摘要：IEEE1451网络化智能传感器代表了未来传感器的发展方向，协议的提出很好的解决了传感器之间互换性与互操作性差的难题。本文简要概述了IEEE1451协议，对其中定义的电子数据表格 （TEDS） 进行了详细分析。通过基于片上系统ADuC812的智能传感器模块来说明电子数据表格的实际应用和作用，同时介绍了用VC设计的上层下载软件来实现表格的数据填写和下载。
关键词：IEEE1451；TEDS；智能传感器；ADuC812
中图法分类号：TP212 文献标识码：A文章编号：1009-3044(2008)20-30334-03
The Research on Transducer Electronic Data Sheet of IEEE1451
LI Wei1,2, LI Ye1, ZHANG Ying1, QIU Fei1
(1.Dept. of Instrument Science & Electrical Engineering, Jilin University, Changchun 130026, China; 2. Dept. of Electronic information in Zhuhai institute of Jilin University, Zhuhai 519000, China)
Abstract: The IEEE1451 protocol is briefly described in this paper first, and The Transducer Electronic Data Sheet(TEDS) is studyed in detail .To show the application & function of TEDS in the smart transducer module, the system on chip ADuC812 is used here.Also, the article has given a software designed with VC which to win the fuction of TEDS and download of data.
Key words: IEEE1451; TEDS; Smart transducer; ADuC81
国际电子电气工程师协会（IEEE）面对目前传感器市场上总线接口互不兼容，互操作性差难以统一的难题，专门建立专家组制定IEEE1451协议族，以此来解决传感器接口的标准化问题。IEEE1451协议族共分五个协议标准，到目前为止，IEEE1451.1、IEEE1451.2、IEEE1451.3、IEEE1451.4已被IEEE组织通过。这个标准提供了将变送器（传感器和执行器）连接到一个数字系统,尤其是到网络的方式，简化了现场变送器到微处理器以及网络的连接,提供一个适合各种网络的工业标准接口,有效的实现现场各种不同的智能变送器的网络互连、即插即用，最终实现各个传感器或执行器厂家的产品相互兼容，降低了构建网络化测控系统的总成本[1-3]。
IEEE1451协议族定义了一个较为完整的通用模型，在这个模型中采用的是分层体系结构。图1描述了涉及IEEE1451.2智能传感器接口模块标准的功能框架。第一层模块结构为网络适配器NCAP（Network Capable Application Processor），用来运行网络协议和应用软件；第二层模块为智能变送器模块STIM（Smart Transducer Interface Module），其中包括变送器和电子数据表格TEDS（Transducer Electronic Data Sheet）。这种划分使得在基于各种现场总线的分布式测量控制系统中，各种变送器的设计、制造无须考虑系统的网络结构，从而智能化范围的得以延伸，更加接近实际测量和控制点。其中TEDS的设计，是整个协议族的精华所在,使传感器模块同时具有即插即用(plug-and-play)的兼容性。本文以IEEE1451.2协议为例，介绍了TEDS的含义及现实意义，同时给出了具体的实例加以说明。
1 IEEE1451.2协议中的电子数据表格
网络适配器通过变送器电子数据表格的定义以及IEEE1451的协议规范实现智能传感器的自我识别、配置、即插即用。种类繁多的传感器要进行系统概括和归类有很大难度，因此TEDS的制订充分考虑到传感器的属性和扩展性。在IEEE1451. 2标准中，TEDS可分为8个可寻址单元部分，如图2所示。其中前两个TEDS是必选且为只读，其他是可选的。
（1）Meta-TEDS 整体描述符:
Meta-TEDS是对STIM的总体描述，包括数据结构和通道组信息。表格中的数据为常数。 其中值得一提的子域是Globally Unique Identifier (10个字节)：全局唯一描述符
UUID全局唯一标志的数据类型结构如表1所示。
表1UUID全局唯一标志的数据类型结构表
UUID每一段域都给出了明确的界定范围，如时间年域的范围是公元0—4095年，起始时间视为1月1号00:00:00,UTC.用十进制表示。作为一个智能变送器的厂商来说，对于不同时间和地理位置等参数的结合，使得UUID都各不相同，因此保证了STIM不会有重复的版本出现。
（2）Channel-TEDS 通道描述符：
每个STIM必包含一个通道TEDS用来描述通道特性,如:函数模型、校准模型、物理单位、启动时间、自检结果、不确定性、对象使用上下极限、使用时限等参数。
1)通道类型关键字 Channel Type Key:
IEEE1451.2协议中规定了7种变送器类型：Sensor, Actuator, Buffered sensor, Data buffered sensor, Buffered data sequence sensor, Event sequence sensor和General transducer。前6种是对目前变送器进行系统概括的归类，而General transducer是为以后变送器的扩展所保留的。这种分类已经充分考虑到了传感器的基本属性和扩展，是协议的难点和创新之处。通道类型关键字分别用数字0到6来表示这7种变送器通道类型。
2)物理单位 physical units:
采用10 字节长度的二进制流来表示物理单位。IEEE 定义传感器的单位基于国际单位标准，即7个标准单位，通过这7个SI标准单位可以得到各种单位。以加速度单位m*sec＾-2为例，根据定义的数据结构体，其逻辑表示为：
0， 0， 0，1，0，-2，0，0，0，0，
则TEDS的域值为：
0，128，128，130，128，124，128，128，128，128
3)数据模型：
Channel Data Model: 通道数据模型，描述了在访问（读写）变送器时，所采用的通道数据模型。
Channel Model Significant Bits：数据模型最高位，这个域的数据代表了数据模型中最高位所在的位置，数值的范围从0到2048。
4)时间参数：
Channel Update Time：通道建立时间,这个时间是到触发信号到应答信号之间的时间最大值，其目的就是要防止等待时间过长。不同类型的通道，就要区别注意，如对事件序列传感器来说,这个参数为 NaN非数。
Channel Write Setup Time:通道写建立时间，为确保系统正常工作，写数据完毕到触发开始之间的最短时间。
Channel Read Setup Time：通道读建立时间，为确保系统正常工作，触发应答信号到读数据之间的最短时间。
（3）Calibration-TEDS 校正描述符：
在IEEE1451协议族中最多可选表格就是校正TEDS。它包括最后校谁日期、校准周期和所有的校准参数,支持多结点的模型，并可随时供传感器对每个通道原始数据进行校正运算。协议提供了校正关键字的定义，并提供了响应的校正方法。当Channel TEDS的Calibration Key（校验字）有效时，Calibration TEDS能够被读和写。由于NCAP是从STIM存有校正模型的Calibration-TEDS中获取所需要的数据来建立校正引擎CE（Correction Engine）的，因此这一部分的填写尤为重要。
1)时间参数：
Last Calibration Data Time：最近校正通道的时间，记录最后一次校正通道的时间。
Calibration Interval：校正间隔，这个域规范了校正时间的间隔长度。
2)校正模型：
Number of Correction Input Channels：校正模型的输入通道数，这个数值就是校正多项式中的n。
Correction Input Channel List：列举通道号，一维数组的形式表示，作为校正模型的输入通道。如果校正引擎需要校正数据，那么该通道号存入通道列表中。
Correction Input Channel-Key List：校正输入通道关键字列表，一维数组的形式表示，用来描述通道的数据是从STIM端过来（值为0）还是从NCAP端过来（值为1）的，也就是说明输入通道本身是否已经经过了校正。
Channel Degree List D(K)：校正通道阶数列表，一维数组的形式表示，和校正通道Xk一一对应。
Number of segments list Nk：分段数列表，一维数组的形式表示，和输入通道Xk一一对应。
Segment Boundary Values Table：边界值列表，二维数组的形式表示，每一行中的元素对应每一个校正输入通道，每行中的元素数目和段数加1相等，因此，行的数目在大小上可能不太一样。
Multinomial Coefficient：多项式系数，二维数组的形式表示，按照行的顺序存储。每行的数据为多项式系数，这个多项式系数与分段单元一一对应。
举例说明：当一个校正引擎有两个输入通道，一个输入通道分成两段，另一个输入通道分成3段，那么整个二维曲面分成6段。这些分段的单元需要编号，假设一个通道可以分成（A1,A2）,另一通道分成（B1,B2,B3）。
那么，所有的这些分段单元可以表示成：
(A1,B1)，(A1,B2)，(A1,B3)，(A2,B1)，(A2,B2)，(A2,B3)
多项式系数的存储规律如下：
C0,0…0,0C0,0…0,1C0,0…0,2 …… C0,0…0,D(n)
C0,0…1,0C0,0…1,1C0,0…1,2 …… C0,0…1,D(n)
……
CD(1),D(2)…D(n-1),0CD(1),D(2)…D(n-1),1CD(1),D(2)…D(n-1),2……CD(1),D(2)…D(n-1),D(n)
其他的五个TEDS均为可选的数据表格，如End Users’ Application specific TEDS，是用来给终端用户定义其需要的特殊信息,如STIM所处的位置,维护人员的姓名、电话等。这段表格的填写是为以后当STIM商品化后更方便用户对产品的了解和维修；而Industry Extension TEDS的设计，正是表格扩展性的体现。
2 其他协议中的电子数据表格
IEEE1451.3由于是一种分布式多点总线的方式，因此它定义了几种TEDS来满足他小总线（mini-bus）的形式[4]。一些TEDS是机器可读且被用作允许总线控制器决定设备的特点；而其它TEDS是基于文本的用来说明设备如何操作的。三种机器可读的TEDS对系统操作是必需的，其它的TEDS都是可选的。对某些存贮器容量特别小或特殊环境不允许TEDS存贮于TBIM(Transducer Bus Interface Module)中的，可把TEDS置于远程服务器上，有程序可以使TEDS存储到远程服务器上。这种远程的TEDS在IEEE1451.3中称作虚拟TEDS。三种必需的TEDS是通信TEDS、模型总体TEDS和变送器特定的TEDS。
IEEE1451.4的TEDS是IEEE 1451.2标准定义的TEDS的一个子集。由于IEEE1451.4变送器是一个带有可设定地址的装置的传感器或执行器，该装置和节点类似，制约着TEDS，可以用数字通讯来读取TEDS的信息，并配置IEEE1451.4变送器。
3 用VC实现的TEDS下载软件
用Vistual C++6.0实现了TEDS编辑和下载软件，该软件可以生成标准的TEDS数据表格，通过串口可以下载到STIM模块中，并且可以从STIM模块中读取TEDS数据表格。
串口通讯部分采用API方式，多线程重叠I/O方式实现。使用重叠I/O方式时，线程要创建OVERLAPPED结构供读写函数使用，该结构最重要的成员是hEvent事件句柄。它将作为线程的同步对象使用，读写函数完成时hEvent处于有信号状态，表示可进行读写操作；读写函数未完成时，hEvent被置为无信号。
另外，通过该软件填写得到的数据信息可以存储到后台的数据库中，便于管理和使用TEDS信息。
4 TEDS具体设计实例
笔者所在实验室对该协议标准展开了深入研究，成功研制了系列符合IEEE1451.2标准的网络化智能传感器，包括CH4、CO2、CO以及温湿度传感器节点，可以应用于环境监测、智能建筑等分布式测控领域。为了增强系统的集成度，设计采用了集成式的片上数据采集系统AdμC812。
AdμC812内部集成的640字节Flash存储器是TEDS的理想之所。它被分为160页，范围为00H~9FH，每页4字节。和其它外围设备一样，通过存储器映射寄存器来访问Flash,4个数据寄存器组（EDATA1~4）用于保存刚访问的4字节数据。EADRL用于保存被访问页的8位地址，ECON是8位控制寄存器，它可写入5个闪速/电擦除存储器访问命令之一，实现各种读、写擦除和校验操作。为使TEDS内容更易升级与更新，系统采用异步串行口来下载电子数据表格至AdμC812的片内Flash。
在网络化智能传感器前端接入湿度传感器模块时，在温度为35℃的条件下，得到的电子数据表格中的Calibration-TEDS部分如表2所示。
5 结束语
IEEE1451智能传感器的一大特点是即插即用、自动识别，其实现原理在于规范定义了标准的电子数据表格(TEDS)。TEDS是IEEE1451协议族的设计闪光点，它不仅能给出内置的标识和校正模型，而且测控网络也可以用其来检测和配置变送器通道，使智能变送器模块具有了智能特性。本文对IEEE1451.2协议中部分TEDS的数据格式进行了说明，给出的具体的实例也为其他协议中的TEDS提供了参考。
参考文献：
[1] 吴忠杰,林君,李冶,等.IEEE1451标准智能传感器中网络应用处理器的实现[J].传感器与微系统,2006,25(6):85-88.
[2] The Research on the Network Optical Fiber Sensor of the Surface Temperature Measurement for a Large Rotor Based on IEEE1451.2[C]//Proceedings of the Eighth International Conference on Electrical Machines and Systems,2005.
[3] 陈峰,孙同景,时延妮.基于IEEE1451和TCP/IP协议智能传感器的研制[J].工业控制计算机,2006,19(5):39-40.
[4] 张森,叶晓慧,王红霞.基于IEEE1451.3的IPv6网络传感器设计[J].电子器件,2006,29(1):193-196.
注：“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。”