一种基于TSN网络标准的智能传感装置

摘要

本发明涉及一种基于TSN网络标准的智能传感装置，它包括传感器单元，其有若干个，分别用于接收模拟量；ADC模块，其用于将从传感器单元接收到的模拟量转换为数字信号；采样数据预处理模块，其用于收集来自ADC模块的数字化数据或通过串口接口的数字化数据，针对采集数据进行滤波等数据的预处理；控制单元模块，其能够进行实时控制操作、对数据进行处理及储存、通信缓冲以及自我诊断；基于TSN(时间敏感网络)，通过智能传感装置可以广泛用于实现需要高速且实时地对众多的信号源进行同时的物理量信息的采集和向上位信息处理系统的传送。本发明可适用于以工业领域等广泛领域中的设备，助力工业互联网在制造业中的运用及智能制造。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于TSN网络标准的智能传感装置。

背景技术

现有的传感器：

①传感器是一种检测装置，能感受到被测量的物理量，并能将感受到的物理量，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。传感器应用于诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等领域，在现代社会中是必不可缺少的存在。近年，随着应用场景的持续扩展和应对需求的规格提升，更以下述的模式，在其传感器原本的信号转换的性能提升基础上，其结构和功能方面上，加速向微型化、多功能化、数字化、智能化、系统化和网络化的发展。

②传感器从原有的利用结构参量变化来感受和转化信号的结构型传感器，转化到至今的大多数的由半导体、电介质、磁性材料等固体元件构成的固体型传感器。

③随着传感器向微型化、多功能化、数字化的发展，其结构方面也有最初的单纯的物理量(即信号)的转换功能，加入了针对信号进行预处理，信息储存，数据加工，较复杂的数据通讯等硬件处理部分以及相对应的软件处理等模块。

④近年，受互联网技术在各领域的扩展驱动，其传感器数据的通讯接口成为担负着信息输出的功能，成为传感器走向多功能化、数字化、智能化、系统化和网络化的发展过程中的日益重要的组成部分。

2.现有技术存在的问题：

为满足多功能化、数字化、智能化、系统化和网络化的发展需求，现有的传感器的技术问题点主要体现在以下方面：

①在新老设备混合以及电磁环境恶劣场景下，实现高密度，实时性以及高可靠性的通信技术问题。

现有的诸如RS232，RS485，RS422等通用的通信接口和其通信标准虽然能运用于一些时代久远的设备中，但其通信协议已经无法满足的小于1ms等高密度，实时性的通讯，在制造业方面，其通讯的可靠性则更由于受大电流，高电磁噪音，以及设备间的长距离等影响而无法保障。

②高度集成化系统下的来自不同信号源的传感器数据采集的同步协调的技术问题。

传感器在制造业方面的应用，其种类不但繁多，而且采用的数量十分的巨大，近年，工业互联网等技术在制造业中的推进，在促进制造设备的联网需求的同时，由于其智能化程度的提升，也增加了系统的复杂性，并向高度集成化系统方向发展。当前的具备诸如RS232，RS485，RS422等通用的通信接口的传感器，具备一定的通讯能力，但针对来自不同信号源的传感器的数据采集，以及数据的同步协调需求方面，并没有具体的实现能力。

③不同通讯标准的传感器而带来的采集数据的无法关联和数据孤岛的技术问题。

针对高实时性和高可靠性的通信要求，相对近期的CANopen，Modbus，PROFIBUS，CC-Link都是在标准以太网的基础上修改或增加了一些特定的协议以保证实时性和确定性，其非标准以太网导致通信协议互不相通，数据无法有效使用，同时也较难解决系统内的不同的数据采集的协调问题，在易用性、互操作性、带宽和设备成本投入上有其不足。

④不同场景下的可变性，自由度高的数据处理及通信的技术问题。

近年，虽然传感器实现了从初级的模拟量数据信息的输出，到目前数字化转换中的数字量信号的输出。但尚无法实现诸如通过双向的通信模式，对其传输的数据实现数据架构和数据量进行自由定义。而这样的应用场景，在今后可以预见的是受上位系统的需求，要求传感器本身在不同场景下，为实现高密度，高精度，高效的信号处理以及数据传递，对输出的数据架构及内容能进行优化。

⑤传感器的自我诊断的技术问题。

随着传感器日益向智能化方向的发展，传感器本身的状态检测以及自我诊断功能也是重要项目之一。目前的传感器大部分并不带有如此功能，仅少部分具有如此功能的，其通用做法是附加另外的类此传感器，对目标传感器的状态进行监控，未能实现传感器本身对自我状态进行诊断，并和数字量信号真正合为一体，实现实时的传感器自我诊断功能。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于TSN网络标准的智能传感装置。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种基于TSN网络标准的智能传感装置，它包括：

传感器单元，其有若干个，分别用于接收模拟量；

ADC模块，其用于将从传感器单元接收到的模拟量转换为数字信号；

采样数据预处理模块，其用于收集来自ADC模块的数字化数据或通过串口接口的数字化数据，针对采集数据进行滤波等数据的预处理；

控制单元模块，其能够进行实时控制操作、对数据进行处理及储存、通信缓冲以及自我诊断；

显示模块，显示控制单元模块的状态指示；

网口模块，实现控制单元模块与上位机交互；

电源模块，其用于向传感器单元，ADC模块，采样数据预处理模块，控制单元模块，显示模块以及网口模块提供电源。

优化的，所述控制单元模块包括具有针对下位的采样数据预处理模块的数据采样控制及采样数据处理模块；针对处理后的采样数据，进行通讯数据组包，并依照TSN网络标准通讯技术，实现和上位的网络模块的数据通讯。

优化的，所述控制单元模块接受来自上位网口模块的数据采样以及各动作模块的控制指令。

优化的，所述控制单元模块收集传感器模块的状态数据，通过上位网口模块和TSN网络标准通讯技术，实时传递传感器模块的自我诊断。

优化的，网络模块采用1000M RMI I以太网模式以实现和其他网络兼容。

本发明的有益效果在于：基于TSN(时间敏感网络)，通过智能传感装置可以广泛用于实现需要高速且实时地对众多的信号源进行同时的物理量信息的采集和向上位信息处理系统的传送。本发明可适用于以工业领域等广泛领域中的设备，助力工业互联网在制造业中的运用及智能制造。

本发明的智能传感装置因其高密度，实时性以及在恶劣电磁环境下能继续保持高可靠性的数据传递基本功能，可应用于小于1ms等工业级制造设备中的诸如电流，电压，扭矩等更高规格，更大范围，更多场景的数据采集，有助于更精确的状态把控和精细控制。

使用本发明的智能传感装置可以在同一系统内的，来自不同信号源的传感器的数据采集进行同步协调，这可以以更小单位的系统，完成针对各类相互作用的复杂的现象分析和控制处理。

运用本发明的智能传感装置解决在同一系统内的，因年代不同，通讯标准不同，导致的传感器采集数据的无法相互关联和数据孤岛的技术问题的能力，能以最小的投资实现设备等的数字化改造和后续的智能制造的实现。

通过本发明的智能传感装置中的，传输数据的优化能力和实时自我诊断等附加功能，能提高在不同场景中使用同一传感器的可能性，同时最大范围发挥传感器的性能，同时对整体系统的可靠性提供有效手段。

附图说明

附图1为实现传感器数据采样，数据预处理和基于TSN网络标准的一体型基本架构；

附图2为核心控制单元模块的功能及基本软/硬件架构；

附图3为智能传感器应用于4台数控机床主轴负荷的连接结构示意图；

附图4为4个通道的主轴负荷的数据采样在1ms周期中的误差稳定小于35纳秒；

附图5为通过以1ms的实时的数控机床主轴负荷采样数据的变动分析，监控主轴刀具的切削状态。

具体实施方式

下面结合附图所示的实施例对本发明作以下详细描述：

基于TSN网络标准的智能传感装置，它包括：

传感器单元，其有若干个，分别用于接收模拟量；

ADC模块，其用于将从传感器单元接收到的模拟量转换为数字信号；

采样数据预处理模块，其用于收集来自ADC模块的数字化数据或通过串口接口的数字化数据，针对采集数据进行滤波等数据的预处理；

控制单元模块，其能够进行实时控制操作、对数据进行处理及储存、通信缓冲以及自我诊断；所述控制单元模块包括具有针对下位的采样数据预处理模块的数据采样控制及采样数据处理模块；针对处理后的采样数据，进行通讯数据组包，并依照TSN网络标准通讯技术，实现和上位的网络模块的数据通讯。其接受来自上位网口模块的数据采样以及各动作模块的控制指令。其收集传感器模块的状态数据，通过上位网口模块和TSN网络标准通讯技术，实时传递传感器模块的自我诊断；

显示模块，显示控制单元模块的状态指示；

网口模块，实现控制单元模块与上位机交互，网络模块采用1000M RMI I以太网模式以实现和其他网络兼容；

电源模块，其用于向传感器单元，ADC模块，采样数据预处理模块，控制单元模块，显示模块以及网口模块提供电源。

图3中，展示了本发明智能传感器应用于数控机床的刀具数据采集及后续诊断。

使用一个带有4个霍尔电流的本发明的智能传感器分别从4台数控机床设备上采样数据，以1ms为周期向外部网络(系统)传输数据。在整体系统试验中，

1.仅使用一个智能传感器，实现4台独立的数控机床主轴的数据实时高速的采集和传输；

2.采集到的数据根据自定义数据帧进行组帧，每次传输字节容量为1400；

3.4组传感器之间的数据的严格时间同步；

4.千万次通讯以上试验中，采样1ms周期中的误差稳定小于35纳秒(图4)；

5.基于本发明的智能传感器的高速数据采集，能完成对转速高达20000rpm的主轴进行负荷监控，为完成后续的数据分析与刀具诊断应用带来必要的实时，精准的数据支撑(图5)。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。