即插即用传感器

“即插即用（P&P）传感器”意指一种简单地插入一个特殊的管壳的容易安装和使用的智能元件。无需拼命地打印数据表，阅读使用手册，敲打键盘，新型匹配好的一对高技术部件就能完成相应的工作。这就是说，传感器和用户选定的数据采集（DA）已正成功地交换着信息。

P&P概念是从计算机行业流行起来的，特指对用户系统影响极小，甚至没有影响的计算机与外部设备（打印机、扫描仪、传真机）等互连技术。尽管P&P的含 义在使用初期有些混乱，但一经开放标准的具体表述，立即被广泛地接受，且很大程度上甚至是必备的性能。鉴于它的可访问性和使用方便性，在传感器行业也出现了采用P&P的呼声。其好处是不言而喻的，安装与维修成本低和使用寿命长。

P&P传感器
在传感器行业，P&P表示具备了机器可读取信息的一种增强型传感元件，以便完成传感器界面的自动设置。设置过程通常承担：将传感器连接至DA系统、控制系统、数据网络或其它较高级别需要传感器数据的系统。信号的收集和解释需要了解重要的传感器特性和应用详细信息。

图1 P&P智能传感器的基本功能组件

对最简单的事例，这些详细信息包括：将测得的电信号变换为实际被测量的传感器校正因子和被测量的物理单位。这一简单的事例假设是一种线性传感器且是很多应用的有用近似。其它的事例可能需要更多的传感器详细信息：如工作的动态范围、未作测量时产生的偏移信号幅度、频率响应、非线性校正、温度效应补偿以及老化校正。

这一组完整的信息常常称为传感器电子数据表（TEDS）。虽然每一种协议对TEPS中的字段有自己的定义，但是IEEE1451标准确定了必选的和可选的TEDS类型，这样便能提供更多的信息。当传感器实际地连接至较高级系统时（图1），P&P传感器自动告知某些因子或全部因子，最低限度减少用户的参与。

P&P传感器承担着将传感器专用特性传送给较高级系统的任务，因而需要一组标准规则或协议来规范通信的双方，预期获取什么信息，向对方传送什么信息这些协议是长期协商和探讨的成果，其中一组就是IEEE通过的IEEE1451家庭智能传感器标准（表1）。还有其它机构和专业部门也制订了自己的协议。这里不存在“最佳”解决方案，每种应用的要求有助于最佳P&P方案的确定。

这些准规定了传感器设置期间传送内容的详细信息、数据格式和有关传感器与较高级系统间通信过程的技术信息。某些P&P传感器系统 还有一个自动发现过程，它在不断地扫描端口，以确定是否连接了一个新器件。其它的系统则在电气连接传感器后启动一个设置过程。一旦设置参数传送完毕，那未基于传送的信息，传感器的模拟/数字信号就能变换成有确定的物理单位且已校正的物理量。依据某些P&P传感器的智能化程度，它也能发送其它相关信息：传感器位置、序列号、状态以及最新校正数据。倘若传感器连接至网络，在特性中也要解决连接事项。如果未提供此类信息，则要留意其它信号接口事项。

表1 IEEE1451家族标准

体系结构
P&P传感可设计成不同水平的电子集成器件，这是由市场和技术限制决定的。一种情况是，传感元件和智能元件，如通信电子、存储寄存器以及传感信号处理电路，可单片集成在单块硅片上。如果生产数量足够大，能分摊设计与制作定制IC的一次性工程成本投入，那末这一方法能得到成本最低廉的传感器。要注意的是，传感器的工作环境应与半导体（通常是硅）材料技术相适应。例如，传感器想在6000C工作，单片集成解决方案就不合适。若想在此环境中工作，就要采用混合集成或分离的P&P方案，将电子电路与传感分离开。

很多传感器元件无法用半导体IC材料或工艺制作，最佳方案是采用混合法来整合，涉及专用混合IC和分离电路板技术。前者，辅助硅片用于通信、存储和逻辑功能，然后与传感元件封装在一起。这样，所有电路元件共用一块基片，使用单个电路封装。

分离电路板具有分别封装的电子电路IC器件。传感元件和支持IC通常安装在同一电路板上，只有在某些极端应用环境，电子电路和传感元件是分离的。

另一种情况是P&P传感器的虚拟实现。这里，传感器特性信息是从分离的数据源取得的，如互连网上生产厂商网站或CD-ROM光盘。与使用硬件来修改传感器和支持电路参数不同，虚拟P&P传感器将收集传感器特性信息的负担转移给较高级系统，DA系统自动地将ID值从传感器传送至系统，或安装者手动地输入已连接传感器的ID。较高级系统随后以用户可识别的外部数据源（网站、CD-ROM或硬盘）下载信息，提取用于解释传感信号的校正常数和其它数据。

这一实现方法的优点是无需改变传感器的电路，或只需作少许的改变；缺点是能提供的专用信息较少。例如，从外部源得到的校正数据只是同一型号全部传感器的通用校正系数，未必适合安装中特定的传感器。不仅如此，虚拟P&P传感器不可能提供传感器专用的应用，安装、或其它信息的详细数据。

技术难点
尽管P&P传感器不断取得进展，但某些因素还待解决。有关具体安装的某些信息可能对传感器数据的远程用户是十分有用的。例如，传感器在系统中精确功能位置“3号辅助输入线冷却液管道第一个弯头”以及较大范围地域位置“某市，某地的处理设备”是用户关心的二个字段,这一类信息提高了传感器数据的价值,可是包含位置信息使P&P实现复杂化。

另一类传感器专用信息是如何处理特定传感器老化后的重新校正，因为原先的数据在老化后已不再适用。传感器放置一年后能否有一种简便方法来重新校正P&P传感器？已安装了一年的传感器又将如何处理？虚拟P&P传感器能应对老化吗？用户要熟悉每个供应商解决问题的方法。最终的答案可能很大程度上取决于所连接的较高级系统设计和实现的具体情况。

未来发展方向
市场的推动，行业技术实验室的支持，促进了P&P传感器、智能和网络传感器的研制和应用。IEEE1451家族标准业已完成，为构建与其它硬件和软件兼容的智能传感器产品奠定了基础。

网络和无线技术的应用范围的扩大无疑也增加了对智能传感器的需求。两种技术亟需关键的智能传感器特性来更好地实现网络的整合。例如，通过网络的远程用户发送的简单命令来读取传感器的当前值，可能是十分容易的，也可能是极其困唯的，这取决于所查询的传感器数量与传感器使用的标准。此外，随着网络所连接的传感器数量的增加，立即会要求传感器的特性信息，缺乏识别正在向网络提供数据的传感器详细信息，会极大地降低网络的使用价值。

结语
在PC领域，P&P技术的价值是众所公认的，我们同样确信，这一新功能亦将成为设计、制作和购买的传感器的必备标准。■（东华）