WIA-PA無線溫度變送器的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

賈書庭1,王凱2,王亞剛1

(1.上海理工大學(xué) 光電信息與計算機(jī)工程學(xué)院,上海200093;2.上海理工大學(xué) 上海出版印刷高等?？茖W(xué)校,上海200093)

摘要針對某些工業(yè)現(xiàn)場布線困難和分布分散等問題,設(shè)計了一種基于WIA-PA技術(shù)以高性能、低功耗的16位微控制器MSP430F5438A為核心的無線溫度變送器。搭建了熱電偶測溫電路,對熱電偶進(jìn)行冷端補(bǔ)償,設(shè)計無線模塊和溫度采集模塊的通信程序,并對溫度采集進(jìn)行測試。測試結(jié)果表明,該無線溫度變送器通信穩(wěn)定可靠,且測量精度能保持在5‰以內(nèi)。

關(guān)鍵詞WIA-PA;MSP430;無線溫度變送器;熱電偶

收稿日期:2015-01-20

作者簡介:賈書庭(1990—),男,碩士研究生。研究方向:工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò),自動化儀表,工業(yè)控制。E-mail:598516567@qq.com。王凱(1973—),男,高級工程師,碩士研究生導(dǎo)師。研究方向:工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò),智能儀表,工業(yè)控制。王亞剛(1967—),男,教授。研究方向:工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò),先進(jìn)過程控制,復(fù)雜多變量系統(tǒng)辨識。

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2015.09.022

中圖分類號TP212

Design and Implementation of Wireless Temperature Transducer Based on WIA-PA

JIA Shuting1,WANG Kai2,WANG Yagang1

(1.School of Optical-Electrical and Computer Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,

Shanghai 200093,China;2.Shanghai Publishing and Printing College,University of Shanghai for

Science and Technology,Shanghai 200093,China)

AbstractAiming at difficult wiring and scattered distribution in some industrial fields,this paper briefly introduces the WIA-PA technology,and designs a wireless temperature transducer based on WIA-PA with the high performance and low power consumption 16-bit MCU MSP430F5438A as the core.Thermocouple temperature measurement circuit is built for compensation of the thermocouple at the cold terminal.The designs of communication program between wireless and temperature acquisition module are given.Tests on temperature acquisition prove that the wireless temperature transducer can communicate stably and reliably with a measuring precision within 5‰.

KeywordsWIA-PA;MSP430;wireless temperature transducer;thermocouple

工業(yè)無線技術(shù)被稱為工業(yè)控制領(lǐng)域的革命性技術(shù),專門用于工業(yè)環(huán)境的無線通信技術(shù),其面向設(shè)備間短距離低速率的信息交互,是降低自動化成本、提高自動化系統(tǒng)應(yīng)用范圍的最有潛力的技術(shù)[1]。工業(yè)無線技術(shù)使用戶在目前有線的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步擴(kuò)大了檢測范圍,尤其是在接線困難或分布分散的檢測區(qū)域,例如管道、罐區(qū)、野外等場合,通過采用無線傳輸?shù)姆绞?將多重變量、診斷、設(shè)備狀態(tài)等各種數(shù)據(jù)信息發(fā)送到控制室[2]。WIA-PA(Wireless Networks for Industrial Automation Process Automation)標(biāo)準(zhǔn)是中國工業(yè)無線聯(lián)盟針對過程自動化領(lǐng)域指定的WIA子標(biāo)準(zhǔn)[3],是具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)、符合我國工業(yè)應(yīng)用國情的一種無線標(biāo)準(zhǔn)體系,是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的用于工業(yè)過程測量、監(jiān)視與控制的無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

相較于同為工業(yè)無線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的HART而言,WIA-PA的技術(shù)支持力度、相關(guān)開發(fā)工具更多,因此本文采用WIA-PA技術(shù),結(jié)合熱電偶、A/D轉(zhuǎn)換器構(gòu)成測溫裝置,采用MSP430F5438A單片機(jī)設(shè)計了一種無線溫度變送器。

1WIA-PA概述

WIA-PA標(biāo)準(zhǔn)是由863先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域《工業(yè)無線技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)化測控系統(tǒng)研究與開發(fā)》項目(2007AA041201)提出。參加該項目的有中科院沈陽自動化研究所、北科大、浙大、重慶郵電大學(xué)、上海工業(yè)儀表自動化研究院等。WIA-PA具有以下重要特點(diǎn)。

1.1　基于網(wǎng)狀及星型混合網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/h2>

WIA-PA為兩層拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),其下層為星型結(jié)構(gòu),由簇首和簇成員構(gòu)成;上層為網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),由網(wǎng)關(guān)和各簇首(兼作路由設(shè)備)構(gòu)成。這樣的設(shè)計保證簇成員不必選擇傳輸路徑,僅一跳即可將測量信息傳送給簇首,克服了網(wǎng)狀拓?fù)鋫魉脱舆t的不確定性;又能利用網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)部署的靈活性和多路徑抗干擾的能力,平衡了工業(yè)自動化要求無線傳輸確定性和可靠性的矛盾。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1.2　IEEE 802．15．4協(xié)議體系

WIA-PA完全采用IEEE 802．15．4協(xié)議體系,這是因為該體系是當(dāng)前無線短程網(wǎng)的主流協(xié)議體系,所有工業(yè)用、民用和軍用的無線體系協(xié)議幾乎都在物理層和MAC層遵循其規(guī)范,而在數(shù)據(jù)鏈路子層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層上則各自自行定義。

1.3　集中和分布式混合管理架構(gòu)

WIA-PA網(wǎng)絡(luò)中使用集中式管理和分布式管理相結(jié)合的管理架構(gòu)。集中式管理由網(wǎng)絡(luò)管理者和安全管理者集中完成,它們直接管理路由設(shè)備和現(xiàn)場設(shè)備。在網(wǎng)絡(luò)管理者和安全管理者直接對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行管理時,路由設(shè)備只執(zhí)行管理信息的轉(zhuǎn)發(fā),不承擔(dān)簇首角色。分布式管理由網(wǎng)絡(luò)管理者/安全管理者和簇首共同完成,網(wǎng)絡(luò)管理者/安全管理者直接管理路由設(shè)備,并將對現(xiàn)場設(shè)備的管理權(quán)限下放給路由設(shè)備,路由設(shè)備承擔(dān)簇首角色,執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)管理者/安全管理者代理的功能。這一設(shè)計克服了全網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的網(wǎng)管采用集中管理的可能弊端,便于維護(hù)網(wǎng)絡(luò)長期可靠的運(yùn)行[4]。

1.4　集中式管理架構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)管理者主要負(fù)責(zé)集中管理功能,即構(gòu)建和維護(hù)由路由設(shè)備構(gòu)成的Mesh結(jié)構(gòu);分配Mesh結(jié)構(gòu)中路由設(shè)備之間通信所需資源;預(yù)分配路由設(shè)備可向下分配給構(gòu)成Star結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場設(shè)備的資源;檢測WIA-PA網(wǎng)絡(luò)性能,包括設(shè)備狀態(tài)、路由健康狀態(tài)和信道狀況。Mesh結(jié)構(gòu)的集中式管理架構(gòu)如圖2所示。

綜上所述,WIA-PA是一種經(jīng)過實(shí)際應(yīng)用驗證的、適合于復(fù)雜工業(yè)環(huán)境應(yīng)用的無線通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。其在時間上(時分多址TDMA)、頻率上(FHSS跳頻機(jī)制)和空間上(基于網(wǎng)狀及星型混合網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫纬傻目煽柯窂絺鬏?的綜合靈活性,使這個相對簡單但又有效的協(xié)議具有嵌入式的自組織和自愈能力,大幅降低了安裝的復(fù)雜性,確保了無線網(wǎng)絡(luò)具有長期且可預(yù)期的性能[5]。

圖2　Mesh結(jié)構(gòu)的集中式管理架構(gòu)

2無線溫度變送器的硬件設(shè)計

無線溫度變送器的功能主要是進(jìn)行溫度測量、就地顯示、經(jīng)WIA-PA網(wǎng)絡(luò)傳送數(shù)據(jù)和必要的設(shè)定操作。因此無線溫度變送器的硬件結(jié)構(gòu)由熱電偶、放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、冷端補(bǔ)償、電源模塊、MSP430單片機(jī)、液晶顯示電路和射頻電路等部分構(gòu)成,其結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3　無線溫度變送器結(jié)構(gòu)框圖

該變送器的工作原理是:熱電偶將感測的溫度信號變換成電壓信號,經(jīng)大電路放大調(diào)理,通過A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號,然后將數(shù)字信號送給單片機(jī),單片機(jī)對其進(jìn)行冷端補(bǔ)償[6]和校準(zhǔn),然后通過射頻電路將數(shù)據(jù)或指令經(jīng)WIA-PA網(wǎng)絡(luò)傳遞給所需的設(shè)備,用戶可根據(jù)液晶顯示了解所測的溫度和電池電量。

2.1　放大電路設(shè)計

放大電路的芯片采用ADI公司的AD8500,其是一款低功耗、精密CMOS運(yùn)算放大器,最大電源電流為1 μA,最大失調(diào)電壓為1 mV,典型輸入偏置電流為1 pA,以軌到軌輸入和輸出方式工作。其采用1.8～5.5 V單電源或±0.9～±2.75 V雙電源供電。AD8500具有低功耗、低輸入偏置電流以及軌到軌輸入和輸出特性,特別適合各種電池供電的便攜式應(yīng)用。此外,還具有軌到軌輸入和輸出擺幅能力,有助于采用極低電壓工作的系統(tǒng)達(dá)到最大的動態(tài)范圍和信噪比。AD8500的低失調(diào)電壓特性可使其用于高增益系統(tǒng)中,而不會產(chǎn)生過大的輸出失調(diào)誤差,且能在無需進(jìn)行系統(tǒng)校準(zhǔn)的情況下提供高精度操作,其引腳配置框圖如圖4所示。

圖4　AD8500引腳配置圖

2.2　A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計

A/D轉(zhuǎn)換電路的主要芯片采用ADI公司的AD7795,其適合高精度測量應(yīng)用的低功耗、低噪聲、完整模擬前端,內(nèi)置一個低噪聲24位/16位6路差分輸入的∑-ΔADC[7],還集成了片內(nèi)低噪聲儀表放大器,因而可直接輸入小信號的ADC。

其不僅內(nèi)置一個精密低噪聲、低漂移內(nèi)部帶隙基準(zhǔn)電壓源,也可采用最多兩個外部差分基準(zhǔn)電壓。其他片內(nèi)特性包括可編程激勵電流源、熔斷電流控制和偏置電壓產(chǎn)生器,利用偏置電壓產(chǎn)生器可將某一通道的共模電壓設(shè)置為AVDD/2。低端電源開關(guān)可用于在兩次轉(zhuǎn)換之間關(guān)斷橋式傳感器,從而使系統(tǒng)功耗降至最低。AD7794/AD7795可采用內(nèi)部或外部時鐘工作,輸出數(shù)據(jù)速率可在4.17～470 Hz的范圍內(nèi)變化。

2.3　電源電路設(shè)計

電源無線溫度變送器采用電池供電,為了便于采購和充電,原型機(jī)采用4節(jié)AAA電池串聯(lián)供電,無線變送器各部分的工作電壓為6 V,因此電源電路選用TPS5420芯片,具有較寬的輸入電壓范圍(5.5～36 V),較寬的工作溫度范圍(-40～125 ℃),連續(xù)輸出電流達(dá)2 A,并擁有過流限制、過壓保護(hù)、熱關(guān)斷等特點(diǎn),其主要工作就是為其他電路提供5 V基準(zhǔn)電壓和24 V工作電壓。

圖5　電源電路圖

2.4　射頻電路設(shè)計

為加快開發(fā)進(jìn)度并保證工作的可靠性,射頻電路以中國科學(xué)院沈陽自動化研究所自主研發(fā)的基于WIA-PA技術(shù)的無線通信模塊SIA2420為主,該模塊功耗小,適用于長期供電。同時其具有硬件加密、安全可靠、組網(wǎng)靈活、抗毀性強(qiáng)等特點(diǎn),為家庭自動控制、工業(yè)監(jiān)控、傳感網(wǎng)絡(luò)、消費(fèi)電子、智能玩具等提供了理想的解決方案,其外部引腳示意圖如圖6所示。

圖6　無線通信模塊外部引腳圖

無線通信模塊的24個引腳中,TCK、TMS、TDI和TDO用于模塊程序的燒寫,GND、VCC、TXD和RXD用于和用戶設(shè)備的相應(yīng)引腳相連。此無線通信模塊提供了一個用于低功率嵌入式設(shè)備的接口,從而實(shí)現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)和上層網(wǎng)關(guān)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,并且定時提供同步時間信息、本地配置信息和診斷等信息[8]。

MSP430F5438A與無線通信模塊之間通過異步串行UART進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,將MSP430F5438A的RXD0和TXD0分別接到無線通信模塊的TXD和RXD,即可實(shí)現(xiàn)測溫模塊和無線模塊的數(shù)據(jù)通信。儀表模塊與通信模塊的接口示意圖如圖7所示。

圖7　儀表模塊與通信模塊接口示意圖

在實(shí)際設(shè)計中,將具有數(shù)據(jù)采集功能的器件集成在一塊PCB板上實(shí)現(xiàn)對信號的采集變換和處理,將射頻電路和天線單獨(dú)制作成一塊PCB上,中間采用接插件連接,由此可避免射頻模塊的高頻信號對數(shù)據(jù)采集部分的干擾,且可縮小整個系統(tǒng)的橫向面積。

3軟件設(shè)計

3.1　軟件工作流程

在整個溫度變送器中,儀表通過串口中斷和定時器中斷將熱電偶采集到的溫度數(shù)據(jù)經(jīng)一系列處理后傳遞給MSP430,再經(jīng)主控制器的分析處理后,一方面將處理結(jié)果在液晶屏上顯示,另一方面,將數(shù)據(jù)打包發(fā)送至串口,完成通信任務(wù)后進(jìn)入低功耗模式。軟件工作流程如圖8所示。

圖8　軟件工作流程圖

3.2　溫度數(shù)據(jù)采集流程

熱電偶輸出的電壓信號被放大并進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后,根據(jù)相應(yīng)的數(shù)字量可求出熱電偶的電位差,查詢分度表可得熱電偶兩端的溫度差。同時,通過相應(yīng)的數(shù)字溫度芯片得到冷端的溫度。此時,可根據(jù)熱電偶的溫度差,得出測量端的實(shí)際溫度值[9]。溫度數(shù)據(jù)采集流程如圖9所示。

圖9　溫度數(shù)據(jù)采集流程

3.3　WIA-PA網(wǎng)絡(luò)配置及管理

無線溫度變送器是通過無線模塊加入WIA-PA無線網(wǎng)絡(luò)的,WIA網(wǎng)絡(luò)安裝運(yùn)行之后,用戶可通過WIA-NET800開發(fā)套件對整個網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置和實(shí)時監(jiān)控,例如連接網(wǎng)關(guān)、配置設(shè)備數(shù)據(jù)率和實(shí)時觀察設(shè)備路徑信息。WIA網(wǎng)絡(luò)管理主界面如圖10所示。

圖10　WIA網(wǎng)絡(luò)管理主界面

無線溫度變送器要加入WIA-PA網(wǎng)絡(luò),就要進(jìn)行必要的設(shè)置,需要進(jìn)行配置的參數(shù)有網(wǎng)絡(luò)ID、可用信道、廣播信道、節(jié)點(diǎn)的設(shè)備類型、設(shè)備數(shù)據(jù)率等參數(shù)。網(wǎng)絡(luò)ID是為了區(qū)分不同WIA-NET800開發(fā)套件組的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識,只有網(wǎng)絡(luò)ID一致的網(wǎng)關(guān)和設(shè)備才能相互通信。WIA-PA網(wǎng)絡(luò)采用2.4 GHz頻段11～26共16個信道,為了避免與用戶同樣采用2.4GHz頻段的其他無線設(shè)備相互干擾,所以需要用戶為無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)置可用信道。無線網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)關(guān)和設(shè)備會在指定信道上發(fā)送廣播,以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的組建。因此,一定要保證網(wǎng)關(guān)和設(shè)備廣播信道的一致性。若廣播信道與用戶其它相同頻段的無線設(shè)備有所沖突,也應(yīng)將其修改到無干擾的信道上[10]。

4溫度測試結(jié)果分析

在接入系統(tǒng)并且通信正常后,對無線溫度變送器進(jìn)行精度測試,以檢查儀表通信的準(zhǔn)確性,通過標(biāo)準(zhǔn)信號源的輸入,通過對系統(tǒng)進(jìn)行0～800 ℃的溫度取點(diǎn)測量,得到實(shí)際測量溫度和標(biāo)準(zhǔn)信號源輸入溫度的誤差和精度,結(jié)果如表1所示。

表1　測量精度誤差與精度

從表中可以看出,無線變送器溫度采集精度穩(wěn)定保持在5‰之內(nèi),誤差的來源主要是基準(zhǔn)電壓誤差、放大器增益誤差等。

5結(jié)束語

針對當(dāng)前工業(yè)現(xiàn)場無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和工業(yè)上對無線變送器的需求,本文設(shè)計的無線溫度變送器,將無線通信技術(shù)與溫度采集技術(shù)結(jié)合,實(shí)現(xiàn)了低功耗、高精度的實(shí)時溫度采集和較高質(zhì)量的無線傳送。相信隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在工業(yè)上的快速發(fā)展,將實(shí)現(xiàn)更低功耗的數(shù)據(jù)采集電路和無線傳輸模塊。

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