Sensors Plug & Play－自动化感测器测量新标准

　　

Sensors Plug & Play的优势
由IEEE 1451.4针对感测器所提出的新标准使感测器成为类似USB滑鼠的随插即用设备。IEEE 1451.4定义一个机制，使模拟信号介面为感测器加入自我描述行为，这种混合模式介面将传统的类比感测器信号与低价位序列数字连结结合，以存取嵌入感测器中的一份变换器电子资料表单（变换器；electronic data sheet；TEDS)。为了将Sensors Plug & Play的优点延伸到传统的模拟感测器，Virtual TEDS以电子档案格式提供同样的变换器电子资料表单。透过TEDS，感测器可以向它所连接的资料撷取系统表明及描述自己的身份。

为模拟感测器加入随插即用功能，可以为使用者和开发者带来以下好处：
◆更快速设置系统
◆ 改善自我诊断的功能
◆ 减少感测器维修及更换的停机时间
◆ 改善装置管理
◆ 自动使用校正资料

IEEE 1451.4 标准
IEEE 1451.4「智能型变换器混合模式介面」(Mixed-Mode Interface for Smart Transducers)标准定义一个机制，可以为传统的模拟模式感测器及制动器增加自我身份証明技术。IEEE 1451.4由感测器厂商、仪器及软件供应商和使用者联合开发，定义了兼具模拟和数字介面之混合模式变换器的概念。模拟电子介面以传统的方式提供反应物理现象的信号（例如温度、压力及力度）。

但是IEEE 1451.4智能型TEDS感测器亦提供数字介面，以便与变换器内部的内嵌记忆体装置通信。这份记忆体中包括二进位TEDS资讯，用以表明及描述感测器或致动器。TEDS内含的资讯包括制造厂商、感测器型号、序号、测量范围、敏感度，以及校正资讯。
　

图一：智能型TEDS感测器，具备嵌入式TEDS EEPROM
　

在过去，当你设定及组态量测系统时，你必须手动输入重要的感测器参数，例如范围、敏感度，以及比例参数，软件才能正确地转换及解读感测器资料。现在，具备智慧型TEDS感测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。

虽然其它的智能型感测器系统亦提供随插即用的功能，IEEE 1451.4之所以独特，乃是因为它保留感测器的模拟输出。因此，智能型TEDS感测器与内含传统模拟介面的旧系统相容。而IEEE 1451.4规格的简易性亦拥有旧式感测器实用的优点。

IEEE 1451.4标准的两项元件为标准化资料表单(TEDS)以及混合模式介面。

TEDS（变换器电子资料表单，Transducer Electronic Data Sheet）
IEEE 1451.4标准的核心就是TEDS的定义，这个资讯结构中包含重要的感测器资讯，以便进行随插即用操作。TEDS（通常置于感测器内嵌的EEPROM中）透过一个简单的低价位序列介面，供量测系统存取。

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，可以处理多种感测器类型和需求。TEDS资讯区分为数个重要区段。TEDS的第一个部份是Basic TEDS，其中含必需的感测器辨识资讯，包括感测器的制造厂商、型号，以及序号。Basic TEDS之后可能是一份IEEE标准TEDS，其中包括该感测器的特定「资料表单」资讯－通常是正确设定电子介面及转换量测资料为工程单元时所必须的资料。一般来说，TEDS参数包括量测范围、电子输出范围、敏感度、电力需求，以及校正资料。标准TEDS区段描述使用该感测器进行量测所需的一切资料。

IEEE标准为不同类型的感测器指定标准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感测器的EEPROM（或Virtual TEDS档案）中的二进位资料转换为有意义的感测器规格。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压力感测器、惠司同电桥感测器、张力计、负载及力度变换器、热电偶、RTD、电热调节器、LVDT/RVDT、抗力感测器，以及具备电压或电流输出的扩大感测器（任何类型）。这项标准亦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，以容许专属之参数及条件。
　

表一：IEEE 1451.4 TEDS的结构，包括IEPE Accelerometers及Bridge-Based Load Cells的范例样版
　

最后，TEDS的最后一部份可以让使用者将自订资料及资讯储存在感测器中。这是一项非常有用的功能，可以将感测器位置（编码为ID）、额外的维护资讯，或是其它的自定资讯储存在感测器中。

IEEE 1451.4模合模式介面
依照IEEE 1451.4定义的智能型TEDS感测器包括一个混合模式介面，同时包括一个模拟信号（供量测信号使用）及序列数字通道（供存取数字TEDS资讯之用）。在这项标准中，定义了两种类型的混合模式介面－Class 1及Class 2介面。切换为

Class 1介面主要用于持续电流供电的压电变换器（加速度计，麦克风等等)，并且定义了一个流程，可以顺序地在一对变换器线路的模拟模式和数字TEDS模式之间切换。持续电流供电变换器（通常被称为整合电子压电 (IEPE) 变换器）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 变换器透过一个由电流来源方向控制的开关来加入TEDS的功能（如图二所示），以利用这种实质上的标准的优势。只要改变电流的方向，仪器系统即可将感测器数字TEDS模式。
　

图二：ICP感测器的Class 1双线路介面
　

大部份的感测器类型使用Class 2介面的型态，它需要额外的线路供数字TEDS通信使用。变换器的模拟输入／输出没有经过修改，双线路TEDS介面则平行加入模拟介面中。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感测器或致动器上，包括热电偶、RTD、电热调节器、桥接感测器、电解化学电瓶，以及4-20 mA电流迴路感测器。事实上，利用Class 2的「加入」法，很容易使用各种包装选择翻新现有的感测器设计。图三说明在桥接变换器上使用Class 2混和模式介面的范例。
　

图三：Class 2多线路介面，以桥接感测器为例
　

混和模式介面的数字部份（Class 1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、主从式序列通信协定，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，可以为感测器加上TEDS功能。MAXIM/Dallas Semiconductor生产两种此类EEPROMS，即DS2430 (256 bit) 及DS2433 (4 Kb)。

虚拟TEDS (Virtual TEDS)
National Instruments和全球的感测器厂商已经正视TEDS概念的绝对优势，它为感测器提供一个标准化的描述语言。TEDS资料结构可以描述任何模拟感测器，无论TEDS是否实际位于感测器内嵌的EEPROM上。

虚拟TEDS (Virtual TEDS)档案储存在近端电脑或可由网站存取的资料库，而不存放在EEPROM中。这样做可以让现有大量旧式模拟感测器运用TEDS的好处，而不需使用内嵌EEPROM来加以翻修。虚拟TEDS也适用于受感测器操作环境限制而不能在感测器中使用任何电子仪器（例如EEPROM）的应用情况。
　

图四：透过网站界面存取Virtual TEDS
　

智能型TEDS感测器的Sensors Plug& Play硬件虚拟及智能型TEDS感测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TEDS感测器。National Instruments提供软件及硬件，可以读取及写入虚拟及智能型TEDS资讯。
　

图五：Sensors Plug & Play系统的元件
　

三款新推出的National Instruments Sensors Plug & Play硬件产品包括额外的序列通信迴路，供智能型TEDS感测器使用。NI SCXI-1314T是NI SCXI-1520桥接感测器输入模组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感测器和SCXI-1520通用输入模组之间提供一个具备TEDS功能的介面。SCXI-1314T提供一个简易的I/O介面，最多可以透过RJ-50乙太网路接头连接八个桥接感测器或张力计。
　

图六：National Instruments的Sensors Plug & Play硬件包括BNC-2096, SCXI-1314T 终端区块，以及SC-2350模组托架
　

对于需要可携式DAQ系统和与Class 2智能型TEDS感测器之间介面的使用者而言，National Instruments推出一款新的SCC Module Carrier。NI SC-2350与所有SCC模组相容，将TEDS的所有优点整合至一个小型可携系统中，供通道数量要求低、并且需要小体积的使用者选用。SC-2350是膝上型电脑的可携式资料撷取系统的理想搭配。

NI BNC-2096是十九吋可堆叠式终端区块，供Class 1智能型TEDS感测器使用，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）的前端介面。BNC-2096最多可以连接十六部智能型TEDS感测器。

Sensors Plug& Play软件主要的感测器制造厂商和National Instruments使用共通的TEDS软件平台，以确保连接及读取IEEE 1451.4相容设备时的作业相容性。任何贴有如图七的Sensors Plug & Play商标的资料撷取及信号调节产品都与其他的Sensors Plug & Play产品相容。
　

图七：所有Sensors Plug & Play产品的商标，代表相容性及设备间的配合作业能力
　

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，支援Sensors Plug & Play设备，以使用TEDS技术。NI-DAQmx 7.2完全支援IEEE 1451.4相容的虚拟及智能型TEDS感测器。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，你只要按一下滑鼠键，即可从一部或多部虚拟或智能型TEDS感测器上取得感测器及TEDS相关资讯。

NI-DAQmx量测服务软件

TEDS标准定义了模组和感测器之间的通讯，NI-DAQmx则提供读取感测器资料的介面，并且自动将资料置入工程单元中，因此不需要用书面资料表单手动输入感测器参数。当感测器连接至Sensors Plug & Play硬件时，使用者可以透过Measurement & Automation Explorer的一个按钮，或使用程式开发环境中的一个函数，从智能型TEDS感测器中载入资料。图八是扫描及设定连接至SCXI-1314T的虚拟及智能型TEDS感测器的MAX界面。
　

图八：SCXI-1314T的NI-DAQmx TEDS组态
　

MAX提供一个方法，能够用互动的方式扫瞄并将智能型TEDS感测器载入电脑记忆体，LabVIEW中的NI-DAQmx函数则提供了以程式读取、写入及重新程式化TEDS资料的功能。LabVIEW中提供的函数亦可令TEDS资料流以位元流的方式被取得。能够从LabVIEW中重新程式化TEDS，在更新校正资料或以数字方式储存使用者定义的资料（包括感测器的实体位置）时很有用。
　

图九：NI-DAQmx TEDS子面板
　

LabVIEW的TEDS函式库

NI-DAQmx TEDS子面板提供了程式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。当智慧型TEDS感测器中的位元流被读到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，分析位元流，以及建立新的TEDS。图十为顶层的TEDS面板，以及一些可用的函数。
　

图十：LabVIEW TEDS函式库的VI面板
　

使用NI-DAQmx以及TEDS Library for LabVIEW函式库，你可以轻易地建立应用程式，让它读取特定感测器的TEDS资料，根据适当的感测器面板分析位元流，并将TEDS资讯以表格格式显示。这种应用方式如图十一所示。
　

图十一：TEDS LabVIEW范例
　

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