Семейство стандартов IEEE 1451 для интеллектуальных датчиков

Рассмотрены стандарты семейства IEEE 1451, приведены характеристики этих стандартов и особенности их применения.

Т. Бедненко, В. Романов

В наше время интеллектуальные датчики применяются практически в любой сфере дея­тельности человека. Однако разрабатывать и производить преобразователи для каждой конкретной цели – занятие дорогостоящее и требующее затрат времени. Решение этой проблемы лежит в области стандартизации. В 1993 году Институт радиоинженеров по электротехнике и радиоэлектронике IEEE сов­местно с Национальным институтом стандар­тов и технологий NIST (США) начали работу по созданию группы стандартов IEEE 1451, предназначенных для унификации отрасле­вых стандартов и протоколов, и базовых стан­дартов и протоколов, которые бы позволили обеспечить функциональную совместимость различных сенсорных систем и сетей [1, 2].

Группа стандартов IEEE 1451 унифицирует двухкомпонентные сенсорные системы, состо­ящие из интерфейсного модуля интеллекту­ального преобразователя STIM (Smart Trans­ducer Interface Module) и сетевого адаптера NCAP (Network Capable Application Processor). Модуль STIM может содержать до 255 различ­ных преобразователей (сенсоров и исполни­тельных механизмов), логику для формирова­ния интерфейса и электронные таблицы дан­ных для сенсоров TEDS (Transducer Electronic Data Sheet). Таблицы TEDS – ключевой эле­мент семейства стандартов. Их назначение – обеспечение однозначной идентификации и детального описания сенсора (исполнительно­го механизма). Таблицы TEDS содержат эксплуатационные характеристики и парамет­ры калибровки, необходимые для получения результатов измерения в стандартных едини­цах СИ. Они также включают дополнительную информацию, необходимую для обработки результатов измерений. Электронные таблицы TEDS содержат следующие четыре раздела данных: технические характеристики сенсора или исполнительного механизма; электричес­кие и физические свойства сенсора или испол­нительного механизма; место размещения сен­сора или исполнительного механизма, сроки поверки и т.п.; класс точности сенсора или ис­полнительного механизма. Как правило, электронные таблицы TEDS хранятся в памя­ти EEPROM.

Доступ к локальной сети осуществляет се­тевой адаптер NCAP (см. рис.). Связь между модулями STIM и NCAP поддерживается через универсальный интерфейс преобразователя TII (Transducer Independent Interface). Требо­вания к этому интерфейсу изложены в стан­дартах IEEE 1451.X.

ОСНОВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ СЕМЕЙСТВА СТАНДАРТОВ IEEE 1451

Рассмотрим подробнее некоторые стандар­ты, входящие в состав семейства стандартов IEEE 1451.

IEEE 1451.0 – 2007. Общие функции, про­токолы связи и форматы TEDS. В стандарте сформулированы требования к сопряжению модулей STIM и NCAP на физическом уровне, содержатся набор базовых команд и протоко­лы связи. В стандарте определены общие функции семейства стандартов IEEE 1451.X, требования к “горячей замене” модулей, само­тестированию, синхронному и асинхронному сбору данных от массивов сенсоров, передаче данных в потоковом режиме, содержится на­бор команд для работы с электронными табли­цами TEDS, определены требования к методам организации доступа к TEDS.

Основные компоненты семейства стандартов IEEE 1451

Стандарт предлагает использовать в качест­ве протоколов связи эталонную модель прото­колов передачи данных ISO/OSI.

IEEE 1451.1 – 1999. Стандарт на информа­ционную модель модуля NCAP. В стандарте сформулированы требования к объектной мо­дели модуля NCAP. Объектная модель сетево­го адаптера включает блоки преобразовате­лей, блок физического уровня связи и сетевой блок, а также связи между этими блоками. В стандарте отсутствуют требования к алго­ритмам работы этих блоков. Для объедине­ния блоков предложена концепция “back­plane” (объединительной платы), причем модуль NCAP поддерживает связь между бло­ками.

IEEE 1451.2 – 1997. Протоколы связи для подключения преобразователя с цифровым вы­ходом к микропроцессору и форматы TEDS [3]. В стандарте IEEE 1451.2-1997 “Transducer to Microprocessor Communication Protocol and TEDS Formats” определен цифровой двухто­чечный интерфейс для подключения модуля интеллектуального преобразователя с цифро­вым выходом к микропроцессорному сетевому адаптеру. Кроме того, в стандарте IEEE 1451.2 впервые сформулирована концепция само­идентификации встроенных электронных таб­лиц данных TEDS. Стандарт утвержден в 1997 году, но в связи с развитием таких популяр­ных интерфейсов, как RS-232, RS-485, USB, в настоящее время значительно переработан. Стандарт 1451.2 был первой попыткой Института IEEE по созданию общего стандарта на цифровой интерфейс между преобразователя­ми с цифровым выходом и цифровыми процес­сорами, причем в нем впервые была предпри­нята попытка описать все параметры, функ­ции и режимы работы преобразователя с помощью электронных таблиц TEDS. В стан­дарте сформулированы требования к незави­симому цифровому двухточечному интерфей­су TII, который может быть реализован на базе интерфейса SPI, и к протоколам связи для подключения модуля STIM с цифровым выхо­дом к модулю NCAP. Интерфейс TII представ­ляет собой 10-проводовую шину, два провода которой обеспечивают подачу питания к TIM. Согласно стандарту 1451.2 не разрешается хранить электронные таблицы TEDS вне моду­ля преобразователя STIM.

IEEE 1451.3 – 2002. Цифровая связь и фор­маты TEDS для распределенных многоточеч­ных систем. Стандарт определяет требования к цифровой многоточечной шине модуля STIM для подключения большого числа распреде­ленных сенсоров. Этот стандарт является раз­витием стандарта IEEE 1451.2 и разработан для обеспечения взаимодействия устройств с высокой скоростью передачи данных. Все ти­пы электронных таблиц TEDS стандарта IEEE 1451.2 используются в стандарте IEEE 1451.3, но содержатся в формате XML. Кроме того, оп­ределена электронная таблица TEDS, описы­вающая частотные характеристики модуля STIM и его аппаратных средств. Наборы колем NCAP. Стандарт определяет вид радиосвя­зи, по которой взаимодействуют модули WTIM и NCAP/Reader. Формат протокола связи оп­ределяется стандартом IEEE 1451.7, а структу­ра данных радиометки – требованиями стан­дартов EPC/ISO 18000-6 и ISO/IEC 15961/ 15962. В настоящее время используются нес­колько стандартов передачи данных, в кото­рых сформулированы требования к частотным диапазонам радиометок. Объединение этих требований в общий стандарт для интеллекту­альных беспроводных сенсоров, работающих в стандарте IEEE 1451, и согласование их с тре­бованиями RFID-стандартов (ISO/IEC WD 24753, EPC/ISO 18000-6, ISO/IEC 15961/ 15962 и др.) – ключ к обеспечению интеропе­рабельности RFID-сетей и сетей беспроводных интеллектуальных сенсоров.

Разработчики и производители по достоин­ству оценили преимущества сенсоров, выпол­ненных в стандарте IEEE 1451, прежде всего, такие как простота самоидентификации и ре­конфигурации, калибровки и регулировки, эксплуатации и ремонта. Многие ведущие про­изводители наладили выпуск устройств, отве­чающих требованиям стандартов 1451. Среди них фирмы Esensors – лидер по внедрению ин­терфейсов типа IEEE 1451; Sensor Synergy, Inc.; Telemonitor, Inc.; Agilent Technologies; MicroSmith, Inc. и многие другие. К числу та­ких производителей относится известная ком­пания Analog Devices, Inc., которая разработа­ла и выпускает микроконвертеры ADuC812, ADuC816, ADuC824, ADuC834, ADuC836 и другие, отвечающие требованиям стандартов семейства IEEE 1451 [3]. Имея высококачест­венные АЦП, программируемый микроконт­роллер с Flash/EE ПЗУ программ/данных на одном кристалле, эти микроконвертеры явля­ются полностью законченными контроллера­ми интеллектуальных датчиков [3].

На мировом рынке пользуются спросом сред­ства измерения и управления, отвечающие тре­бованиям стандарта IEEE 1451.4. Их выпуска­ют такие известные фирмы, как Bruel&Kjaer, Endevco, Fuji Ceramics, Futek, G.R.A.S., Kist­ler, LFM, Lion Precision, MacroSensors, PCB Piezotronics, RDP, Sensotec, Sensorex, Trans­ducer Techniques, Wallow, Weed Instrument, Wilcoxen, Esensors, National Instruments и другие [4].

Технологию сотовых сетей, согласованную с требованиями стандарта IEEE 1451.5, актив­но применяет в своих изделиях компания 3e Technologies International, Inc. – ведущий пос­тавщик изделий и технологий построения бе­зопасных беспроводных систем контроля и уп­равления для жестких условий эксплуатации. Компании Oceana Sensor и Smart Sensor Sys­tems также выпускают изделия, отвечающие требованиям стандарта IEEE 1451.5.

Изделия консорциума NeSSI (New Sampling Sensor Initiative), представляющие собой ми­ниатюрные модульные системы для отбора проб и обработки параметров жидкостей и га­зов, применяемые на нефтеперегонных пред­приятиях и предприятиях химической про­мышленности, отвечают требованиям по взры- вобезопасности стандарта IEEE 1451.6 [6].

Быстрое развитие RFID-технологий позво­ляет создавать измерительные системы и сис­темы контроля в соответствии с требованиями стандарта IEEE 1451.7 для отслеживания мес­тонахождения изделия при транспортировке или хранении, причем, что особенно важно, имеется возможность параллельно контроли­ровать качество перевозимых скоропортящих­ся продуктов. Многочисленный класс сенсоров частотно-временной группы, которые давно присутствуют на рынке электронных компо­нентов, легко адаптируется к требованиям стандарта IEEE 1451 [7].

Одним из преимуществ семейства стандар­тов IEEE 1451 является то, что данные с выхо­да преобразователей можно передавать через сеть Интернет. Программный шлюз обеспечи­вает перевод данных из формата IEEE 1451.0 в формат других стандартов, таких как Trans­ducer Makeup Language (TML) [5]. Это позволя­ет управлять системой сбора данных через сеть Интернет.

Как и все комплексные стандарты, IEEE 1451 не лишен недостатков. К основным из них относятся сложность реализации и доста­точно длительная и трудоемкая подготовка электронных таблиц TEDS, для чего необхо­дим компилятор, предварительная версия ко­торого разработана компанией Essensors [2].

Главным достоинством семейства стандар­тов IEEE 1451 является то, что на их основе можно создавать открытые распределенные системы сбора данных с идентификацией датчиков, изменением параметров и конфигура­ции системы в процессе эксплуатации, выпол­нением технического обслуживания через ло­кальную сеть или сеть Интернет, наращива­нием количества датчиков с использованием технологии plug-and-play. Развитие стандар­тов семейства IEEE 1451 поддерживается Ми­нистерством обороны США, аэрокосмическим агенством NASA, компаниями-производите­лями сенсоров и электронных компонентов, разработчиками систем контроля и управле­ния.