基于WIA-PA的無線壓力表設計
針對傳統的工業壓力表需鋪設電纜進行數據傳輸而導致的高成本問題,詳細介紹了一種基于 WIA - PA的無線壓力儀表的軟、硬件設計方案。該無線壓力儀表以WIA - PA無線網絡技術為基礎,采用 集成了 2.4 GHz射頻功能的CC2431作為主處理芯片,成本低,組網靈活,數據傳輸安全性及可靠性較高。 工業現場應用表明,該無線壓力表可實現數百米的穩定傳輸,且誤碼率小于1 %。
0.引言
在工業領域內,傳統的壓力儀表需要通過電纜 傳輸其采集到的數據,成本高,并由此帶來人工費用 和日后的維護費用問題。另外,有些場合難以鋪設 電纜,若需要增加儀表,則必須重新挖開電纜溝鋪設 電纜,成本明顯上升。無線壓力儀表能很好地解決 傳統壓力儀表在有線傳輸方面的不足,成本低,數據 傳輸的穩定性強,安全性及可靠性高。
在常用的無線通信技術中，FM (Frequency Modulation)無線技術極易受到干擾,穩定性欠佳；紅外無線傳輸技術對指向性要求很高,發送端和接 收端如果偏離角度或者有障礙物,就會出現不能傳 輸的問題,再者其傳輸距離較短,一般不超過10 m; 藍牙技術傳輸數據量小,且需要交納專利費,提高了 開發成本。WIA - PA[1] (Wireless Networks for Industrial Automation - Process Automation)是我 國制定的用于過程自動化的工業網絡規范[2],支持 擴頻通信與窄帶通信(433 MHz低頻頻段支持窄帶 通信,通信距離遠,繞障能力好;2. 4 GHz高頻頻段 支持擴頻通信,通信速率高，抗干擾能力強）；采用 TDMA/ CSMA混合接入模式,支持周期性和非周 期性通信負載;具有TDMA、跳頻通信、自動重傳機 制、Mesh路由、設備冗余等多種措施,通信可靠性 高；WIA - PA網絡的物理層和鏈路層基于 IEEE802. 15. 4標準,符合該標準的設備都能加入 WIA - PA網絡,組網方便快捷。因此，筆者基于WIA - PA工業無線網絡[3_4]技術,開發了一種實用 的新型無線壓力儀表。
1. WIA- PA工業無線網絡結構
WIA - PA工業無線網絡釆用星型-Mesh
兩層拓撲結構,如圖1所示。其中第一層為Mesh 結構，由網關設備和路由設備構成;第二層為星型結 構，由路由設備及現場設備或者手持設備構成。
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、工控等多種領域流體差壓、流量的檢測,也 可用作測量表壓[5]。與傳統的壓力儀表相比,該壓 力儀表增加了無線傳輸模塊,可無線連接到WIA - PA網絡,無需現場布線,且由電池供電,方便使用。 無線壓力儀表通過檢測WIA - PA網絡中的超幀信 號加入WIA - PA網絡,與路由設備構成星型網絡。
該無線壓力儀表釆用128 X64點陣液晶顯示現 場數據,釆用超低功耗設計,可在現場使用1 a以 上;釆用金屬外殼及全密封防爆設計,保證全天候無 憂作業;使用2. 4 GHz ISM頻段傳送數據,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;數據透明傳輸,一次傳遞數據包可達 127 B ,釆用硬件128位AES加密。
3.無線壓力儀表硬件設計
3.1 總體結構
圖2為基于WIA - PA的無線壓力儀表的總體 結構,其包括傳感器數據釆集部分和數據無線發送 部分。在供電的情況下,傳感器釆集到的信號為模 擬信號。該信號要經過信號米集板進行放大及模數 轉換成為數字信號,最終在液晶顯示屏上顯示出來。 經信號釆集板處理后的數字信號能夠經過SPI總線 傳送到數據無線發送部分的主電路板上。主電路板 的硬件電路設計在一個圓卡上,其能夠接收傳感器 釆集的數據,對釆集到的數據進行分析處理,完成程 序下載,運行程序,從而實現無線通信,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 號后對其進行RS485轉換，成為主處理芯片 CC2431所能接收的電平信號，并將其發送到 CC2431[6]。CC2431對數據進行分析處理后,根據 WIA - PA協議在適當的時刻將該數據發送出去。 數據發送過程:CC2431先將數據傳送到天線放大 器CC2591 ,將其放大到2. 4 GHz的高頻段,然后通 過天線對數據進行無線發送。在現場工業環境中， 信號可能會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 接收到的信號傳送到CC2431 ,CC2431對該信號處 理后,根據WIA - PA協議完成相關的處理操作。 這樣無線壓力儀表就實現了其與基站或路由設備之 間的數據通信。
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CC2431檢 測到電池電量不能滿足無線壓力儀表的工作要求 時,通過MAX8677為電池充電。充電方式有兩種： AC充電和USB充電。當電池溫度過高或者電池 充滿時,MAX8677能自動取消充電。另外,主電路 板中釆用了穩壓器MAX8881與TPS77033 ,以得到 滿足無線壓力儀表正常工作的穩定電壓.
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2.4 GHz頻段繁忙時,可 通過低頻433 Hz來保證電路的正常工作。為了擴 大射頻范圍,釆用了 CC2591天線放大器。同時, CC2431通過UART轉RS485接口與現場設備通 信,以讀取和監督現場設備的工作狀態。CC2431 具有高性能、低功耗的8051微控制器內核,能夠滿 足2.4 GHz IEEE 802. 15.4射頻收發要求，同時具 有極高的接收靈敏度和抗干擾性能,且擁有高級加 密標準(AES)協處理器,保證了通信的安全性。
3.2.3 信號流
圖4為基于WIA - PA的無線壓力儀表信號 流。從圖4可看出,信號釆集板將數字信號傳送到 主電路板上的RS485接口進行格式轉換,之后數據 進入CC2431 ,根據WIA - PA協議,CC2431在適當 時刻將數據包發送至CC2591 ,最后經天線發送出 去。CC2591相當于一個高頻信號發射器,能夠加 大發送信號的強度,從而大大降低了無線通信過程 中所受外界干擾的影響。接收數據時信號流動過程 與此相反。
4.無線壓力儀表軟件設計
4.1WIA-PA協議層次
WIA - PA協議層次結構遵循ISO/ OSI層次結 構,其基于IEEE802. 15.4的物理層和MAC層,并定義了數據鏈路層、網絡層和應用層,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,即關閉所有的中 斷,初始化硬件端口，設置定時器,設置系統的時鐘 基準,設置DMA (包括使用DMA Configure數組記 錄DMA配置和設置DMA配置結構體的地址），設 置通道,初始化串口 UART ,設置射頻,設置中斷的 優先級。硬件初始化完成后,開始運行軟件初始化 程序 。
軟件初始化包括初始化全局系統狀態字節、初 始化定時器的值、設置信道和同步時隙、準備信標幀、初始化任務鏈表為NULL、初始化設備屬性、設 置需要周期更新的屬性、設置壓力表站號、啟動 DMA、啟動時鐘。軟件設置完成后，根據WIA - PA協議,無線壓力儀表即可申請入網了。
無線壓力儀表申請入網流程:無線壓力儀表向 WIA - PA網絡發送入網請求,之后進入等待階段, 若入網請求被拒絕,其可休眠一段時間,然后再次發 送入網請求并等待回復;若入網請求得到同意,則無 線壓力儀表會收到同意入網的數據包,該數據包中 包含分配給該無線壓力儀表的地址和信道號，以及 一些資源信號,如超幀長度、時隙數、在哪個時隙發 送數據、在哪個時隙等待接收數據、在哪個時隙準備 在發送時隙發送的數據、發送數據的周期時間等。
無線壓力儀表成功入網后,可以和路由設備正 常通信。路由設備可將無線壓力儀表數據發送至網 關,網關可連接主控計算機,從而在主控計算機上獲 得無線壓力儀表在現場米集的數據。
當不需要無線壓力儀表工作時，網關設備可以 發送指令,通知無線壓力儀表進入休眠狀態,以降低 能耗。需要釆集數據時，網關設備向無線壓力儀表 發送指令將其喚醒。
5.結語
基于WIA - PA的無線壓力儀表釆用CC2431作為主控制芯片,不僅具有傳統壓力儀表的優點,而且沒有現場布線的成本花費,安裝靈活,功耗低,數 據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現場應用，經測試，其可實現數百米的穩定傳輸,誤碼率小于1 %。
