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符合WIA-PA 协议的无线压力变送器的设计

来源:本站 编辑:admin 发布时间:2020-05-17 20:15:28 文章点击数:474

摘要:通过研究WIA-PA无线通信模块的用户操作接口,并根据智能压力变送器的特点,在解决了低功耗、电池、抗干扰、高环境适应性等诸多技术难点的基础上,完成了一款符合WIA-PA协议的无线压力变送器设计。

关键字! WIA-PA;智能压力变送器;802.15.4; 无线仪表

中国分类号:TP212文献标识码:A 

Design of wireless Pressure transmitter conforms to WIA-PA

Abstract: After studying the user operation interface of WIAPA—M1800 wireless communication module, ac¬cording to the characteristics of the smart pressure trans¬mitter, and solving some technical difficulties, such as low power consumption, battery, anti-interference, high en¬vironmental adaptability, etc. A wireless pressure trans¬ducer design based on WIA - PA protocol is completed. Key words: WIA —PA; smart pressure measurement; 802.15.4; wireless instrument    

引言

工业无线技术是在无线传感器网络的基础上,专门用于工业环境的无线通信技术。通信具有抗干扰能力强、超低功耗、实时通信、易扩展等优势,能够满足工厂自动化检测、控制一些环境恶劣、布线困难、高腐蚀高污染等场合的过程参数和设备状态。压力 变送器作力测控系统中一个常用单元,将其无线化具有重要意义。智能无线网络WIA (Wireless Networks for Industrial Automation)技术是由中国科学院沈阳自动化研究所等机构推出的具有自主知识产权的高可靠、超低功耗的自组织多跳无线传感器网络技术[1] 。本文基于WIA-PA无线模块,提出了一种基于WIA-PA技术的无线压力变送器的设计方案。

1 、 WIA-PA 技术

WIA -PA ( Wireless Networks for Industrial Au¬tomation—Process Automation)规范是WIA 的子标准[2]。WIA—PA采用Star—Mesh两层拓扑结构,分层组织模式;自适应的跳频模式、自动重传机制;基于IEEE802.15.4标准[3]、兼容无线HART标准;TDMA/CSMA混合接人模式;Mesh结构中采用集中 式管理,Star结构中采用分布式管理等技术,能够保 持网络的可靠性和稳定性。用户可以方便地使用、管理,而无需较高的专业知识[4]。

WIA-PA包含5种物理设备:主控计算机、网关设备、路由设备、现场设备和手持设备。网络中有一些冗余的路由设备和网关设备来提高可靠性[5]。WIA-PA网络支持星网混合型或星型的网络拓扑结构。其典型的拓扑结构示例如图1所示,在路由设备和网关设备之间建立起来的是网型结构,在路由设备和现场设备(手持设备)之间建立起来的是星型结构。

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图2为WIA-PA协议栈结构。对比OSI基本参考模型,其协议栈结构有物理层、数据链路层、网络层和应用层,其他的层可由协议自定义。物理层和数据链路层是基于IEEE 802.15.4的基础协议,数据链路层提供传输报文格式、传输信道功能检测等服务,网 络层主要用于网络管理,应用层则主要为用户提供应用服务。

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2、无线压力变送器的硬件设计

符合WIA-PA协议的压力变送器是WIA无线网络控制系统的基本单元,它采用了差动电容作为检测元件,测量部件采用电容膜盒,结构简单、性能稳定、可靠。上海自动化仪表股份有限公司的仪表采用“仪表卡+通信卡”双模块结构。在无线仪表的仪表模块和通信模块间,采用主从式时间同步算法进行休眠状态协同,解决仪表模块和通信模块间频繁相互唤醒,功耗较高的问题;在通信模块与电源模块间,利用通信模块的收发状态控制电池模块的大电流输出,实现电池模块的防爆,使仪表在具备防爆要求的危险场合在线更换电池成为可能。

以MSP430为核心设计的结构框图如图3所示。仪表模块包括A/D转换、MSP430单片机、参考电压源和E2PROM,主要功能是负责采集、处理和发送压力信号等命令信号,即采集传感器送来的压力值后,经计算、滤波后送至处理器,处理器将数据按帧格式打包后,通过串口送至WIA-PA无线通信模块;无线通信模块主要负责将采集的数据实时发送给网关和将网关发送过来的采集命令下传给仪表模块。

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仪表采用双模块形式,其中仪表模块选用低功耗的单片机作为压力变送器数据处理单元的核心,MSP430是超低功耗型16位单片机的代表,它采用精简指令集结构,其片内外围丰富,程序和数据存储区也比较大,是一种性价比很高的微处理器[6],并根据需求构建了外围电路。

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通信模块采用中国科学院沈阳自动化研究所自主研发的基于WIA-PA技术的无线通信模块,射频部分主要使用了符合IEEE 802.15.4标准的无线射频芯片,处理数据部分使用微控制器MSP430系列,为了能在户外传播更远距离,提高发射功率和接收灵敏度,模块的射频前端有功率放大器和低噪声放大器。 模块最小电流只有30mA,为无线设备低功耗提供了使用寿命,很适合用在工业控制等领域。图4为无线模块的外部引脚示意图。

MSP430与无线模块的之间通过异步串行方式进行数据通信。MSP430有两个UART接口,本课题中采用的UART0。UART0由RXD0和TXD0两个串行输人输出引脚组成,RXD0是用于数据接收的输人引脚,TXD0是用于数据发送的输出引脚。如图5所示,将 MSP430的RXD0和TXD0分别接到无线模块的TXD和RXD,即可实现仪表模块和无线模块之间的通信。

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供电模块结构示意图如图6所示。无线仪表采用电池方式供电,将3.7V、1600mAh容量锂电池用两节串联、并联的形式,提供7.4V、6400mAh大容量、高稳定性供电。电池组需要为仪表模块和通信模块双卡供电,仪表模块需要5V供电,而通信模块是3V供电,故先将7.4V电压通过转换为5V,这样解决了仪表模块的供电问题,再将5V电压转换为3V电压为通信模块供电。另外,根据锂电池的特性,锂电芯放电时要有电压下限,否则会对锂电池造成不可修复的损害,即当电源模块的电芯电压低于2.4V时,部分材料会开始损坏,电池自身也会自放电,放愈久电压会愈低。因此,电源模块还需加一个电压比较单元来实时检测放电电压,当截止电压5V到来时,将供电切断来实施低电压保护。

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3、无线压力变送器的软件设计

上海自动化仪器仪表销售中心的无线压力变送器仪表卡设计了通用基础程序来完成压力变送器的基本功能,这些基础程序包括:差压信号采集子程序,多信号处理子程序,多传感器线性化子程序,差压传感器温度、工程量转换子程序,显示子程序,基本参数组态子程序,信号输出子程序,基础通讯子程序等,由上述子程序构成一个多变量信号处理程序,与微处理器构成的检测电路配合来完 成各种预定的基本功能。

对比传统的有线仪表的数据线传输,无线仪表是通过WIA-PA无线模块和无线网关,利用WIA-PA技术来实现数据帧和应答帧的无线传输。通信过程中,物理层和MAC层的功能由模块芯片实现,网络层 功能由WIA-PA软件协议栈完成。无线模块采用的是异步串行通信接口,通常情况下处于低功耗模式,当接收到仪表模块送来的有效起始位后,处理器被唤醒,然后按照通用串行接口控制寄存器中设定的数据格式接收,一帧一帧的将字符采集完毕。在微处理器与无线模块之间的所有报文全部以HDLC包格式成帧,对应每个命令成一帧。

为保证数据传输的实时性,通信的全部工作都在中断中执行,包括数据的接收、打包与报文处理。仪表模块的接收数据流程图见图7(a)所示,当仪表刚上电时,无线模块发送给仪表模块它的64位长地址,仪表模块设置一个志通知程序有数据到来,接收中断服务程序从接收缓存寄存器中读取数据,待读完整后将得到的数据帧放到相应帧结构中解析,同时再设置标志复位。仪表模块的发送数据流程图见图7(b)所示,当定时器中断到来时,仪表模块从低功耗模式中回到活动模式,设置一个发送标志并触发发送中断,进入发送中断服务程序,首先进行模数转换等物位数据的处理和验证,然后通过发送缓冲寄存器发给无线模块。无线模块首先从低功耗模式醒来并且自动接收仪表模块来的数据,接收之后进行CRC校验, 若没有错误则无线发送给网关,一次物位数据传输结束。

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结束语

经测试,本文设计的无线压力变送器符合WIA-PA协议,使用WIA-PA

无线智能自组织网络技术,可接入无线通信网络,无需网络布线,降低安装成本,数据传输的成功率高达99%以上,能适应测量的基本要求。目前,此款无线压力变送器已在新疆油田公司风城油田项目上使用,受到用户好评。无线网络比有线网络更容易扩展和升级,特别适用于工业过程及其自动化等领域,相信基于WIA-PA技术的其他工业现场仪表都将具有很好的应用前景。

参考文献

[1]  梁炜,张晓玲.用于过程自动化 的工业无线网络系统结构与通信规范 [J].仪器仪表标准化与计量,2009 (2): 30-36.

[2]  Zhong T,Mengjin C,Peng Z, Hong W. Real - time communication in WIA —PA industrial wireless networks [C] . Computer Science and Information Technology (ICCSIT),2010.

[3]   IEEE Standard for Information

technology  --  Local and metropolitan area networks-- Specific requirements-- Part 15.4:    Wireless Medium Access

Control ( MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications for Low Rate Wireless Personal Area Networks (WPANs) [EB/OL] . 2006.

[4]   彭瑜.工业无线标准WIA-PA 的特点分析和应用展望[J].自动化仪 表,2010.1:1—9.

[5] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局,中国国家标准化管理委员会.GB/T26790 —2011.中华人民共和国国家标准:工业无线网络WIA规范 第1部分:用于过程自动化的WIA系统结构与通信规范.北京:中国标准出版社,2011.

[6]   廖明燕,崔凤新,郑金吾.基于MSP430的多处理器通信技术研究[J]. 微处理机,2006.27 (1) :86—91.

1 “863”计划资助(2011AA040103)


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