关于传感器接口标准的历史及进展

近来被获准通过的IEEE 1451.4标准，以其更简单、实用的应用使智能变送器接口标准得到了重生，同时它用于模数信息转换的变送器电子数据表格（TEDs）具有即插即用能力，这引发了开发全新解决方案的热潮。

事实上，业界的某些评论已经过分夸大了IEEE 1451智能变送器接口标准的消亡。该标准被束之高阁，直到开发者开始使用最近批准通过的IEEE 1451.4部分。这一部分标准中增加了存储元件以使传感器更加智能化，还通过变送器电子数据表格（Transducer Electronic Data Sheets， TEDS）增加了自识别功能。这种简便的方法使变送器电子数据表格可用于大量现存的模拟传感器接口，且添加了即插即用功能，并确保了精确和经济的解决方案和应用。简言之，P1451不再是“一个寻找问题的解决方案”（P代表整个标准目前处于提交状态）。

这一标准满足了中小型传感器和变送器制造商长久以来的期望——寻求一个通用的传感器接口，但却长期承担着不同网络、现场总线、协议和需求造成的历史负担。1451标准最初的概念是为了让变送器外壳有空间安装驱动器，允许变送器可插入P1451类的驱动器，减少了专门驱动的需要，据说能节省90%~95%以前用于软件开发的时间。

一些历史背景

1451是1994年由电气与电子工程师学会（IEEE）仪器与测量分会和美国国家标准与技术协会（NIST）发起，目的是希望用标准通信接口解决传统传感器集成的问题。目前，P1451已经发展成拥有7个工作组，其中4个是正式批准的。

最近，P1451.3工作组定义了用于集群传感器应用和确保高速、同步数据传输的标准。同时，P1451.4工作组完成了模拟变送器的混合模式通信的应用，例如数字电子表格和模拟信号。

约两年以前，美国国家仪器公司（NI）报道说它意识到了1451.4潜在的价值，并开始与IEEE工作组更积极地合作。NI的激励和IEEE的批准通过成为1451.4复苏的动力。

图1：Watlow公司和美国国家仪器公司报道说，目前在绝大多数的温度下智能热电偶比热电阻（RTDs）要精确得多，而智能热电阻也可以达到参考精度。

1451.4 的开展

通过给模拟变送器增加即插即用功能，其可将其添加到数字仪器和测量系统的网络中。IEEE 1451.4目前正有一个良好的机会，依靠简化变送器的安装、网络的建设与系统的维护和更新来加快联网传感器的应用。1451. 4正通过建立一个通用系统达成上述目标，该系统的信息数字网络需要辨识、标志、接口和使用来自模拟传感器的信号。

1451.4工作组副主席，美国国家仪器公司经理David Potter解释说1451.4是一项实用的技术标准，它使变送器电子数据表格与模拟测量相兼容。“由于在变送器模拟接口增加了自识别功能，该标准具有令任何测量系统，模拟的或数字的，更易于安装、配置和维护的潜力。当传感器连接到数据采集设备或任何仪表板，就会得到大量的关于安装范围、滤波和其他一些参数。如果这些信息已经保存在一块存储芯片中，那么你就可以自动进行安装与校正。”

1451.4标准还利用嵌入在传感器中的电可擦除、可编程、只读存储器芯片（EEPROM）实现即插即用功能详细资料的存储与通信。制造商可以由Internet获取芯片的标志符。一个完整的变送器电子数据表格可能包含一个具体类型传感器的类型识别和属性内容，如加速计、麦克风、应变仪、热电偶和其他类别传感器。变送器电子数据表格中还可以包含传感器的全部校准数据。

对某个具体传感器的要求是，模板描述文件应当在网站上给出并发布。该标准考虑到在一些现存的传感器中不能嵌入如EEPROM的存储器，因此在Internet上提供了虚拟变送器电子数据表格。美国国家仪器公司和他的合作伙伴提供了庞大的虚拟变送器电子数据表格库，可以在网址免费下载。作为美国国家仪器公司合作伙伴计划的一部分，目前大约有25家公司提供符合1451.4标准的传感器。

图2：Chris

Seymour在2004年ISA展会上展示了Watlow公司的Infosense-P型即插即用热电偶、热电阻和电热调节器如何与符合1451.4标准的芯片和变送器电子数据表格配合使用，用于校准一个典型的“衣架（coat hanger）”，并使其比传统的温度传感器更精确。

Watlow公司的“衣架”

对测试和测量用户而言，1451.4标准可以大幅度提高热电偶的精度。例如，典型的J型热电偶是由两种不同等级和相对精度的金属组成，但是，Watlow公司最近发现在它生产的热电偶上增加1451.4的单线存储器，提高了校准性能和曲线线性化程度，测量误差从1.5℃到0.5 ℃降低了三倍，使之比美国国家标准化组织的热电偶更加精确又如，一个典型的K型热电偶通常使用在600℃时有±2.6℃的不确定度，但是通过加入符合1451.4标准的智能传感器和更好的原材料，根据Watlow公司战略市场经理Chris Seymour的说法，可将在 600℃时的不确定度降低到0.6℃。同时他补充说，一个A级的热电阻（RTD）工作在600℃时通常有±1.4℃的不确定度，而1451.4将其改造为智能热电阻后，其不确定度可以小到0.2℃。

Murphy在2004年ISA展会上展示了Watlow公司的Infosense-P型即插即用热电偶、热电阻和电热调节器如何与符合1451.4标准的芯片和变送器电子数据表格配合使用，用于校准一个典型的“衣架（coat hanger）”，并使其比传统的温度传感器更精确。

“我们主要是向OEM供货，这要求精度和可重复性，他们之前不得不购买精度在0.5%~1.0%误差范围的传感器，现在我们可以将所有的校准信息存放于一片存储器中”，Seymour说。“我们现在能实时地了解一个传感器的工作状态，因为它其中的数字符件可以告诉我们其模拟侧的运行状态。在这个情况下，我们的OEM客户能够生产出在较高温度下工作，并比热电阻技术更精确的热电偶，而后者要昂贵得多。”

Seymour补充说采用符合1451.4标准的芯片意味着：为了获得更好的精度、提高寿命、降低温漂，Watlow公司也可以在其热电偶使用新型混合材料，例如高温合金。现在，芯片中有所有的电压/电阻数据表，能告诉仪器它可能是什么类型的传感器。“以前用户不得不购买校准表，但很容易被丢弃。而现在，拥有了变送器电子数据表格后，就不可能将信息与芯片分离开了”，Seymour又说。“而且，最初的标准是传感器必须线性运行，变化也必须是线性的，因为所有的仪器都是模拟的。现在，我们有数字电子技术，我们可以跟踪记录任何我们想要的功能，包括收集有关未来传感器工作故障的数据”。

IEEE P1451 标准

P1451.0——通用功能、通信协议和变送器电子数据表（TEDS）格式。

功能：标准草案的目的是开发一套用于IEEE1451智能变送器标准的通用功能、命令和TEDS。

状态：标准草案制定中；有希望2005年投票。

1451.1——网络应用处理器（NCAP）信息模型。

状态：1999年6月被批准为标准；目前正在修订。

1451.2——变送器-微处理器通信协议和TEDS格式。

状态：1997年9月被批准为标准；目前正在修订，加入UART接口。

1451.3——分布式多点系统数字通信和TEDS格式。

状态：2003年11月作为标准被批准。

1451.4——混合模式通信协议和TEDS格式。

功能：定义采用反转极性的混合模式通信，在相同的两条线路上以数字方式传送TEDS数据，发送模拟变送器信号。

状态：2004年5月被批准为标准，有望2004年11月公布。

P1451.5——无线传感器通信与TEDS格式。

功能：减少电缆和安装成本；降低电缆/局域网压降；改进基于条件监测的数据采集；有助于预维护。

状态：标准草案制定中；有希望2005年投票。

P1451.6——用于本质安全和非本质安全应用的高速、基于CANopen协议的变送器网络接口。

状态：标准草案制定中。