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[经验] 浅谈智能型TEDS传感器

昨天 16:45  52 传感器
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朝着智能化、电子化、小型化、多功能化方向的发展势不可挡,新产品层出不穷;新一代电子传感器在消费电子、通信电子、医疗电子等领域因成本低廉、性能优异而得到广泛且大量的应用。智能型TEDS传感器又是一个新秀。
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智能型TEDS传感器是一种带传感器电子数据表窗口的新型电子传感器,它是一种即插即用的电子传感器。如图1所示,智能型TEDS传感器是由电子传感器和传感器电子数据表窗口(Transducer ElectronicData Sheet)二部分组成,它有数模混合接口,分别输出模拟信号和TEDS数字信号。TEDS数字信号包含传感器制造商信息、产品型号和产品编号、传感器的测量范围、传感器在出厂时的校正信息,也可存储用户的信息,它内部的存储器可以存储更多的信息。智能型TEDS传感器具备嵌入式TEDS EEPROM。
智能TEDS传感器采用即插即用的自动化传感器测量的新标准:【IEEE 1451.4】。减少了设定传感器所需要的时间;这个标准使传感器成为随插即用的设备,类似USB鼠标在计算机上的随时可即插即用功能。IEEE 1451.4定义使模拟信号接口为传感器加入自我描述行为。这种混合模式接口将传统的模拟传感器信号与低价位序列数字连结结合,以存取嵌入传感器中的一份传感器电子数据表信息。为了传感器即插即用(Sensors Plug & Play)的优点延伸到传统的模拟传感器,Virtual TEDS以电子档案格式提供同样的传感器电子数据表窗口。透过TEDS,传感器可以向它所连接的数据撷取系统表明及描述自己的身份。


IEEE 1451.4 标准
IEEE 1451.4【智能型传感器混合模式接口】标准定义可以为传统的模拟模式传感器增加自我身份证明技术。IEEE 1451.4由传感器厂商、仪器及软件供货商和使用者联合开发,定义了兼具模拟和数字接口的混合模式传感器的概念。模拟电子接口以传统的方式提供反应物理现象的信号(例如温度、压力及重力)。数字接口,利用传感器内部的内嵌内存装置可与后端设备通讯。
在过去,当设定及组态量测系统时,必须手动输入重要的传感器参数,例如测量范围、传感器灵敏度以及比例参数,软件才能正确地转换及解读传感器数据。现在,具备智能型TEDS传感器的系统可以自动完成这个组态步骤,同时也提高系统的整体整合性和稳定度。
虽然其它的智能型传感器系统亦提供随插即用的功能,但是IEEE 1451.4的独特性是因为它保留传感器的模拟输出。因此,智能型TEDS传感器与内含传统模拟接口的旧系统兼容。而IEEE 1451.4规格的简易性也拥有旧式传感器实用的优点。IEEE 1451.4标准的两项组件为标准化数据窗口以及混合模式接口。
IEEE 1451.4对于TEDS结构的定义非常简洁,但是有足够的弹性和延伸性,可以处理多种传感器类型和需求。TEDS信息区分为数个重要区段。TEDS的第一个部份是Basic TEDS,其中含必需的传感器辨识信息,包括传感器的制造厂商、型号,以及序号。BasicTEDS之后可能是一份IEEE标准TEDS,其中包括该传感器的特定“数据窗体”信息,通常是正确设定电子接口及转换量测数据为工程单元时所必须的数据。一般来说,TEDS参数包括量测范围、电子输出范围、灵敏度、电力需求,以及校正数据。标准TEDS区段描述使用该传感器进行量测所需的一切数据。
IEEE标准为不同类型的传感器指定标准TEDS格式,将之定义为样版。样版提供方法,让量测系统将储存在智能型TEDS传感器的EEPROM(或虚拟TEDS档案)中的二进制数据转换为有意义的传感器规格。这一群IEEE标准样版包括IEPE(持续电流供应动力)加速度计及麦克风、IEPE压力传感器、惠斯顿电桥传感器、张力计、负载及力度变换器、热电偶、RTD、电热调节器、LVDT/RVDT、张力传感器,以及具备电压或电流输出信号处理的任何类型传感器。这项标准也允许厂商定义自己的子样版,可以代替标准样版或配合使用,以容许专属的参数及条件。
最后,TEDS的最后一部分可以让使用者将自订数据及信息储存在传感器中。这是一项非常有用的功能,可以将传感器编码ID、额外的维护信息,或是其它的自定信息储存在传感器中。

IEEE 1451.4混合模式接口
依照IEEE 1451.4定义的智能型TEDS传感器包括一个混合模式接口,同时包括一个模拟信号(供量测信号使用)及序列数字信道(供存取数字TEDS信息之用)。在这项标准中,定义了两种类型的混合模式接口:Class 1及Class 2接口。
Class 1接口主要用于持续电流供电的压电传感器(如加速度计、麦克风等),并且定义了一个流程,可以顺序地在一对传感器线路的模拟模式和数字TEDS模式之间切换。持续电流供电传感器(如电子压电传感器)整合了内部信号调节,由信号线路上的量测系统提供稳定的电流作为动力。Class 1 传感器透过一个由电流来源方向控制的开关来加入TEDS的功能,以利用这种实质上的标准的优势。只要改变电流的方向,仪器系统即可进入传感器数字TEDS模式。
大部份的传感器类型使用Class 2接口的型态,它需要额外的线路供数字TEDS通讯使用。传感器的模拟输入/输出没有经过修改,双线路TEDS接口则平行加入模拟接口中。透过这种方法,你可以将TEDS运用在任何类型的放大或未放大传感器上,包括热电偶、RTD、电热调节器、桥接传感器、电解化学电瓶,以及4-20 mA电流回路传感器。事实上,利用Class 2的“加入”法,很容易使用各种现有的传感器设计。

混合模式接口的数字部份(Class1 或Class 2 ) 是以Maxim/Dallas Semiconductor的单线路协定为基础。这是一种非常简单、低价位、主从式序列通讯协议,需要一个主设备(例如量测系统)供应电力,并根据预先定义的时间顺序来启动与每个节点的互动,使用一条线路及返回。商业市场上的单线路EEPROM提供低价位、双线路产品,可以为传感器加上TEDS功能。
虚拟TEDS
National Instruments和全球的传感器厂商已经正视TEDS概念的绝对优势,它为传感器提供一个标准化的描述语言。TEDS数据结构可以描述任何模拟传感器,无论TEDS是否实际位于传感器内嵌的EEPROM上。
虚拟TEDS(Virtual TEDS)档案储存在近端计算机或可由网站存取的数据库,而不存放在EEPROM中。这样做可以让现有大量旧式模拟传感器运用T EDS的好处,而不需使用内嵌EEPROM来加以翻修。虚拟TEDS也适用于受传感器操作环境限制而不能在传感器中使用任何电子仪器(例如EEPROM)的应用情况。

Sensors Plug& Play 硬件
虚拟及智能型TEDS传感器正迅速地被应用在多种测试及量测应用中,目前有许多厂商提供智能型T EDS传感器。National Instruments提供软件及硬件,可以读取及写入虚拟及智能型TEDS信息。
National Instruments新推出的三款Sensors Plug & Play硬件产品包括额外的序列通讯回路,供智能型TEDS传感器使用。NI SCXI-1314T是NI SCXI-1520桥接传感器输入模块使用的前方装置终端区块。这个八通道终端区块在智能型TEDS传感器和SCXI-1520通用输入模块之间提供一个具备TEDS功能的接口。
对于需要可携式DAQ系统和与Class2智能型TEDS传感器之间接口的使用者而言,National Instruments推出一款新的SCC Module Carrier。NI SC-2350与所有SCC模块兼容,将TEDS的所有优点整合至一个小型可携系统中,供信道数量要求低、并且需要小体积的使用者选用。
NI BNC-2096是十九吋可堆栈式终端区块,供Class 1智能型TEDS传感器使用,包括智能型TEDS加速度计和麦克风在内。它是IEPE信号调节器(例如National Instruments PXI-4461、PXI-4472以及SCXI-1530/1)的前端接口。BNC-2096最多可以连接十六部智能型TEDS传感器。

Sensors Plug& Play软件
主要的传感器制造厂商和NationalInstruments使用共通的TEDS软件平台,以确保连接及读取IEEE 1451.4兼容设备时的作业兼容性。
National Instruments主要的测试及量测系统软件(即NI-DAQmx量测设备以及NI LabVIEW图形式开发软件)都已经升级,支持Sensors Plug & Play设备,以使用TEDS技术。NI-DAQmx 7.2完全支持IEEE 1451.4兼容的虚拟及智能型TEDS传感器。TEDS读取功能已经内建在Measurement & Automation Explorer(MAX)、DAQ Assistant,以及LabVIEW的TEDS函式库中。由于这项功能,你只要按一下鼠标键,即可从一部或多部虚拟或智能型TEDS传感器上取得传感器及TEDS相关信息。

NI-DAQmx量测服务软件
TEDS标准定义了模块和传感器之间的通讯,NI-DAQmx则提供读取传感器数据的接口,并且自动将数据置入工程单元中,因此不需要用书面数据窗口手动输入传感器参数。当传感器连接至Sensors Plug & Play硬件时,使用者可以透过Measurement & Automation Explorer的一个按钮,或使用程序开发环境中的一个函数,从智能型TEDS传感器中加载数据。
MAX提供一个方法,能够用互动的方式扫瞄并将智能型TEDS传感器加载计算机内存,LabVIEW中的NI-DAQmx函数则提供了以程序读取、写入及重新程序化TEDS数据的功能。LabVIEW中提供的函数亦可令TEDS数据流以比特流的方式被取得。能够从LabVIEW中重新程序化TEDS,在更新校正数据或以数字方式储存使用者定义的数据(包括传感器的实体位置)时很有用。

LabVIEW的TEDS函式库
NI-DAQmx TEDS子面板提供了程序化设定量测及自动化系统所需的基本呼叫,但是独立的TEDS子面板中提供了额外的工具,以便操作TEDS和建立Virtual TEDS。当智能型TEDS传感器中的比特流被读到LabVIEW中时,使用者就可以执行多种TEDS独有的操作,例如取得特定的属性,分析比特流,以及建立新的TEDS。
使用NI-DAQmx以及TEDS Library for LabVIEW函式库,你可以轻易地建立应用程序,让它读取特定传感器的TEDS数据,根据适当的传感器面板分析比特流,并将TEDS信息以表格格式显示。

结论
IEEE 1451.4定义一种相当容易而直觉的机制,可以为传统的模拟传感器增加智能型随插即用的功能。Sensors Plug & Play硬件、软件及传感器在使用简易性、准确性及稳定性方面提供实质的改善,无论是只有几部传感器的系统,或是多达数千部传感器的系统,皆可受其利。透过标准的认可,包括National Instrument s在内的许多厂商都开始为虚拟及智能型TEDS传感器制造Sensors Plug &Play的产品。



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