Aktuální vydání

celé číslo

08

2024

Automatizace v potravinářství a farmacii

Měření a regulace průtoku, čerpadla

celé číslo

Standard IEEE 1451 – budoucnost inteligentních snímačů?

číslo 7/2004

Standard IEEE 1451 – budoucnost inteligentních snímačů?

Standard IEEE 1451 je vytvářen s cílem umožnit snadné začlenění provozních přístrojů – snímačů a akčních členů – do libovolného typu nadřazené sítě způsobem plug and play. Článek stručně uvádí historii vzniku standardu, jeho základní charakteristiky a současný pohled na něj i výhled do budoucna.

Historie standardu

První diskuse o potřebě definovat standardní rozhraní mezi snímači a akčními členy (v dalším jen snímači) a nadřazenou komunikační sítí libovolného typu proběhla v září 1993 ve Filadelfii, USA. Bylo to při příležitosti konání konference a veletrhu Sensors Expo na jednání komise TC9 (nyní Technical Committee on Sensor Technology), patřící pod Instrumentation and Measurement Society společnosti IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc.). Koncem března 1994 americký Národní institut pro normalizaci a techniku (National Institute of Standards and Technology – NIST) a IEEE společně sponzorovaly první zasedání komise, na kterém se projednávalo rozhraní pro komunikaci snímačů a možnost vytvořit jeho standard. Bylo dohodnuto zavedení společného komunikačního rozhraní pro inteligentní převodníky [1]. Během několika následujících zasedání byly vytvořeny čtyři technické pracovní skupiny, které zahájily práce na různých částech nezávislého objektového modelu pro integraci snímačů, ale také průmyslových sítí do prostředí intranetů, v té době již striktně standardizovaného a sjednoceného. Jednotlivé skupiny se věnovaly těmto tématům (částem standardu) s úkoly:

  • IEEE P1451.1: popsat možnosti snadného připojení snímače k různým typům komunikačních sítí prostřednictvím definice obecného objektového modelu pro snímač a pro tzv. smart síťový snímač spolu se specifikacemi pro tento model a současně stanovit základní metody, typy proměnných a způsob přístupu k nim,

  • IEEE P1451.2: určit hardwarové rozhraní mezi snímačem a hardwarovým modulem (zpravidla obsahujícím mikroprocesor) zprostředkovávajícím komunikaci s nadřazenou sítí; cílem návrhu bylo vybavit snímač se zavedenou úrovní P1451.2 schopností poskytovat standardním způsobem informace o sobě samém formou tzv. TEDS; pracovní skupina posléze charakterizovala univerzální komunikační protokol, kterým lze tyto informace nejen získat, ale také zapsat,

  • IEEE P1451.3: vyřešit zapojení několika fyzicky nezávislých snímačů, jejich časovou synchronizaci, možnost výměny za provozu (tzv. hot-swap) a s tím související automatickou identifikaci a samonastavování snímačů,

  • IEEE P1451.4: navrhnout možnosti automatické identifikace snímačů typu plug and play a použití smíšených digitálně-analogových připojení (mixed-mode connection).

Koncem roku 2001 byla v reakci na bouřlivý rozvoj bezdrátových metod přenosu založena pátá a v říjnu roku 2002 šestá pracovní skupina s úkoly:

  • IEEE P1451.5: doplnit do standardu problematiku bezdrátových snímačů s předpokládanou těsnou návazností na standardy řady IEEE 802 (především IEEE 802.11, IEEE 802.15 a IEEE 802.16),

  • IEEE P1451.0: koordinovat činnost ostatních skupin pro zachování vzájemné kompatibility dílčích částí standardu IEEE 1451 a stanovit základní množiny funkcí a komunikačních protokolů společných všem verzím standardu.

Obr. 1.

Jednotlivé části standardu jsou v současné době rozpracovány do různé hloubky. Části vytvářené skupinami P1451.1, P1451.2 a P1451.3 jsou zpracovány do konečné podoby a přijaty ([2], [3], [4]), část P1451.4 je zatím ještě stále v pracovní verzi, ale předpokládá se její brzké schválení [5]. Zbývající dvě skupiny, P1451.5 a P1451.0, pracují na první verzi příslušných dílčích standardů [6].

Základní charakteristiky standardu

Standardy skupiny IEEE 1451 obsahují popis modelu inteligentního snímače schopného pracovat v komunikační síti, a to od popisu hardwarového rozhraní až po koncepci snímače jako takového a jeho napojení na vyšší úrovně řízení. Dále je podrobně uveden objektový model snímače, popisující jeho chování, atributy a typy datové komunikace.

Základní rozložení oblastí zájmu standardu IEEE 1451 a jejich vazby jsou znázorněny na obr. 1.

Základní myšlenkou je prostřednictvím rozhraní označeného jako NCAP umožnit snadné začlenění do nadřazené sítě libovolného typu snímače s rozhraním odpovídajícím některému dílčímu standardu. Cílem je vytvořit obecně přijímaný a podporovaný standard, který výrobcům snímačů (akčních členů) přinese zjednodušení vývoje nových typů sjednocením používaných rozhraní a uživatelům výhody spojené s integrovaným katalogovým listem, kompatibilitou jednotlivých typů snímačů, možnostmi jejich použití způsobem plug and play apod.

IEEE 1451.1
Standard IEEE 1451.1 používá vysokoúrovňový objektově orientovaný model podle obr. 2. Jeho nejdůležitější částí je model NCAP, který se skládá z několika funkčních bloků, tvořících základní páteř systému. Všechny specifikace NCAP jsou obsaženy v IEEE 1451.1. Rozhraní mezi NCAP a vlastním snímačem i vlastní snímač (převodník technologické veličiny na elektrický signál, nesoucí informaci o měřené veličině) jsou specifikovány pouze formálně, přičemž podrobný popis je předmětem navazujících standardů.

Obr. 2.

Síťový blok z obr. 2 je volitelný a NCAP může podporovat jakoukoliv síť. Toho lze dosáhnout jednoduchou výměnou modulu. Standard podporuje dva typy komunikace – model klient/server a model publish/subscribe. Přidávány mohou být i další funkční bloky, jako např. implementace PID regulátoru, Fourierovy transformace apod. Aby byla zajištěna návaznost na procesor a na další uzly, je vždy přítomen jeden nebo několik bloků. Alespoň jeden z nich musí podporovat rozhraní umožňující připojit odpovídající snímač.

IEEE 1451.2
Standard IEEE 1451.2 popisuje hardwarové i softwarové rozhraní TII inteligentního snímače, koncepci STIM, definuje osm typů TEDS a řeší problematiku interní reprezentace jednotek a korekčního a kalibračního mechanismu.

Fyzicky jsou moduly NCAP a STIM propojeny prostřednictvím desetivodičového rozhraní TII, vybudovaného na bázi synchronního sériového protokolu SPI (Serial Peripheral Interface) přidáním několika jednoúčelových vodičů (napájení, zemnění a speciální kontrolní vodiče).

Stanoveno je celkem osm formátů (struktur) TEDS, z nichž použití dvou je povinné a ostatní jsou volitelné. Obě povinné a dvě z volitelných struktur TEDS jsou určeny jako binární. Ostatní struktury jsou běžně čitelné (např. ASCII) a jsou ukládány jako řetězce v jedné z několika možných volitelných sad znaků. Standard podporuje osmnáct jazyků a použití 21 mezinárodních sad znaků s možností přidání dalších.

Důležitým úkolem bylo navrhnout strukturu TEDS tak, aby byla schopna pojmout všechny potřebné informace, a současně umožnit rozšiřování této struktury prostřednictvím tzv. průmyslových rozšíření (industry extensions). Každá struktura TEDS obsahuje údaj o délce (byte count) a kontrolní součet pro zjištění možného porušení této struktury.

Další funkcí definovanou IEEE P1451.2 je korekční systém. Jedná se o blok se specifickou matematickou funkcí aplikovanou na data z jednoho nebo několika kanálů modulu STIM i na data z jiných zdrojů. Výstup z tohoto korekčního systému je většinou ve formátu IEEE 754 a v jednotkách soustavy SI. To je formát vhodný pro přímou komunikaci s nadřazeným systémem. Korekční systém pracuje v obousměrném režimu, a je tedy schopen konvertovat vstupní desetinné číslo na celé číslo a zpět.

Korekční systém standardu IEEE P1451.2 používá polynom, který nemá předem omezený stupeň. Polynom může být segmentován. Na jednotlivé úseky převodní charakteristiky snímače tudíž mohou být použity různé sady koeficientů. Korekční systém by měl být schopen standardní cestou popsat kalibrační konstanty a korekční koeficienty pro široké spektrum snímačů. Existuje rovněž možnost postoupit provádění celého korekčního mechanismu nadřízenému systému, např. NCAP nebo řídicímu počítači. To je výhodné v případě, je-li výpočetní výkon procesoru v STIM nedostatečný.

IEEE P1451.3
Standard IEEE P1451.3 definuje velmi rychlou digitální sběrnici s krátkým dosahem pro spojení několika snímačů s modulem TBIM (tzv. snímačová sběrnice). Ta se používá především ke sběru dat na místech, kde je v malém prostoru instalován velký počet snímačů, a také tam, kde není výhodné vést řídicí sběrnici ke každému snímači. Standard IEEE P1451.3 obsahuje definici lokální sběrnice pracující mezi adresovou logikou a A/D a D/A převodníky. Zavádí rovněž nové typy TEDS ve formátu XML.

IEEE P1451.4
Standard IEEE 1451.4 definuje rozhraní MMI (Mixed-Mode Interface), umožňující současné analogové snímače a moduly pro sběr dat snadno doplnit digitálním katalogovým listem (TEDS). Základem digitální části rozhraní MMI je dvouvodičová sériová sběrnice MicroLAN od firmy Dallas Semiconductor s řízením typu master-slave. Standard rozlišuje dva základní typy rozhraní – dvouvodičové, kdy digitální signál sdílejí oba vodiče spolu s analogovým signálem, a vícevodičové (čtyři, šest), kdy je pro digitální signál vyhrazena samostatná dvojice vodičů. Pro zachování možnosti automatické identifikace jsou příslušné části modulu TEDS v obou případech fyzicky umístěny ve snímači.

Standard 1451.4 se tedy zabývá sítěmi kombinujícími digitální i analogový přenos, které se připojují ke snímačům pomocí konvenčního analogového připojení. To je užitečné především tehdy, je-li třeba rozšířit již existující zařízení o možnosti poskytované formátem TEDS beze změny současné kabeláže. Může být také důležitý pro rozměrově kritické aplikace.

Standard IEEE 1451.4 je již široce podporován a využíván předními výrobci snímačů (např. Bruel&Kjaer, PCB, Endevco). Pozadu nezůstávají ani výrobci specializovaného měřicího softwaru, např. LabView firmy National Instruments má již v základní verzi implementovánu podporu čtení a zápisu katalogových listů snímačů v souladu se specifikací 1451.4.

Závěr

Krátký pohled na klíčové části standardu IEEE 1451 napovídá, že jeho prosazení je pouhou otázkou času (uvědomíme-li si navíc i vliv a šířku záběru společností, které stojí za jeho vývojem). Standard je svojí otevřeností předurčen k tomu, aby se stal rámcovým standardem pro průmyslové použití. Jeho přínosem je především relativně snadné použití a modulární princip, kdy výrobci mohou využít své již existující produkty a standardu je pouze přizpůsobit.

Přesto však je namístě i otazník v nadpisu článku. Paradoxně nejširšího přijetí a komerčního úspěchu se dočkal standard IEEE 1451.4, který zatím stále ještě není schválen. Důvodem je zřejmá výhoda použitého řešení, kdy za zanedbatelnou cenu sériové paměti lze získat všechny výhody spojené s integrovaným katalogovým listem a současně se neztrácí zpětná kompatibilita se staršími analogovými měřicími systémy (podobně jako tomu je u protokolu HART).

Naproti tomu standard IEEE 1451.2, schválený již v roce 1997 s očekáváním rychlého rozšíření, skončil naprostým neúspěchem. Přestože byl podporován tak významnými výrobci hardwaru, jakými jsou firmy Microchip, Analog Devices (obvod ADuC812 pro STIM), Hewlett Packard (obvod BFOOT-11501 pro NCAP, v roce 2000 zastavena výroba), vzniklo pouze několik případových studií, jedna z nich např. na pracovišti prvního z autorů, a standard pro naprostý nezájem výrobců upadl v zapomnění. Hlavním důvodem zřejmě byla problematická definice rozhraní TII a relativně vysoká cena modulu NCAP. Současně s tím se na trhu objevily i procesory s přímou podporou hlavních průmyslových sběrnic, a výhodnost zavedení mezistupně s univerzálním rozhraním pro snímače významně klesla. Nicméně navržený korekční a kalibrační mechanismus a princip katalogových listů se ukázaly životaschopnými a byly bez větších změn převzaty i do zbývajících standardů. V nich se pracovní skupiny již nepokoušejí vytvořit vlastní nové rozhraní, ale naopak využívají standardy již existující a osvědčené. I z těchto důvodů a s ohledem na objektivní potřebu průmyslové praxe alespoň nějaké standardizace v oblasti inteligentních snímačů lze snad právem předpokládat, že standard IEEE 1451 skutečně představuje budoucnost inteligentních snímačů (akčních členů).

Názvosloví

COM – Common Object Model
objektově orientovaný model podle IEEE 1451.1

DAQ Device – Data Acquisition Device
jednotka pro sběr dat

HPNA (HomePNA) – Home Phoneline Networking Alliance
standard umožňující vytvářet domácí lokální sítě pro přenos dat s využitím již existujících telefonních rozvodů (rozšířený především v USA)

MMI – Mix Mode Interface
rozhraní pro smíšený přenos (digitálního i analogového signálu současně)

NCAP – Network Capable Application Processor
představuje rozhraní mezi STIM nebo TBIM a nadřazenou sítí, může obsahovat vlastní inteligenci; IEEE 1451.1 defi nuje model NCAP nezávislý na síti a přizpůsobitelný libovolné síti

STIM – Smart Transducer Interface Module
IEEE 1451.2 definuje STIM jako základní prvek sítě umožňující připojit jeden nebo několik snímačů (až 255); součástí STIM je katalogový list TEDS a popř. i korekční mechanismus

TBC – Transducer Bus Controller
řadič snímačové sběrnice

TBIM – Transducer Bus Interface Module
základní prvek sítě defi novaný IEEE 1451.3 a umožňující připojit jeden i několik snímačů; komunikace mezi TBIM a NCAP probíhá po sběrnici podle specifi kace HPNA; k jednomu NCAP lze připojit několik TBIM

TEDS – Transducer Electronic Data Sheet
každý STIM musí v části paměti obsahovat pevně defi novanou datovou strukturu, která jednoznačně určuje samotný STIM a popisuje vlastnosti a parametry připojeného snímače; samotný TEDS se skládá z osmi dílčích katalogových listů, z nichž dva jsou povinné (Meta TEDS, Channel TEDS) a zbývajících šest je nepovinných

TII – Transducer Independent Interface
desetivodičová sběrnice (modifi kace SPI – Serial Peripheral Interface) umožňující komunikaci mezi STIM a NCAP

XML – eXtensible Markup Language
standardní jazyk pro zápis strukturovaných informací v textové podobě

Literatura:

[1] BRYZEK, J: Summary Report. In: IEEE/NIST First Smart Sensor Interface Standard Workshop, NIST, Gaithersburg, Maryland, pp. 5–12, March 1994.

[2] IEEE Std 1451.1-1999, Standard for a Smart Transducer Interface for Sensors and Actuators – Network Capable Application Processor (NCAP) Information Model. IEEE, Piscataway, New Jersey 08855, June 1999.

[3] IEEE Std 1451.2-1997, Standard for a Smart Transducer Interface for Sensors and Actuators – Transducer to Microprocessor Communication Protocols and Transducer Electronic Data Sheet (TEDS) Formats. IEEE, Piscataway, New Jersey 08855, September 1997.

[4] IEEE Standard for a Smart Transducer Interface for Sensors and Actuators – Digital Communication and Transducer Electronic Data Sheet (TEDS) Formats for Distributed Multidrop Systems. IEEE, Piscataway, New Jersey 08855, December 2003, ISBN 0-7381-3822-3.

[5] (D3.0) Draft Standard for A Smart Transducer Interface for Sensors and Actuators – Mixed-Mode Communication Protocols and Transducer Electronic Data Sheet (TEDS) Formats. IEEE 2003; PDF; ISBN 0-7381-4030-9.

[6] IEEE 1451 Homepage, http://ieee1451.nist.gov

[7] ECCLES, L. H.: The Representation of Physical Units in IEEE 1451.2. Sensors, No. 4/1999.

Ing. Petr Beneš, Ph.D.,
ÚAMT FEKT VUT Brno
(benesp@feec.vutbr.cz),
Ing. Tomáš Beyer


Reprezentace hodnot fyzikálních veličin ve standardu IEEE 1451

Hlavním požadavkem při tvorbě vhodného mechanismu byla především schopnost reprezentovat jakoukoliv hodnotu výstupního signálu snímače v jednotkách, ve kterých ji uživatel potřebuje.

Celá koncepce vznikla na základě kalibračních struktur TEDS (Transducer Electronic Data Sheet). Právě kalibrační struktura umožňuje načíst informace (kalibrační konstanty) pro jednotlivá zařízení. V extrémním případě však mohou být požadovány zcela nestandardní jednotky, jako jsou např. libry apod. Uloží-li tedy výrobce do svého zařízení kalibrační konstanty (použije odpovídající soubor TEDS), musí bezpodmínečně specifikovat také jednotky, ve kterých jsou tyto konstanty uloženy. V úvahu přicházela dvě řešení.

Prvním bylo vytvořit seznam všech známých jednotek a umístit ho do tabulky a potřebnou jednotku definovat odkazem na příslušné místo v tabulce. Toto řešení má několik nedostatků. Pro velký počet různých jednotek na celém světě by velikost takovéto tabulky jistě nebyla zanedbatelná. Dalším, mnohem závažnějším nedostatkem je velmi obtížné doplňování takové tabulky novými hodnotami.

Naopak druhá varianta, která nakonec byla pracovní skupinou IEEE 1451.2 přijata, je velmi účelná. Vychází z předpokladu, že drtivou většinu jednotek lze vyjádřit kombinací základních jednotek známé mezinárodní soustavy jednotek SI (Syst). Základem standardu pro odvození veličin se tedy stalo sedm základních jednotek soustavy SI spolu s jednotkami radian a steradian. Z těchto devíti jednotek jsou dělením či násobením odvozeny všechny ostatní jednotky použité korekčním mechanismem snímače. Libovolnou potřebnou jednotku lze vyjádřit kombinací uvedených devíti jednotek s jejich případným umocněním. Protože umocnění na nultou je plnohodnotná matematická operace, může být jednotka vyjádřena součinem všech devíti jednotek s příslušnou mocninou u každé jednotky. Například pro snímač měřící vzdálenost se měrová jednotka stanoví výpočtem výrazu

m1 · kg0 · s0 · A0 · K0 · mol0 · cd0          (1)

Je-li exponent nulový, jednotka se automaticky nepoužije. Z příkladu vyplývá, že čidlo podává informace v metrech. Ve standardu je definován pouze přesný sled jednotek SI a výraz (1) se do struktury TEDS zapíše jako posloupnost 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0.

Podobně se pro snímač tlaku použije výraz

m–1 · kg1 · s–2 · A0 · K0 · mol0 · cd0          (2)

s odpovídající posloupností –1, 1, –2, 0, 0, 0, 0.

Vhodným stanoveným způsobem lze vyjádřit i speciální bezrozměrné jednotky, např. strainy pro poměrné prodloužení měřené tenzometry. Podrobnosti přesahují rámec této informace, lze je však nalézt např. v [7]. Konstatujme pouze, že kódování měrových jednotek podle standardu IEEE 1451 je velmi rozsáhlé a jeho otevřenost by měla zaručit bezproblémovou a správnou reprezentaci jednotek v jakékoliv aplikaci.

(pb+tb)

Inzerce zpět