基于WIA-PA的無線壓力表設(shè)計(jì)
針對傳統(tǒng)的工業(yè)壓力表需鋪設(shè)電纜進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸而導(dǎo)致的高成本問題,詳細(xì)介紹了一種基于 WIA - PA的無線壓力儀表的軟、硬件設(shè)計(jì)方案。該無線壓力儀表以WIA - PA無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為基礎(chǔ),采用 集成了 2.4 GHz射頻功能的CC2431作為主處理芯片,成本低,組網(wǎng)靈活,數(shù)據(jù)傳輸安全性及可靠性較高。 工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用表明,該無線壓力表可實(shí)現(xiàn)數(shù)百米的穩(wěn)定傳輸,且誤碼率小于1 %。
0.引言
在工業(yè)領(lǐng)域內(nèi),傳統(tǒng)的壓力儀表需要通過電纜 傳輸其采集到的數(shù)據(jù),成本高,并由此帶來人工費(fèi)用 和日后的維護(hù)費(fèi)用問題。另外,有些場合難以鋪設(shè) 電纜,若需要增加儀表,則必須重新挖開電纜溝鋪設(shè) 電纜,成本明顯上升。無線壓力儀表能很好地解決 傳統(tǒng)壓力儀表在有線傳輸方面的不足,成本低,數(shù)據(jù) 傳輸?shù)姆€(wěn)定性強(qiáng),安全性及可靠性高。
在常用的無線通信技術(shù)中，FM (Frequency Modulation)無線技術(shù)極易受到干擾,穩(wěn)定性欠佳；紅外無線傳輸技術(shù)對指向性要求很高,發(fā)送端和接 收端如果偏離角度或者有障礙物,就會(huì)出現(xiàn)不能傳 輸?shù)膯栴},再者其傳輸距離較短,一般不超過10 m; 藍(lán)牙技術(shù)傳輸數(shù)據(jù)量小,且需要交納專利費(fèi),提高了 開發(fā)成本。WIA - PA[1] (Wireless Networks for Industrial Automation - Process Automation)是我 國制定的用于過程自動(dòng)化的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)規(guī)范[2],支持 擴(kuò)頻通信與窄帶通信(433 MHz低頻頻段支持窄帶 通信,通信距離遠(yuǎn),繞障能力好;2. 4 GHz高頻頻段 支持?jǐn)U頻通信,通信速率高，抗干擾能力強(qiáng)）；采用 TDMA/ CSMA混合接入模式,支持周期性和非周 期性通信負(fù)載;具有TDMA、跳頻通信、自動(dòng)重傳機(jī) 制、Mesh路由、設(shè)備冗余等多種措施,通信可靠性 高；WIA - PA網(wǎng)絡(luò)的物理層和鏈路層基于 IEEE802. 15. 4標(biāo)準(zhǔn),符合該標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備都能加入 WIA - PA網(wǎng)絡(luò),組網(wǎng)方便快捷。因此，筆者基于WIA - PA工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)[3_4]技術(shù),開發(fā)了一種實(shí)用 的新型無線壓力儀表。
1. WIA- PA工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
WIA - PA工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)釆用星型-Mesh
兩層拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),如圖1所示。其中第一層為Mesh 結(jié)構(gòu)，由網(wǎng)關(guān)設(shè)備和路由設(shè)備構(gòu)成;第二層為星型結(jié) 構(gòu)，由路由設(shè)備及現(xiàn)場設(shè)備或者手持設(shè)備構(gòu)成。
2.無線壓力儀表概述
基于WIA - PA的無線壓力儀表是一款電池供 電、具有RS485通信功能的高精度智能儀表,適用 于軍工、工控等多種領(lǐng)域流體差壓、流量的檢測,也 可用作測量表壓[5]。與傳統(tǒng)的壓力儀表相比,該壓 力儀表增加了無線傳輸模塊,可無線連接到WIA - PA網(wǎng)絡(luò),無需現(xiàn)場布線,且由電池供電,方便使用。 無線壓力儀表通過檢測WIA - PA網(wǎng)絡(luò)中的超幀信 號(hào)加入WIA - PA網(wǎng)絡(luò),與路由設(shè)備構(gòu)成星型網(wǎng)絡(luò)。
該無線壓力儀表釆用128 X64點(diǎn)陣液晶顯示現(xiàn) 場數(shù)據(jù),釆用超低功耗設(shè)計(jì),可在現(xiàn)場使用1 a以 上;釆用金屬外殼及全密封防爆設(shè)計(jì),保證全天候無 憂作業(yè);使用2. 4 GHz ISM頻段傳送數(shù)據(jù),最大傳 輸速率為250 kbit/ s ,在無干擾的情況下,最大傳輸 距離為1 km;數(shù)據(jù)透明傳輸,一次傳遞數(shù)據(jù)包可達(dá) 127 B ,釆用硬件128位AES加密。
3.無線壓力儀表硬件設(shè)計(jì)
3.1 總體結(jié)構(gòu)
圖2為基于WIA - PA的無線壓力儀表的總體 結(jié)構(gòu),其包括傳感器數(shù)據(jù)釆集部分和數(shù)據(jù)無線發(fā)送 部分。在供電的情況下,傳感器釆集到的信號(hào)為模 擬信號(hào)。該信號(hào)要經(jīng)過信號(hào)米集板進(jìn)行放大及模數(shù) 轉(zhuǎn)換成為數(shù)字信號(hào),最終在液晶顯示屏上顯示出來。 經(jīng)信號(hào)釆集板處理后的數(shù)字信號(hào)能夠經(jīng)過SPI總線 傳送到數(shù)據(jù)無線發(fā)送部分的主電路板上。主電路板 的硬件電路設(shè)計(jì)在一個(gè)圓卡上,其能夠接收傳感器 釆集的數(shù)據(jù),對釆集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理,完成程 序下載,運(yùn)行程序,從而實(shí)現(xiàn)無線通信,還能夠管理 電源(包括電量測量與智能充電等）.
3.2主電路板
圖3為基于WIA - PA的無線壓力儀表的主電 路板組成原理。主電路板接收到傳感器釆集到的信 號(hào)后對其進(jìn)行RS485轉(zhuǎn)換，成為主處理芯片 CC2431所能接收的電平信號(hào)，并將其發(fā)送到 CC2431[6]。CC2431對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理后,根據(jù) WIA - PA協(xié)議在適當(dāng)?shù)臅r(shí)刻將該數(shù)據(jù)發(fā)送出去。 數(shù)據(jù)發(fā)送過程:CC2431先將數(shù)據(jù)傳送到天線放大 器CC2591 ,將其放大到2. 4 GHz的高頻段,然后通 過天線對數(shù)據(jù)進(jìn)行無線發(fā)送。在現(xiàn)場工業(yè)環(huán)境中， 信號(hào)可能會(huì)受到多種因素的干擾,使用CC2591可 提高無線壓力儀表的抗干擾能力。此外,天線能將 接收到的信號(hào)傳送到CC2431 ,CC2431對該信號(hào)處 理后,根據(jù)WIA - PA協(xié)議完成相關(guān)的處理操作。 這樣無線壓力儀表就實(shí)現(xiàn)了其與基站或路由設(shè)備之 間的數(shù)據(jù)通信。
3.2. 1電池管理模塊
無線壓力儀表的電池管理模塊釆用MAX8677 芯片。MAX8677具有智能充電功能,當(dāng)CC2431檢 測到電池電量不能滿足無線壓力儀表的工作要求 時(shí),通過MAX8677為電池充電。充電方式有兩種： AC充電和USB充電。當(dāng)電池溫度過高或者電池 充滿時(shí),MAX8677能自動(dòng)取消充電。另外,主電路 板中釆用了穩(wěn)壓器MAX8881與TPS77033 ,以得到 滿足無線壓力儀表正常工作的穩(wěn)定電壓.
3.2.2無線通信模塊
無線通信模塊由天線放大器CC2591、低頻射頻 收發(fā)器CC1101和主處理芯片CC2431組成。在無 線通信模塊中釆用低頻和高頻兩種頻段。一般情況 下釆用高頻2.4 GHz,當(dāng)2.4 GHz頻段繁忙時(shí),可 通過低頻433 Hz來保證電路的正常工作。為了擴(kuò) 大射頻范圍,釆用了 CC2591天線放大器。同時(shí), CC2431通過UART轉(zhuǎn)RS485接口與現(xiàn)場設(shè)備通 信,以讀取和監(jiān)督現(xiàn)場設(shè)備的工作狀態(tài)。CC2431 具有高性能、低功耗的8051微控制器內(nèi)核,能夠滿 足2.4 GHz IEEE 802. 15.4射頻收發(fā)要求，同時(shí)具 有極高的接收靈敏度和抗干擾性能,且擁有高級(jí)加 密標(biāo)準(zhǔn)(AES)協(xié)處理器,保證了通信的安全性。
3.2.3 信號(hào)流
圖4為基于WIA - PA的無線壓力儀表信號(hào) 流。從圖4可看出,信號(hào)釆集板將數(shù)字信號(hào)傳送到 主電路板上的RS485接口進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換,之后數(shù)據(jù) 進(jìn)入CC2431 ,根據(jù)WIA - PA協(xié)議,CC2431在適當(dāng) 時(shí)刻將數(shù)據(jù)包發(fā)送至CC2591 ,最后經(jīng)天線發(fā)送出 去。CC2591相當(dāng)于一個(gè)高頻信號(hào)發(fā)射器,能夠加 大發(fā)送信號(hào)的強(qiáng)度,從而大大降低了無線通信過程 中所受外界干擾的影響。接收數(shù)據(jù)時(shí)信號(hào)流動(dòng)過程 與此相反。
4.無線壓力儀表軟件設(shè)計(jì)
4.1WIA-PA協(xié)議層次
WIA - PA協(xié)議層次結(jié)構(gòu)遵循ISO/ OSI層次結(jié) 構(gòu),其基于IEEE802. 15.4的物理層和MAC層,并定義了數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層,如圖5所示。
4.2程序流程
圖6為基于WIA - PA的無線壓力儀表程序流 程。該程序首先初始化硬件部分,即關(guān)閉所有的中 斷,初始化硬件端口，設(shè)置定時(shí)器,設(shè)置系統(tǒng)的時(shí)鐘 基準(zhǔn),設(shè)置DMA (包括使用DMA Configure數(shù)組記 錄DMA配置和設(shè)置DMA配置結(jié)構(gòu)體的地址），設(shè) 置通道,初始化串口 UART ,設(shè)置射頻,設(shè)置中斷的 優(yōu)先級(jí)。硬件初始化完成后,開始運(yùn)行軟件初始化 程序 。
軟件初始化包括初始化全局系統(tǒng)狀態(tài)字節(jié)、初 始化定時(shí)器的值、設(shè)置信道和同步時(shí)隙、準(zhǔn)備信標(biāo)幀、初始化任務(wù)鏈表為NULL、初始化設(shè)備屬性、設(shè) 置需要周期更新的屬性、設(shè)置壓力表站號(hào)、啟動(dòng) DMA、啟動(dòng)時(shí)鐘。軟件設(shè)置完成后，根據(jù)WIA - PA協(xié)議,無線壓力儀表即可申請入網(wǎng)了。
無線壓力儀表申請入網(wǎng)流程:無線壓力儀表向 WIA - PA網(wǎng)絡(luò)發(fā)送入網(wǎng)請求,之后進(jìn)入等待階段, 若入網(wǎng)請求被拒絕,其可休眠一段時(shí)間,然后再次發(fā) 送入網(wǎng)請求并等待回復(fù);若入網(wǎng)請求得到同意,則無 線壓力儀表會(huì)收到同意入網(wǎng)的數(shù)據(jù)包,該數(shù)據(jù)包中 包含分配給該無線壓力儀表的地址和信道號(hào)，以及 一些資源信號(hào),如超幀長度、時(shí)隙數(shù)、在哪個(gè)時(shí)隙發(fā) 送數(shù)據(jù)、在哪個(gè)時(shí)隙等待接收數(shù)據(jù)、在哪個(gè)時(shí)隙準(zhǔn)備 在發(fā)送時(shí)隙發(fā)送的數(shù)據(jù)、發(fā)送數(shù)據(jù)的周期時(shí)間等。
無線壓力儀表成功入網(wǎng)后,可以和路由設(shè)備正 常通信。路由設(shè)備可將無線壓力儀表數(shù)據(jù)發(fā)送至網(wǎng) 關(guān),網(wǎng)關(guān)可連接主控計(jì)算機(jī),從而在主控計(jì)算機(jī)上獲 得無線壓力儀表在現(xiàn)場米集的數(shù)據(jù)。
當(dāng)不需要無線壓力儀表工作時(shí)，網(wǎng)關(guān)設(shè)備可以 發(fā)送指令,通知無線壓力儀表進(jìn)入休眠狀態(tài),以降低 能耗。需要釆集數(shù)據(jù)時(shí)，網(wǎng)關(guān)設(shè)備向無線壓力儀表 發(fā)送指令將其喚醒。
5.結(jié)語
基于WIA - PA的無線壓力儀表釆用CC2431作為主控制芯片,不僅具有傳統(tǒng)壓力儀表的優(yōu)點(diǎn),而且沒有現(xiàn)場布線的成本花費(fèi),安裝靈活,功耗低,數(shù) 據(jù)通信安全性及可靠性較高,還具有良好的開放性。
目前,該無線壓力儀表已在工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用，經(jīng)測試，其可實(shí)現(xiàn)數(shù)百米的穩(wěn)定傳輸,誤碼率小于1 %。
