基于WIA-PA的無(wú)線壓力表設(shè)計(jì)
針對(duì)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(wèn)題,詳細(xì)介紹了一種基于 WIA - PA的無(wú)線壓力儀表的軟、硬件設(shè)計(jì)方案。該無(wú)線壓力儀表以WIA - PA無(wú)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(chǎng)應(yīng)用表明,該無(wú)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(guò)電纜 傳輸其采集到的數(shù)據(jù),成本高,并由此帶來(lái)人工費(fèi)用 和日后的維護(hù)費(fèi)用問(wèn)題。另外,有些場(chǎng)合難以鋪設(shè) 電纜,若需要增加儀表,則必須重新挖開(kāi)電纜溝鋪設(shè) 電纜,成本明顯上升。無(wú)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(wú)線通信技術(shù)中，FM (Frequency Modulation)無(wú)線技術(shù)極易受到干擾,穩(wěn)定性欠佳；紅外無(wú)線傳輸技術(shù)對(duì)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?wèn)題,再者其傳輸距離較短,一般不超過(guò)10 m; 藍(lán)牙技術(shù)傳輸數(shù)據(jù)量小,且需要交納專(zhuān)利費(fèi),提高了 開(kāi)發(fā)成本。WIA - PA[1] (Wireless Networks for Industrial Automation - Process Automation)是我 國(guó)制定的用于過(guò)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(wú)線網(wǎng)絡(luò)[3_4]技術(shù),開(kāi)發(fā)了一種實(shí)用 的新型無(wú)線壓力儀表。
1. WIA- PA工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
WIA - PA工業(yè)無(wú)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(chǎng)設(shè)備或者手持設(shè)備構(gòu)成。
2.無(wú)線壓力儀表概述
基于WIA - PA的無(wú)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(cè),也 可用作測(cè)量表壓[5]。與傳統(tǒng)的壓力儀表相比,該壓 力儀表增加了無(wú)線傳輸模塊,可無(wú)線連接到WIA - PA網(wǎng)絡(luò),無(wú)需現(xiàn)場(chǎng)布線,且由電池供電,方便使用。 無(wú)線壓力儀表通過(guò)檢測(cè)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(wú)線壓力儀表釆用128 X64點(diǎn)陣液晶顯示現(xiàn) 場(chǎng)數(shù)據(jù),釆用超低功耗設(shè)計(jì),可在現(xiàn)場(chǎng)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(wú) 憂(yōu)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(wú)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(wú)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(wú)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(wú)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(guò)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(lái)。 經(jīng)信號(hào)釆集板處理后的數(shù)字信號(hào)能夠經(jīng)過(guò)SPI總線 傳送到數(shù)據(jù)無(wú)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(duì)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(wú)線通信,還能夠管理 電源(包括電量測(cè)量與智能充電等）.
3.2主電路板
圖3為基于WIA - PA的無(wú)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(duì)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(duì)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(guò)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(guò)天線對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)線發(fā)送。在現(xiàn)場(chǎng)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(wú)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(duì)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(wú)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(wú)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(cè)到電池電量不能滿(mǎn)足無(wú)線壓力儀表的工作要求 時(shí),通過(guò)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(guò)高或者電池 充滿(mǎn)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(mǎn)足無(wú)線壓力儀表正常工作的穩(wěn)定電壓.
3.2.2無(wú)線通信模塊
無(wú)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(wú) 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(guò)低頻433 Hz來(lái)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(guò)UART轉(zhuǎn)RS485接口與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備通 信,以讀取和監(jiān)督現(xiàn)場(chǎng)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(mǎn) 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(wú)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(wú)線通信過(guò)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(guò)程 與此相反。
4.無(wú)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(wú)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(kāi)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(wú)線壓力儀表即可申請(qǐng)入網(wǎng)了。
無(wú)線壓力儀表申請(qǐng)入網(wǎng)流程:無(wú)線壓力儀表向 WIA - PA網(wǎng)絡(luò)發(fā)送入網(wǎng)請(qǐng)求,之后進(jìn)入等待階段, 若入網(wǎng)請(qǐng)求被拒絕,其可休眠一段時(shí)間,然后再次發(fā) 送入網(wǎng)請(qǐng)求并等待回復(fù);若入網(wǎng)請(qǐng)求得到同意,則無(wú) 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(wú)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(zhǎng)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(wú)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(wú)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(wú)線壓力儀表在現(xiàn)場(chǎng)米集的數(shù)據(jù)。
當(dāng)不需要無(wú)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(wú)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(wú)線壓力儀表 發(fā)送指令將其喚醒。
5.結(jié)語(yǔ)
基于WIA - PA的無(wú)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(méi)有現(xiàn)場(chǎng)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(kāi)放性。
目前,該無(wú)線壓力儀表已在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，經(jīng)測(cè)試，其可實(shí)現(xiàn)數(shù)百米的穩(wěn)定傳輸,誤碼率小于1 %。
