基于IEEE1451标准的IP传感器的设计与实现

关键词:智能传感器;IP传感器;网络化传感;网络时延

0 引言
计算机网络技术与智能传感器技术的结合首次产生了网络化智能传感器这一全新概念。传感器可以象其它网络设备一样作为一个独立的网络节点直接在网络上传输、发布与共享数据,可在网络上任何节点对现场传感器进行在线编程和组态。这种结合极大地促进了传感器技术的发展和信息化的进程。现场总线技术的应用促进了传感器向智能化、网络化方向发展。在自动化过程的测量控制级,众多的智能传感器通过现场总线连接在一起构成分布式网络化测控系统。然而由于历史的原因,国际上并没有一个统一的现场总线标准,现存的Profibus,FF,Lonworks,HART和CAN等多种总线标准之间协议互不兼容,互操作性差,各种现场总线产品既不能互连互换,也不能统一组态,给系统的扩展、维护等带来不利的影响。要保证所设计的传感器完全满足这些协议比较困难甚至根本不可能,从而大大限制了网络化智能传感器在工业上的推广应用。业界迫切需要一个具有广阔应用前景并能被广泛接受的传感器接口标准,以解决传感器之间以及传感器
与网络的互联问题。

1　基于IEEE1451标准的智能传感器
1994年IEEE和NIST联合发起合作制订“智能传感器接口标准IEEE1451”。经过多年的努力,分别于1997年和1999年通过了IEEE1451.2和IEEE1451.1网络化智能传感器标准,同时成立P1451.3和P1451.4工作组对IEEE1451.2标准进行进一步的扩展。IEEE1451标准得到了包括波音、惠普等在内的一些大公司的积极支持。采用通用的A/D或D/A转换装置作为智能传感器接口模块STIM的I/O接口,将应用的各种传感器的模拟量转换成具有标准规定格式的数据,连同传感器电子数据表TEDS与网络适配器NCAP连接,使得传感器数据可以按网络规定的协议登临网络而成为网络的一个独立节点,并具有网络节点的组态性和互操作性。TEDS存储了描述一个STIM所需的全部信息:制造商、数据格式、物理单位、序列号、测量范围以及校正系数等。这些数据可以提供给NCAP或系统的其它部分,以用于STIM的自我描述与校正。IEEE1451标准的应用极大地简化了网络化智能传感器设计。

2　基于嵌入式Internet的IP传感器
2.1　IP传感器的提出
IEEE1451标准在很大程度上促进了网络化智能传感器技术的发展。然而,自1997年IEEE1451.2标准颁布以来,该标准并没有得到广大传感器制造商的支持,对该标准的探讨还主要停留在学术研究的层面上,难以获得实际的应用。究其原因,主要表现在以下几方面。

a.网络协议难以统一。IEEE1451.1标准提出的网络独立信息模型,从理论上解决了多种总线协议之间互不兼容和不能互操作所带来的传感器接口问题。然而,在各总线技术厂商为维护自身利益仍各自为阵,不愿推广使用的情况下,该标准难有作为。

b.传感器独立接口不具有广阔的应用前景。IEEE1451.2标准规定了一个以串行外设接口协议为基础的数字接口标准TII,对于高速、高精的A/D和D/A转换器以及其它的高频场合,该接口将难以胜任。

c.NCAP过于复杂而不易低成本实现。IEEE1451.1标准定义的网络独立信息模型是一个较为完整的通用模型,从实际应用的角度考虑,该模型过于复杂,难以实现,缺乏一个功能相对简单的智能传感器信息模型。

值得关注的是,相对于复杂和昂贵的NCAP,可以低成本实现的STIM,得到了众多传感器用户的喜爱,并推动网络化智能传感器标准从基于专有的总线技术向有着更加广阔应用空间的以太网方向发展。这种发展必将带来一个新的“事实上的”网络化智能传感器标准。此外,硅微电子技术的成熟使得在单个芯片中实现复杂结构的微电子机械系统成为现实,不仅解决了嵌入式微控制器与Internet连接的技术问题,同时也使得这种连接费用降低到工业应用可以接受的程度。这种技术的发展促使了基于嵌入式Internet的网络化智能传感器的出现,称之为IP传感器。IP传感器是指基于标准的TCP/IP协议,采用模块化结构将传感器和嵌入式Inter2net技术有机地结合起来的一种新型的网络化智能传感器,并作为一个独立的网络节点直接与计算机网络通信,从而使现场测控数据就近登临网络,在网络所能及的范围内实时发布和共享。敏感元件输出的模拟信号经A/D转换及数据处理后,由网络协议处理器实现TCP/IP数据包的封装和网络化传输。反过来,网络协议处理器又能接受网络上其它节点传给自己的数据和命令,实现对本节点的操作。

2.2　IP传感器原型实现
为了简化设计,降低成本,IP传感器在IEEE1451.1标准基础上对智能传感器信息模型进行了裁剪,保留了IEEE1451.2标准的STIM结构和功能,并对TEDS进行了扩展,以TCP/IP网络协议为载体,借助以太网传输传感器数据。IP传感器在整体结构上主要由两大部分构成:智能传感器接口模块STIM和网络协议处理器模块NPPM。NPPM主要用于TCP/IP协议报文的收发和解析。一方面,接收其它网络节点的数据和命令,进行报文解析后将指令交由STIM执行;另一方面,接收STIM的数据,完成报文封装后传输给指定的网络节点。

这里,网络节点既可以是一台PC机,也可以是其它的IP传感器。显然IP传感器实质上就是将STIM和NPPM集成在一起的一个具有以太网通讯功能的嵌入式设备,STIM用于传感器接口部分,NPPM用于网络接口部分。为了协调STIM和NPPM之间的数据通讯,IP传感器摒弃了难以实现的以同步串行数据传送协议为基础的TII接口,基于ISA标准设计了一个双端口数据缓冲器DPBI来保证2者之间可靠的数据交换和STIM扩展。基于通用的8位微处理器所开发的IP传感器,是以UBICOM公司的SX52BD为基础实现了简化的智能传感器信息模型NPPM,在ADI公司ADUC812的基础上完成了IEEE1451.2标准兼容的STIM结构,ADUC812内置的闪速数据存储器用于TEDS实现以支持分布式网络环境下IP传感器的自识别和自描述。IP传感器具有如下优点。

a.以当今最为流行的网络通信协议TCP/IP为载体,利用廉价的Internet传输传感器数据。这意味着IP传感器有着更为广阔的应用空间。

b.TCP/IP协议的应用使得技术人员可通过浏览器对IP传感器进行在线管理和组态。这意味着基于以太网实施分布式网络化测控成为可能。

c.IP传感器具有的“即插即用”使得其能被动态的插拔到现有系统,而无须变动任何的网络结构。这意味着测控系统可以根据需要动态构建和重组。

d.IEEE1451.2标准的开放性使得基于这个标准的IP传感器将具有很大的柔性。意味着基于IP传感器的系统具有良好的可扩展性和可维护性。典型的基于IP传感器的分布式测量控制系统是由一个公共的网络将多个IP传感器、控制节点及中央控制单元连接在一起。IP传感器用来实现参数测量并将数据传送给网络中的其它节点,控制节点是根据需要从网络中获取所需要的数据,并根据这些数据制订相应的控制方法和执行相应的控制输出。整个系统中,每个传感器节点和控制节点是相互独立且能够自治,控制节点和IP传感器的数目视应用要求而定,并能根据需要动态增加和减少。网络的选择既可以是企业内部的以太网,也可以直接是Internet。

3　IP传感器网络时延分析
IP传感器是以TCP/IP协议为载体借助以太网传输数据的,其数据传输性能不可避免地受到网络时延的限制,而且将直接影响到IP传感器能否获得广泛的实际应用。在网络化测控系统中,IP传感器和控制节点通过以太网连接在一起。不同的路由选择使得传感器数据包沿着不同的线路传输,加上CSM/ACD固有的传输不确定性导致了IP传感器数据传输的不稳定性和传输时延的随机性。然而随着交换式集线路的使用、以太网数据传输速率的提高,这个问题已得到重要改善。通过限制网络负载,可大大降低发生数据冲突的概率,特别是在低负载的局域网应用场合,IP传感器还具有广阔的应用空间。大致上讲,基于以太网的分布式传感器网络中,设IP传感器总的网络时延为T_TOT,则有:
T_TOT=T_c+T_v+T_p
式中　
T_c———通讯时延
T_v———扰动时延
T_p———执行时延

显然,仅T_c和T_v受网络通讯影响,是IP传感器网络时延分析的主要研究内容。值得一提的是,网络时延强烈依赖于网络负载,要构造精确的网络时延数学模型非常困难,在微观上没有规律可遵循,而只能从宏观上研究其统计特征。

4　试验与结果分析
在Internet应用中,控制报文协议ICMP主要用于测试目的主机的网络可达性,任何收到ICMP回送请求的主机都将形成回送应答并把它返还给最初的发送者,所返回的数据往返时间RTT实际上是数据包从源端被发送到目的机后并返回源端的时间总和,可近似反映T_c,T_v总和的变化。本文基于ICMP协议测试IP传感器的网络时延性能,通过PC机等时间间隔的向IP传感器发送ICMP回送请求,统计RTT分布。令t_var=T_c+T_v≈RTT,这代表单次测试中的网络时延数值,T_var代表相应的时延平均值。考虑到测试的代表性和IP传感器可能的应用模式,分局域网(IP传感器和PC机位于同一个子网)和广域网(IP传感器位于上海交通大学,PC机位于华中科技大学)两种情况在同一时间段(意味着近似的网络负载)对IP传感器网络时延性能进行了测试,测试了不同网络数据包下IP传感器平均时延的变化情况。IP传感器在局域网和广域网环境下t_var和T_var的分布情况和统计学结果如图1、图2和表1所示。


图1 　数据包为1024字节时IP传感器的网络时延

图2 　不同网络数据包下IP传感器平均时延分布

表1 　IP传感器网络时延测试结果

从图中可以看出,如果不考虑数据包丢失和个别异常情况,虽然IP传感器的网络时延总是随机存在的,但网络时延的幅值以及幅值变化率却都是有界的,即网络时延t_var 总是在一定范围内随机变动。数据流量对IP传感器的网络时延有一定的影响,平均时延T_var 随着网络数据包的增大而呈现显微的由小到大的变化过程。

实验结果表明,经过一定的传输时延后(对于1024字节的数据包,考虑到90%的概率,局域网为23～36ms,广域网为408～580ms) , IP传感器可基于以太网与其它的网络主机进行可靠的数据交换,可广泛应用于非严格实时要求的网络化传感、测量系统中完成现场设备的信号采集。

5 　结束语
21世纪将是嵌入式Internet的时代,据有关专家预测,下一代网络设备中嵌入式设备将大大增加,70%的将是嵌入式设备。如果嵌入式传感器设备能够连接到Internet,则可以方便、低廉地将信息传送到世界上任何一个地方。可以预见,随着以太网等网络技术的完善和成熟,基于嵌入式Internet技术所开发的IP传感器必将在分布式网络化传感、测量和控制应用中得到广泛的应用,并将带来测控系统本身新的变革:现场传感器将与普通计算机一样成为网络中的独立节点,传感器信息可以不受时间和空间的限制跨越网络所能及的任何领域。