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基于IEEE1451標準的IP傳感器的設計與實現

更新日期:2007-11-05  作者:  來源:光學精密機械網(ChinaOptic.Com.Cn)收集整理

來源:機械電子   作者:陶波 丁漢 熊有倫


摘要:本文基于簡化的IEEE1451智能傳感器信息模型,提出了基于嵌入式Internet技術的IP傳感器模型,并進行了原型實現。分析了IP傳感器的網絡時延問題,并在網絡環境下對其時延性能進行了測試。實驗結果表明,所設計的IP傳感器可廣泛應用于分布式網絡化傳感、測量和控制系統。


關鍵詞:智能傳感器;IP傳感器;網絡化傳感;網絡時延

0 引言
計算機網絡技術與智能傳感器技術的結合首次產生了網絡化智能傳感器這一全新概念。傳感器可以象其它網絡設備一樣作為一個獨立的網絡節點直接在網絡上傳輸、發布與共享數據,可在網絡上任何節點對現場傳感器進行在線編程和組態。這種結合極大地促進了傳感器技術的發展和信息化的進程。現場總線技術的應用促進了傳感器向智能化、網絡化方向發展。在自動化過程的測量控制級,眾多的智能傳感器通過現場總線連接在一起構成分布式網絡化測控系統。然而由于歷史的原因,國際上并沒有一個統一的現場總線標準,現存的Profibus,FF,Lonworks,HART和CAN等多種總線標準之間協議互不兼容,互操作性差,各種現場總線產品既不能互連互換,也不能統一組態,給系統的擴展、維護等帶來不利的影響。要保證所設計傳感器完全滿足這些協議比較困難甚至根本不可能,從而大大限制了網絡化智能傳感器在工業上的推廣應用。業界迫切需要一個具有廣闊應用前景并能被廣泛接受的傳感接口標準,以解決傳感器之間以及傳感
與網絡的互聯問題。

1 基于IEEE1451標準的智能傳感
1994年IEEE和NIST聯合發起合作制訂“智能傳感接口標準IEEE1451”。經過多年的努力,分別于1997年和1999年通過了IEEE1451.2和IEEE1451.1網絡化智能傳感器標準,同時成立P1451.3和P1451.4工作組對IEEE1451.2標準進行進一步的擴展。IEEE1451標準得到了包括波音、惠普等在內的一些大公司的積極支持。采用通用的A/D或D/A轉換裝置作為智能傳感接口模塊STIM的I/O接口,將應用的各種傳感器的模擬量轉換成具有標準規定格式的數據,連同傳感電子數據表TEDS與網絡適配器NCAP連接,使得傳感器數據可以按網絡規定的協議登臨網絡而成為網絡的一個獨立節點,并具有網絡節點的組態性和互操作性。TEDS存儲了描述一個STIM所需的全部信息:制造商、數據格式、物理單位、序列號、測量范圍以及校正系數等。這些數據可以提供給NCAP或系統的其它部分,以用于STIM的自我描述與校正。IEEE1451標準的應用極大地簡化了網絡化智能傳感設計

2 基于嵌入式Internet的IP傳感
2.1 IP傳感器的提出
IEEE1451標準在很大程度上促進了網絡化智能傳感器技術的發展。然而,自1997年IEEE1451.2標準頒布以來,該標準并沒有得到廣大傳感器制造商的支持,對該標準的探討還主要停留在學術研究的層面上,難以獲得實際的應用。究其原因,主要表現在以下幾方面。

a.網絡協議難以統一。IEEE1451.1標準提出的網絡獨立信息模型,從理論上解決了多種總線協議之間互不兼容和不能互操作所帶來的傳感接口問題。然而,在各總線技術廠商為維護自身利益仍各自為陣,不愿推廣使用的情況下,該標準難有作為。

b.傳感器獨立接口不具有廣闊的應用前景。IEEE1451.2標準規定了一個以串行外設接口協議為基礎的數字接口標準TII,對于高速、高精的A/D和D/A轉換器以及其它的高頻場合,該接口將難以勝任。

c.NCAP過于復雜而不易低成本實現。IEEE1451.1標準定義的網絡獨立信息模型是一個較為完整的通用模型,從實際應用的角度考慮,該模型過于復雜,難以實現,缺乏一個功能相對簡單的智能傳感器信息模型。

值得關注的是,相對于復雜和昂貴的NCAP,可以低成本實現的STIM,得到了眾多傳感器用戶的喜愛,并推動網絡化智能傳感器標準從基于專有的總線技術向有著更加廣闊應用空間的以太網方向發展。這種發展必將帶來一個新的“事實上的”網絡化智能傳感器標準。此外,硅微電子技術的成熟使得在單個芯片中實現復雜結構的微電子機械系統成為現實,不僅解決了嵌入式微控制器與Internet連接的技術問題,同時也使得這種連接費用降低到工業應用可以接受的程度。這種技術的發展促使了基于嵌入式Internet的網絡化智能傳感器的出現,稱之為IP傳感器。IP傳感器是指基于標準的TCP/IP協議,采用模塊化結構將傳感器和嵌入式Inter2net技術有機地結合起來的一種新型的網絡化智能傳感器,并作為一個獨立的網絡節點直接與計算機網絡通信,從而使現場測控數據就近登臨網絡,在網絡所能及的范圍內實時發布和共享。敏感元件輸出的模擬信號經A/D轉換及數據處理后,由網絡協議處理器實現TCP/IP數據包的封裝和網絡化傳輸。反過來,網絡協議處理器又能接受網絡上其它節點傳給自己的數據和命令,實現對本節點的操作。

2.2 IP傳感器原型實現
為了簡化設計,降低成本,IP傳感器在IEEE1451.1標準基礎上對智能傳感器信息模型進行了裁剪,保留了IEEE1451.2標準的STIM結構和功能,并對TEDS進行了擴展,以TCP/IP網絡協議為載體,借助以太網傳輸傳感器數據。IP傳感器在整體結構上主要由兩大部分構成:智能傳感接口模塊STIM和網絡協議處理器模塊NPPM。NPPM主要用于TCP/IP協議報文的收發和解析。一方面,接收其它網絡節點的數據和命令,進行報文解析后將指令交由STIM執行;另一方面,接收STIM的數據,完成報文封裝后傳輸給指定的網絡節點。

這里,網絡節點既可以是一臺PC機,也可以是其它的IP傳感器。顯然IP傳感器實質上就是將STIM和NPPM集成在一起的一個具有以太網通訊功能的嵌入式設備,STIM用于傳感接口部分,NPPM用于網絡接口部分。為了協調STIM和NPPM之間的數據通訊,IP傳感器摒棄了難以實現的以同步串行數據傳送協議為基礎的TII接口,基于ISA標準設計了一個雙端口數據緩沖器DPBI來保證2者之間可靠的數據交換和STIM擴展。基于通用的8位微處理器所開發的IP傳感器,是以UBICOM公司的SX52BD為基礎實現了簡化的智能傳感器信息模型NPPM,在ADI公司ADUC812的基礎上完成了IEEE1451.2標準兼容的STIM結構,ADUC812內置的閃速數據存儲器用于TEDS實現以支持分布式網絡環境下IP傳感器的自識別和自描述。IP傳感器具有如下優點。

a.以當今最為流行的網絡通信協議TCP/IP為載體,利用廉價的Internet傳輸傳感器數據。這意味著IP傳感器有著更為廣闊的應用空間。

b.TCP/IP協議的應用使得技術人員可通過瀏覽器對IP傳感器進行在線管理和組態。這意味著基于以太網實施分布式網絡化測控成為可能。

c.IP傳感器具有的“即插即用”使得其能被動態的插拔到現有系統,而無須變動任何的網絡結構。這意味著測控系統可以根據需要動態構建和重組。

d.IEEE1451.2標準的開放性使得基于這個標準的IP傳感器將具有很大的柔性。意味著基于IP傳感器的系統具有良好的可擴展性和可維護性。典型的基于IP傳感器的分布式測量控制系統是由一個公共的網絡將多個IP傳感器、控制節點及中央控制單元連接在一起。IP傳感器用來實現參數測量并將數據傳送給網絡中的其它節點,控制節點是根據需要從網絡中獲取所需要的數據,并根據這些數據制訂相應的控制方法和執行相應的控制輸出。整個系統中,每個傳感器節點和控制節點是相互獨立且能夠自治,控制節點和IP傳感器的數目視應用要求而定,并能根據需要動態增加和減少。網絡的選擇既可以是企業內部的以太網,也可以直接是Internet。

3 IP傳感器網絡時延分析
IP傳感器是以TCP/IP協議為載體借助以太網傳輸數據的,其數據傳輸性能不可避免地受到網絡時延的限制,而且將直接影響到IP傳感器能否獲得廣泛的實際應用。在網絡化測控系統中,IP傳感器和控制節點通過以太網連接在一起。不同的路由選擇使得傳感器數據包沿著不同的線路傳輸,加上CSM/ACD固有的傳輸不確定性導致了IP傳感器數據傳輸的不穩定性和傳輸時延的隨機性。然而隨著交換式集線路的使用、以太網數據傳輸速率的提高,這個問題已得到重要改善。通過限制網絡負載,可大大降低發生數據沖突的概率,特別是在低負載的局域網應用場合,IP傳感器還具有廣闊的應用空間。大致上講,基于以太網的分布式傳感器網絡中,設IP傳感器總的網絡時延為TTOT,則有:
TTOT=Tc+Tv+Tp
式中 
Tc———通訊時延
Tv———擾動時延
Tp———執行時延

顯然,僅Tc和Tv受網絡通訊影響,是IP傳感器網絡時延分析的主要研究內容。值得一提的是,網絡時延強烈依賴于網絡負載,要構造精確的網絡時延數學模型非常困難,在微觀上沒有規律可遵循,而只能從宏觀上研究其統計特征。

4 試驗與結果分析
在Internet應用中,控制報文協議ICMP主要用于測試目的主機的網絡可達性,任何收到ICMP回送請求的主機都將形成回送應答并把它返還給最初的發送者,所返回的數據往返時間RTT實際上是數據包從源端被發送到目的機后并返回源端的時間總和,可近似反映Tc,Tv總和的變化。本文基于ICMP協議測試IP傳感器的網絡時延性能,通過PC機等時間間隔的向IP傳感器發送ICMP回送請求,統計RTT分布。令tvar=Tc+Tv≈RTT,這代表單次測試中的網絡時延數值,Tvar代表相應的時延平均值。考慮到測試的代表性和IP傳感器可能的應用模式,分局域網(IP傳感器和PC機位于同一個子網)和廣域網(IP傳感器位于上海交通大學,PC機位于華中科技大學)兩種情況在同一時間段(意味著近似的網絡負載)對IP傳感器網絡時延性能進行了測試,測試了不同網絡數據包下IP傳感器平均時延的變化情況。IP傳感器在局域網和廣域網環境下tvar和Tvar的分布情況和統計學結果如圖1、圖2和表1所示。


圖1  數據包為1024字節時IP傳感器的網絡時延

圖2  不同網絡數據包下IP傳感器平均時延分布

表1  IP傳感器網絡時延測試結果

從圖中可以看出,如果不考慮數據包丟失和個別異常情況,雖然IP傳感器的網絡時延總是隨機存在的,但網絡時延的幅值以及幅值變化率卻都是有界的,即網絡時延tvar 總是在一定范圍內隨機變動。數據流量對IP傳感器的網絡時延有一定的影響,平均時延Tvar 隨著網絡數據包的增大而呈現顯微的由小到大的變化過程。

實驗結果表明,經過一定的傳輸時延后(對于1024字節的數據包,考慮到90%的概率,局域網為23~36ms,廣域網為408~580ms) , IP傳感器可基于以太網與其它的網絡主機進行可靠的數據交換,可廣泛應用于非嚴格實時要求的網絡化傳感、測量系統中完成現場設備的信號采集。

5  結束語
21世紀將是嵌入式Internet的時代,據有關專家預測,下一代網絡設備中嵌入式設備將大大增加,70%的將是嵌入式設備。如果嵌入傳感器設備能夠連接到Internet,則可以方便、低廉地將信息傳送到世界上任何一個地方。可以預見,隨著以太網等網絡技術的完善和成熟,基于嵌入式Internet技術所開發的IP傳感器必將在分布式網絡化傳感、測量和控制應用中得到廣泛的應用,并將帶來測控系統本身新的變革:現場傳感器將與普通計算機一樣成為網絡中的獨立節點,傳感器信息可以不受時間和空間的限制跨越網絡所能及的任何領域。

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