淺談智能型TEDS傳感器

傳感器朝著智能化、電子化、小型化、多功能化方向的發展勢不可擋，新產品層出不窮；新一代電子傳感器在消費電子、通信電子、醫療電子等領域因成本低廉、性能優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據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據表窗口（Transducer ElectronicData Sheet）二部分組成，它有數模混合接口，分別輸出模擬信號和TEDS數字信號。TEDS數字信號包含傳感器制造商信息、產品型號和產品編號、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的模擬傳感器信號與低價位序列數字連結結合，以存取嵌入傳感器中的一份傳感器電子數據表信息。為了傳感器即插即用（Sensors Plug & Play）的優點延伸到傳統的模擬傳感器，Virtual TEDS以電子檔案格式提供同樣的傳感器電子數據表窗口。透過TEDS，傳感器可以向它所連接的數據擷取系統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合開發，定義了兼具模擬和數字接口的混合模式傳感器的概念。模擬電子接口以傳統的方式提供反應物理現象的信號（例如溫度、壓力及重力）。數字接口，利用傳感器內部的內嵌內存裝置可與后端設備通訊。
在過去，當設定及組態量測系統時，必須手動輸入重要的傳感器參數，例如測量范圍、傳感器靈敏度以及比例參數，軟件才能正確地轉換及解讀傳感器數據。現在，具備智能型TEDS傳感器的系統可以自動完成這個組態步驟，同時也提高系統的整體整合性和穩定度。
雖然其它的智能型傳感器系統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傳感器與內含傳統模擬接口的舊系統兼容。而IEEE 1451.4規格的簡易性也擁有舊式傳感器實用的優點。IEEE 1451.4標準的兩項組件為標準化數據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信息區分為數個重要區段。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“數據窗體”信息，通常是正確設定電子接口及轉換量測數據為工程單元時所必須的數據。一般來說，TEDS參數包括量測范圍、電子輸出范圍、靈敏度、電力需求，以及校正數據。標準TEDS區段描述使用該傳感器進行量測所需的一切數據。
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）中的二進制數據轉換為有意義的傳感器規格。這一群IEEE標準樣版包括IEPE（持續電流供應動力）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、電熱調節器、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，以容許專屬的參數及條件。
最后，TEDS的最后一部分可以讓使用者將自訂數據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）及序列數字信道（供存取數字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字TEDS模式之間切換。持續電流供電傳感器（如電子壓電傳感器）整合了內部信號調節，由信號線路上的量測系統提供穩定的電流作為動力。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勢。只要改變電流的方向，儀器系統即可進入傳感器數字TEDS模式。
大部份的傳感器類型使用Class 2接口的型態，它需要額外的線路供數字TEDS通訊使用。傳感器的模擬輸入／輸出沒有經過修改，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、電熱調節器、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，很容易使用各種現有的傳感器設計。

混合模式接口的數字部份（Class1 或Class 2 ） 是以Maxim/Dallas Semiconductor的單線路協定為基礎。這是一種非常簡單、低價位、主從式序列通訊協議，需要一個主設備（例如量測系統）供應電力，并根據預先定義的時間順序來啟動與每個節點的互動，使用一條線路及返回。商業市場上的單線路EEPROM提供低價位、雙線路產品，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正視TEDS概念的絕對優勢，它為傳感器提供一個標準化的描述語言。TEDS數據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嵌的EEPROM上。
虛擬TEDS（Virtual TEDS）檔案儲存在近端計算機或可由網站存取的數據庫，而不存放在EEPROM中。這樣做可以讓現有大量舊式模擬傳感器運用T EDS的好處，而不需使用內嵌EEPROM來加以翻修。虛擬TEDS也適用于受傳感器操作環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塊。這個八通道終端區塊在智能型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的所有優點整合至一個小型可攜系統中，供信道數量要求低、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。它是IEPE信號調節器（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兼容設備時的作業兼容性。
National Instruments主要的測試及量測系統軟件（即NI-DAQmx量測設備以及NI LabVIEW圖形式開發軟件）都已經升級，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讀取功能已經內建在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據的接口，并且自動將數據置入工程單元中，因此不需要用書面數據窗口手動輸入傳感器參數。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，或使用程序開發環境中的一個函數，從智能型TEDS傳感器中加載數據。
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存，LabVIEW中的NI-DAQmx函數則提供了以程序讀取、寫入及重新程序化TEDS數據的功能。LabVIEW中提供的函數亦可令TEDS數據流以比特流的方式被取得。能夠從LabVIEW中重新程序化TEDS，在更新校正數據或以數字方式儲存使用者定義的數據（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數據，根據適當的傳感器面板分析比特流，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、準確性及穩定性方面提供實質的改善，無論是只有幾部傳感器的系統，或是多達數千部傳感器的系統，皆可受其利。透過標準的認可，包括National Instrument s在內的許多廠商都開始為虛擬及智能型TEDS傳感器制造Sensors Plug &Play的產品。

TEDS型傳感器：http://www.ndttech.net

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