научная статья по теме ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ ДАТЧИКИ, СЕТИ ДАТЧИКОВ И ЦИФРОВЫЕ ИНТЕРФЕЙСЫ Метрология
Текст научной статьи на тему «ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ ДАТЧИКИ, СЕТИ ДАТЧИКОВ И ЦИФРОВЫЕ ИНТЕРФЕЙСЫ»
ОБЩИЕ ВОПРОСЫ МЕТРОЛОГИИ И ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ
Интеллектуальные датчики, сети датчиков
и цифровые интерфейсы
В. А. ВАСИЛЬЕВ, П. С. ЧЕРНОВ
Пензенский государственный университет, Пенза, Россия, e-mail:opto@bk.ru
Проведен анализ понятий и определений интеллектуального датчика, уточнена его минимальная структура и выполняемые им функции. Дан обзор существующих стандартов, направленных на унификацию цифровых интерфейсов датчиков, упрощение создания сети датчиков, включения интеллектуального датчика в сеть, сетевого доступа к ресурсам датчика.
Ключевые слова: интеллектуальный датчик, цифровой интерфейс датчика, сеть датчиков.
The terms and definitions of smart sensor, its minimal structure and functions are examined. The review of existing standards for unification of digital sensor interfaces, simplification of sensor network creation, inclusion of smart sensor into existing network, and the network access to sensor resources is given.
Key words: smart sensor, digital sensor interface, sensor network.
Датчики физических величин становятся все более точными, быстродействующими, энергосберегающими, дешевыми, малогабаритными и интеллектуальными. В чем же заключается «интеллектуальность» датчика? Согласно стандарту [1] под интеллектуальным датчиком понимается адаптивный датчик с функцией метрологического самоконтроля. Адаптивный датчик в свою очередь должен содержать параметры и алгоритмы работы, способные изменяться в зависимости от внешних сигналов. Неотъемлемой частью интеллектуального датчика согласно [1] является возможность самообучения и самовосстановления при возникновении единичного сбоя.
В зарубежной литературе аналогом термина «интеллектуальный датчик» является термин «smart sensor», закрепившийся в середине 1980-х, и в настоящее время под ним обычно подразумевают датчик с интегрированной электроникой (аналого-цифровым преобразователем (АЦП), микропроцессором, цифровым сигнальным процессором, системой на кристалле и т. п.), а также с реализацией цифрового интерфейса и сетевых коммуникационных протоколов. Таким образом, неотъемлемой функцией интеллектуального датчика считается возможность включения его в сеть датчиков (проводную или беспроводную). Соответственно, помимо наличия функций самодиагностики и самообучения, такой датчик должен обладать функцией самоидентификации, требующейся для его однозначного опознания в сети среди других датчиков. Кроме возможности включения датчика в сеть, наличие сетевого интерфейса позволяет проводить действия по конфигурации, выбору режима работы и диагностике датчиков c удаленного рабочего места, что дает преимущества как в эксплуатации, так и в стоимости их обслуживания.
Широкое распространение получают интеллектуальные датчики, имеющие сразу несколько первичных преобразователей и осуществляющие измерение нескольких физических величин одновременно. Несколько преобразователей могут использоваться и в датчике одной величины для измерения факторов, влияющих на основную величину, последующей корректировки результата измерения встроенным микропроцессором.
На рис. 1 представлена структурная схема, иллюстрирующая минимальный набор необходимых функциональных блоков любого интеллектуального датчика согласно рассмотренным критериям. Аналоговые сигналы, поступающие с первичных преобразователей, усиливаются и преобразуются в цифровую форму. Н а основании этих сигналов и сохраненных в постоянном запоминающем устройстве данных калибровки микропроцессор корректирует полученные от первичного преобразователя значения измеряемой (или связанной с ней) величины и переводит их в требуемые единицы измерения. Таким образом, компенсируется погрешность, вызванная влиянием температуры, дрейфом нуля и т. п. Кроме того, микропроцессор контролирует состояние элементов первичного преобразователя и оценивает достоверность результата измерения. Обработанная цифровая
Первичные преобразователи 1 . N
Цифровой интерфейс (RS-485, HART и т.п.)
Г Преобразователи N
устройство (микропроцессор, микроконтроллер, ПЛИС и т.п.)
Алгоритмы обработки данных
Память (данные для корректировки нелинейности, влияния дестабилизирующих факторов, старения и т.п.)
Рис. 1. Структурная схема интеллектуального датчика
Рис. 2. Включение интеллектуального датчика в сеть согласно [2]
информация передается посредством цифрового интерфейса и реализованных коммуникационных протоколов пользователю, который, в свою очередь, имеет возможность настраивать параметры датчика (пределы измерения и т. п.) и запрашивать дополнительную информацию о состоянии датчика и результатах измерений.
Развитие технологий микроэлектроники и использование нано- и микроэлектромеханических систем (НиМЭМС) в качестве первичных преобразователей многих типов датчиков позволили уменьшить их размеры и объединить схемы аналоговой обработки сигналов, АЦП и даже логические интегральные схемы на одном кристалле.
Широкое распространение получают так называемые «системы на кристалле», представляющие собой интегральную схему, содержащую помимо микроконтроллера также встроенную память и множество периферийных устройств, среди которых могут быть прецизионные АЦП и цифроана-логовые преобразователи, таймеры, контроллеры последовательного порта, USB и Ethernet. Примерами могут служить микросхемы AT91RM9200 производства Atmel, ADuC8xx фирмы Analog Devices, MSC12xx компании Texas Instruments.
Стоимость интеллектуальных датчиков продолжает уменьшаться, что связано с массовым серийным производством НиМЭМС и «систем на кристалле», совершенствованием смежных технологий, таких как производство элементов памяти, радиопередатчиков, элементов питания, и все возрастающим потребительским спросом. В настоящее время относительно недорогие портативные устройства, такие как телефон или планшет, содержат сразу несколько интеллектуальных датчиков, среди которых акселерометр, гироскоп, датчик освещенности, компас. Производимые сегодня автомобили включают в себя десятки датчиков, что в свою очередь требует объединения их в сеть.
Однако следует отметить, что не во всех случаях целесообразно интегрировать электронику с чувствительными элементами датчиков на одном кристалле. Многие датчики физических величин (например, датчик давления для ракетной и авиационной техники) работают в жестких условиях окружающей среды при воздействии множества дестаби-
Уровень приложении Сетевые порталы
Уровень сетей датчиков
Инфраструктуры сетей датчиков
Уровень датчика управления сетями датчиков
3. Абстрактные уровни интеллектуальных измерительных систем
лизирующих факторов, таких как температура, вибрация, ускорения и др. В связи с этим снижается устойчивость функционирования электрических схем и требуется дополнительная изоляция функциональных узлов интеллектуального датчика. Более сложная конструкция и наличие нескольких функциональных элементов может привести к увеличению себестоимости датчика при уменьшении его надежности.
Для управления сложными технологическими процессами с динамично изменяющимся состоянием широкое распространение получают распределенные сети датчиков, открывающие новые возможности мониторинга и контроля параметров в режиме реального времени.
Значительным препятствием в развитии проводных и беспроводных сетей интеллектуальных датчиков является отсутствие единого сетевого стандарта. В настоящее время широко используются десятки типов различных интерфейсов (RS-485, HART, USB, 4—20 мА, IEEE-488) и промышленных сетей (ProfiBus, Fieldbus, DeviceNet, Interbus, CANbus, Modbus, LIN). В сложившейся ситуации перед производителями датчиков возникает непростой выбор типа цифрового интерфейса и коммуникационного протокола, поскольку производство однотипных интеллектуальных датчиков для каждой из популярных в настоящее время сетей экономически невыгодно. С появлением группы стандартов [2] ситуация стала меняться в лучшую сторону благодаря унификации интерфейса между интеллектуальным датчиком и сетью. Эти стандарты, призванные ускорить процесс перехода с использования отдельных датчиков на применение сетей датчиков, делится на несколько подгрупп, определяющих аппаратные и программные методы включения интеллектуального датчика в сеть.
В [2] описаны два класса устройств: STIM и NCAP (рис. 2). Стандарт IEEE 1451.1 определяет единый интерфейс для подключаемых к сети интеллектуальных датчиков и содержит спецификации модуля NCAP, представляющего собой мост между внешней сетью и модулем STIM интеллектуального датчика.
В стандарте IEEE 1451.2 определен цифровой интерфейс для подключения модуля интеллектуального преобразователя (STIM) к сетевому адаптеру. Кроме того, там же вводится концепция TEDS — электронный паспорт датчика или электронная спецификация датчика, обеспечивающая самоидентификацию устройства в сети. Паспорт TEDS получил широкое распространение и содержит такие данные, как код модели, серийный номер, дата выпуска, калибровочные данные, единицы измерения, дата калибровки. Спецификация TEDS позволяет реализовать автоматическое конфигурирование датчика, аналогичное технологии Plug and Play, используемой для идентификации и самонастройки устройств персонального компьютера. При этом отпадает необходимость создания и поддержки базы данных с информацией о каждом датчике, что облегчает их эксплуатацию и замену.
Все большее число производителей измерительных преобразователей переходят на производство датчиков, поддерживающих стандарты [2], среди которых PCB Piezotronics, Esensors Inc. и др.
Одна из основных целей объединения датчиков в сеть — доступ к предоставляемой ими информации через программное обеспечение пользовательского уровня (приложения), не привязанного к конкретным типам датчиков и способам
организации сети [3].Следовательно, сеть датчиков можно рассматривать как промежуточный уровень между самими датчиками и решаемыми при их помощи прикладными задачами. Можно выделить три абстрактных уровня интел
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.