作為存儲TEDS的空間,其余空間作為程序與數(shù)據(jù)存儲地址。STM32F103RBT6具有128K字節(jié)的Flash,空間規(guī)劃如圖5所示。

IAP程序是整個(gè)系統(tǒng)的引導(dǎo)程序,系統(tǒng)開機(jī)首先運(yùn)行的是IAP程序,此時(shí)若無操作,則8秒后系統(tǒng)自動(dòng)跳轉(zhuǎn)到系統(tǒng)主程序的起始地址運(yùn)行主程序,可以通過輸入選項(xiàng)選擇需要執(zhí)行的功能。下載用的程序文件需要“.bin”格式。程序流程圖如圖6所示。

首先系統(tǒng)初始化時(shí)鐘、終端、USART以及定時(shí)器等外設(shè),然后開啟定時(shí)器2和定時(shí)器3,其中定時(shí)器2主要用于給寫Flash定時(shí),定時(shí)器3用來給自動(dòng)運(yùn)行剩余時(shí)間計(jì)時(shí)。功能選擇有3種類型:更新程序、運(yùn)行程序和擦除Flash。用串口助手測試程序的界面如圖7所示。

4 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

分別采用溫度、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、氣壓、雨量傳感器接入ST IM模塊測試系統(tǒng),其中溫度濕度采用一體式溫濕度傳感器HMP45D,風(fēng)速風(fēng)向傳感器采用模擬傳感器信號(風(fēng)速用頻率信號,風(fēng)向用0～2.5V電壓信號),氣壓傳感器使用PTB220,雨量傳感器采用模擬傳感器信號(外部中斷計(jì)數(shù))。經(jīng)系統(tǒng)實(shí)測,STIM與NCAP模塊能夠?qū)崿F(xiàn)正常的數(shù)據(jù)交互與指令收發(fā),NCAP端接收到的數(shù)據(jù)中經(jīng)校準(zhǔn)后的傳感器測量值與計(jì)算值相差達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求,即溫度誤差≤0.2℃,濕度誤差≤3%(相對濕度在80%以下),濕度誤差≤5%(相對濕度在80%以上),風(fēng)速誤差≤0.5m/s,風(fēng)向誤差≤5°,氣壓誤差≤0.3hPa,雨量誤差≤0.4mm。系統(tǒng)目前使用的傳感器自識別的方式為撥碼盤切換,需要人手動(dòng)操作,今后系統(tǒng)需在這個(gè)方向有所改進(jìn),提高系統(tǒng)的自適應(yīng)與自識別能力。

5 結(jié)束語

智能化傳感器是傳感器發(fā)展的重要方向,對標(biāo)準(zhǔn)化的智能傳感器的研究具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義,而IEEE 1451標(biāo)準(zhǔn)對智能化傳感器的設(shè)計(jì)提供了一個(gè)通用的實(shí)現(xiàn)方式。根據(jù)傳感器應(yīng)用的現(xiàn)狀、特點(diǎn)及發(fā)展趨勢,設(shè)計(jì)一種符合IEEE1451標(biāo)準(zhǔn)的智能傳感器。該系統(tǒng)集數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳輸、在線更新與自維護(hù)功能于一體,并且能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程升級與管理,實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)傳感器的網(wǎng)絡(luò)化、智能化,具有很強(qiáng)的應(yīng)用前景。

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