淺談智能型TEDS傳感器

傳感器朝著智能化、電子化、小型化、多功能化方向的發(fā)展勢不可擋，新產(chǎn)品層出不窮；新一代電子傳感器在消費電子、通信電子、醫(yī)療電子等領域因成本低廉、性能優(yōu)異而得到廣泛且大量的應用。智能型TEDS傳感器又是一個新秀。
智能型TEDS傳感器是一種帶傳感器電子數(shù)據(jù)表窗口的新型電子傳感器，它是一種即插即用的電子傳感器。如圖1所示，智能型TEDS傳感器是由電子傳感器和傳感器電子數(shù)據(jù)表窗口（Transducer ElectronicData Sheet）二部分組成，它有數(shù)?；旌辖涌?，分別輸出模擬信號和TEDS數(shù)字信號。TEDS數(shù)字信號包含傳感器制造商信息、產(chǎn)品型號和產(chǎn)品編號、傳感器的測量范圍、傳感器在出廠時的校正信息，也可存儲用戶的信息，它內(nèi)部的存儲器可以存儲更多的信息。智能型TEDS傳感器具備嵌入式TEDS EEPROM。
智能TEDS傳感器采用即插即用的自動化傳感器測量的新標準：【IEEE 1451.4】。減少了設定傳感器所需要的時間；這個標準使傳感器成為隨插即用的設備，類似USB鼠標在計算機上的隨時可即插即用功能。IEEE 1451.4定義使模擬信號接口為傳感器加入自我描述行為。這種混合模式接口將傳統(tǒng)的模擬傳感器信號與低價位序列數(shù)字連結結合，以存取嵌入傳感器中的一份傳感器電子數(shù)據(jù)表信息。為了傳感器即插即用（Sensors Plug & Play）的優(yōu)點延伸到傳統(tǒng)的模擬傳感器，Virtual TEDS以電子檔案格式提供同樣的傳感器電子數(shù)據(jù)表窗口。透過TEDS，傳感器可以向它所連接的數(shù)據(jù)擷取系統(tǒng)表明及描述自己的身份。

IEEE 1451.4 標準
IEEE 1451.4【智能型傳感器混合模式接口】標準定義可以為傳統(tǒng)的模擬模式傳感器增加自我身份證明技術。IEEE 1451.4由傳感器廠商、儀器及軟件供貨商和使用者聯(lián)合開發(fā)，定義了兼具模擬和數(shù)字接口的混合模式傳感器的概念。模擬電子接口以傳統(tǒng)的方式提供反應物理現(xiàn)象的信號（例如溫度、壓力及重力）。數(shù)字接口，利用傳感器內(nèi)部的內(nèi)嵌內(nèi)存裝置可與后端設備通訊。
在過去，當設定及組態(tài)量測系統(tǒng)時，必須手動輸入重要的傳感器參數(shù)，例如測量范圍、傳感器靈敏度以及比例參數(shù)，軟件才能正確地轉換及解讀傳感器數(shù)據(jù)?，F(xiàn)在，具備智能型TEDS傳感器的系統(tǒng)可以自動完成這個組態(tài)步驟，同時也提高系統(tǒng)的整體整合性和穩(wěn)定度。
雖然其它的智能型傳感器系統(tǒng)亦提供隨插即用的功能，但是IEEE 1451.4的獨特性是因為它保留傳感器的模擬輸出。因此，智能型TEDS傳感器與內(nèi)含傳統(tǒng)模擬接口的舊系統(tǒng)兼容。而IEEE 1451.4規(guī)格的簡易性也擁有舊式傳感器實用的優(yōu)點。IEEE 1451.4標準的兩項組件為標準化數(shù)據(jù)窗口以及混合模式接口。
IEEE 1451.4對于TEDS結構的定義非常簡潔，但是有足夠的彈性和延伸性，可以處理多種傳感器類型和需求。TEDS信息區(qū)分為數(shù)個重要區(qū)段。TEDS的第一個部份是Basic TEDS，其中含必需的傳感器辨識信息，包括傳感器的制造廠商、型號，以及序號。BasicTEDS之后可能是一份IEEE標準TEDS，其中包括該傳感器的特定“數(shù)據(jù)窗體”信息，通常是正確設定電子接口及轉換量測數(shù)據(jù)為工程單元時所必須的數(shù)據(jù)。一般來說，TEDS參數(shù)包括量測范圍、電子輸出范圍、靈敏度、電力需求，以及校正數(shù)據(jù)。標準TEDS區(qū)段描述使用該傳感器進行量測所需的一切數(shù)據(jù)。
IEEE標準為不同類型的傳感器指定標準TEDS格式，將之定義為樣版。樣版提供方法，讓量測系統(tǒng)將儲存在智能型TEDS傳感器的EEPROM（或虛擬TEDS檔案）中的二進制數(shù)據(jù)轉換為有意義的傳感器規(guī)格。這一群IEEE標準樣版包括IEPE（持續(xù)電流供應動力）加速度計及麥克風、IEPE壓力傳感器、惠斯頓電橋傳感器、張力計、負載及力度變換器、熱電偶、RTD、電熱調(diào)節(jié)器、LVDT/RVDT、張力傳感器，以及具備電壓或電流輸出信號處理的任何類型傳感器。這項標準也允許廠商定義自己的子樣版，可以代替標準樣版或配合使用，以容許專屬的參數(shù)及條件。
最后，TEDS的最后一部分可以讓使用者將自訂數(shù)據(jù)及信息儲存在傳感器中。這是一項非常有用的功能，可以將傳感器編碼ID、額外的維護信息，或是其它的自定信息儲存在傳感器中。

IEEE 1451.4混合模式接口
依照IEEE 1451.4定義的智能型TEDS傳感器包括一個混合模式接口，同時包括一個模擬信號（供量測信號使用）及序列數(shù)字信道（供存取數(shù)字TEDS信息之用）。在這項標準中，定義了兩種類型的混合模式接口：Class 1及Class 2接口。
Class 1接口主要用于持續(xù)電流供電的壓電傳感器（如加速度計、麥克風等)，并且定義了一個流程，可以順序地在一對傳感器線路的模擬模式和數(shù)字TEDS模式之間切換。持續(xù)電流供電傳感器（如電子壓電傳感器）整合了內(nèi)部信號調(diào)節(jié)，由信號線路上的量測系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電流作為動力。Class 1 傳感器透過一個由電流來源方向控制的開關來加入TEDS的功能，以利用這種實質上的標準的優(yōu)勢。只要改變電流的方向，儀器系統(tǒng)即可進入傳感器數(shù)字TEDS模式。
大部份的傳感器類型使用Class 2接口的型態(tài)，它需要額外的線路供數(shù)字TEDS通訊使用。傳感器的模擬輸入／輸出沒有經(jīng)過修改，雙線路TEDS接口則平行加入模擬接口中。透過這種方法，你可以將TEDS運用在任何類型的放大或未放大傳感器上，包括熱電偶、RTD、電熱調(diào)節(jié)器、橋接傳感器、電解化學電瓶，以及4-20 mA電流回路傳感器。事實上，利用Class 2的“加入”法，很容易使用各種現(xiàn)有的傳感器設計。

混合模式接口的數(shù)字部份（Class1 或Class 2 ） 是以Maxim/Dallas Semiconductor的單線路協(xié)定為基礎。這是一種非常簡單、低價位、主從式序列通訊協(xié)議，需要一個主設備（例如量測系統(tǒng)）供應電力，并根據(jù)預先定義的時間順序來啟動與每個節(jié)點的互動，使用一條線路及返回。商業(yè)市場上的單線路EEPROM提供低價位、雙線路產(chǎn)品，可以為傳感器加上TEDS功能。
虛擬TEDS
National Instruments和全球的傳感器廠商已經(jīng)正視TEDS概念的絕對優(yōu)勢，它為傳感器提供一個標準化的描述語言。TEDS數(shù)據(jù)結構可以描述任何模擬傳感器，無論TEDS是否實際位于傳感器內(nèi)嵌的EEPROM上。
虛擬TEDS（Virtual TEDS）檔案儲存在近端計算機或可由網(wǎng)站存取的數(shù)據(jù)庫，而不存放在EEPROM中。這樣做可以讓現(xiàn)有大量舊式模擬傳感器運用T EDS的好處，而不需使用內(nèi)嵌EEPROM來加以翻修。虛擬TEDS也適用于受傳感器操作環(huán)境限制而不能在傳感器中使用任何電子儀器（例如EEPROM）的應用情況。

Sensors Plug& Play 硬件
虛擬及智能型TEDS傳感器正迅速地被應用在多種測試及量測應用中，目前有許多廠商提供智能型T EDS傳感器。National Instruments提供軟件及硬件，可以讀取及寫入虛擬及智能型TEDS信息。
National Instruments新推出的三款Sensors Plug & Play硬件產(chǎn)品包括額外的序列通訊回路，供智能型TEDS傳感器使用。NI SCXI-1314T是NI SCXI-1520橋接傳感器輸入模塊使用的前方裝置終端區(qū)塊。這個八通道終端區(qū)塊在智能型TEDS傳感器和SCXI-1520通用輸入模塊之間提供一個具備TEDS功能的接口。
對于需要可攜式DAQ系統(tǒng)和與Class2智能型TEDS傳感器之間接口的使用者而言，National Instruments推出一款新的SCC Module Carrier。NI SC-2350與所有SCC模塊兼容，將TEDS的所有優(yōu)點整合至一個小型可攜系統(tǒng)中，供信道數(shù)量要求低、并且需要小體積的使用者選用。
NI BNC-2096是十九吋可堆棧式終端區(qū)塊，供Class 1智能型TEDS傳感器使用，包括智能型TEDS加速度計和麥克風在內(nèi)。它是IEPE信號調(diào)節(jié)器（例如National Instruments PXI-4461、PXI-4472以及SCXI-1530/1）的前端接口。BNC-2096最多可以連接十六部智能型TEDS傳感器。

Sensors Plug& Play軟件
主要的傳感器制造廠商和NationalInstruments使用共通的TEDS軟件平臺，以確保連接及讀取IEEE 1451.4兼容設備時的作業(yè)兼容性。
National Instruments主要的測試及量測系統(tǒng)軟件（即NI-DAQmx量測設備以及NI LabVIEW圖形式開發(fā)軟件）都已經(jīng)升級，支持Sensors Plug & Play設備，以使用TEDS技術。NI-DAQmx 7.2完全支持IEEE 1451.4兼容的虛擬及智能型TEDS傳感器。TEDS讀取功能已經(jīng)內(nèi)建在Measurement & Automation Explorer(MAX)、DAQ Assistant，以及LabVIEW的TEDS函式庫中。由于這項功能，你只要按一下鼠標鍵，即可從一部或多部虛擬或智能型TEDS傳感器上取得傳感器及TEDS相關信息。

NI-DAQmx量測服務軟件
TEDS標準定義了模塊和傳感器之間的通訊，NI-DAQmx則提供讀取傳感器數(shù)據(jù)的接口，并且自動將數(shù)據(jù)置入工程單元中，因此不需要用書面數(shù)據(jù)窗口手動輸入傳感器參數(shù)。當傳感器連接至Sensors Plug & Play硬件時，使用者可以透過Measurement & Automation Explorer的一個按鈕，或使用程序開發(fā)環(huán)境中的一個函數(shù)，從智能型TEDS傳感器中加載數(shù)據(jù)。
MAX提供一個方法，能夠用互動的方式掃瞄并將智能型TEDS傳感器加載計算機內(nèi)存，LabVIEW中的NI-DAQmx函數(shù)則提供了以程序讀取、寫入及重新程序化TEDS數(shù)據(jù)的功能。LabVIEW中提供的函數(shù)亦可令TEDS數(shù)據(jù)流以比特流的方式被取得。能夠從LabVIEW中重新程序化TEDS，在更新校正數(shù)據(jù)或以數(shù)字方式儲存使用者定義的數(shù)據(jù)（包括傳感器的實體位置）時很有用。

LabVIEW的TEDS函式庫
NI-DAQmx TEDS子面板提供了程序化設定量測及自動化系統(tǒng)所需的基本呼叫，但是獨立的TEDS子面板中提供了額外的工具，以便操作TEDS和建立Virtual TEDS。當智能型TEDS傳感器中的比特流被讀到LabVIEW中時，使用者就可以執(zhí)行多種TEDS獨有的操作，例如取得特定的屬性，分析比特流，以及建立新的TEDS。
使用NI-DAQmx以及TEDS Library for LabVIEW函式庫，你可以輕易地建立應用程序，讓它讀取特定傳感器的TEDS數(shù)據(jù)，根據(jù)適當?shù)膫鞲衅髅姘宸治霰忍亓?，并將TEDS信息以表格格式顯示。

結論
IEEE 1451.4定義一種相當容易而直覺的機制，可以為傳統(tǒng)的模擬傳感器增加智能型隨插即用的功能。Sensors Plug & Play硬件、軟件及傳感器在使用簡易性、準確性及穩(wěn)定性方面提供實質的改善，無論是只有幾部傳感器的系統(tǒng)，或是多達數(shù)千部傳感器的系統(tǒng)，皆可受其利。透過標準的認可，包括National Instrument s在內(nèi)的許多廠商都開始為虛擬及智能型TEDS傳感器制造Sensors Plug &Play的產(chǎn)品。

TEDS型傳感器：http://www.ndttech.net

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