丁 楊，王 凱，王亞剛

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

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基于無線HART的多功能智能圓卡設計

丁 楊1，王 凱2，王亞剛1

(1.上海理工大學 光電信息與計算機工程學院，上海200093；2.上海出版印刷高等專科學校，上海200093)

為滿足企業(yè)用戶日益對工業(yè)現場無線通信的需求，提出了基于無線HART的多功能智能圓卡設計。設計中無線HART模塊采用RFM公司的XDM2510H；信號調理部分采用MAX1452芯片，負責對原始信號進行放大、補償和校準；MCU則選取MSP430F5438A單片機，對經調理的信號進行采集、分析和處理；數據分析結果通過XDM2510H經無線網送達網關提供給上位機使用。圓卡可以接入不同的傳感器，并載入對應的軟件即可快速開發(fā)出一款無線HART變送器，最終實現了無線HART儀表開發(fā)難度降低、節(jié)約了開發(fā)成本。

工業(yè)無線；無線 HART ；智能圓卡

隨著工業(yè)無線技術的應用，工業(yè)現場設備逐步從有線過渡到無線。相比于有線設備，無線儀表擺脫了線纜架設的煩惱，減少了材料的開支，同時使得設備的安裝和調試過程更加簡單，但無線儀表的開發(fā)難度高于傳統(tǒng)儀表的開發(fā)，對于一般中小型廠商缺乏技術實力開發(fā)無線儀表，因此，設計了一款基于無線HART的多功能圓卡，可供儀表廠商加快開發(fā)無線儀表。

1 無線HART

無線HART是一種過程自動化的無線網狀網絡通信協議，是建立在已有的經過現場測試的國際標準上的，其包括HART協議(IEC 61158)、 EDDL (IEC 61804-3)、IEEE 802.15.4無線電和跳頻、擴頻和網狀網絡技術[1]。作為第一個開放式的可互操作無線通信標準，無線HART能夠滿足工業(yè)自動化應用領域對于實時工廠應用中的可靠、穩(wěn)定和安全的無線通信的關鍵需求[2]，而且與原有的有線HART儀表和控制系統(tǒng)完全兼容。

2 系統(tǒng)總體設計

系統(tǒng)整體框架如圖1所示。該圓卡由兩節(jié)鋰電池供電，電源管理模塊選用LM1117芯片,為系統(tǒng)內各部分提合適供穩(wěn)定的工作電壓[3]；電池監(jiān)測及平衡電路則選取BQ28400結合BQ29200兩塊電源管理芯片，負責電量的檢測和電路穩(wěn)定； Wireless HART模塊采用RFM公司的XDM2510H；信號調理部分采用MAX1452芯片，負責對原始信號進行放大、補償和校準；MCU則選取MSP430F5438A單片機，對經調理的信號進行采集、分析和處理；數據分析結果通過XDM2510H經無線網送達網關提供給上位機使用[4]；液晶顯示屏選取JLX12864G用來進行參數設定。

圖1 系統(tǒng)整體框圖

3 硬件設計

3.1 主控電路

主控電路部分包含使MSP430F5438A單片機能夠正常工作的外接電路和按鍵電路。單片機外接晶振包括Y1和Y2兩塊晶振，Y1為8 MHz的高速晶振，Y2為32.768 kHz的低速晶振。上電復位電路保證芯片上電自動復位，同時也可以通過復位按鍵手動復位；按鍵電路占用7個IO口，主要通過監(jiān)測這些按鍵來配置系統(tǒng)的一些參數，包括警戒值的設定、數據發(fā)送頻率的設定、網絡配置參數的設定等。主控電路的基本架構如圖2所示。

圖2 主控電路原理圖

由于整個電路由多個模塊共同組成，所以電路中將所有的IO口通過插針引出來方便后續(xù)調試[5]。

3.2 供電與電源管理

整個電路需要3.3 V和5 V兩種供電電壓。供電電路首先通過LM1117-5.0穩(wěn)壓芯片產生5.0 V的電壓，再經過LM1117-3.3芯片產生3.3 V的供電電壓。

電源管理電路的主體部分由BQ28400和BQ29200兩款芯片組成。BQ28400芯片負責測量電路電壓、電量以及溫度等信息[6]，然后通過SMBC和SMBD兩個引腳實現主控芯片和BQ28400芯片的通信，通過傳送固定的命令字節(jié)來獲得電池的相關信息(例如0x08為讀取溫度值的命令、0x09為讀取電壓值的命令)，而BQ29200主要負責二次過壓保護，利用BQ29200就不需要額外搭建復雜的過壓保護電路，可以簡化電路[7]。

3.3 信號收發(fā)電路

設計使用XDM2510H模塊，其內部已經為用戶集成了Wireless HART協議棧，而用戶只需要通過簡單的UART通信即可實現整個入網以及數據收發(fā)的功能[8],節(jié)約了用戶的開發(fā)過程。

數據收發(fā)的電路原理圖如圖3所示。MSP430F5438A與XDM2510H模塊之間通過UART進行數據交換，其波特率為9 600[9]，本次設計中主要涉及以下幾個引腳：UART_RX：輸入引腳，是XDM2510H接收來自于MSP430F5438A的數據；UART_TX：輸出引腳，用于XDM2510H向MSP430F5438A發(fā)送數據；MT_RTS：輸出引腳，該引腳用來喚醒MSP430F5438A接收數據，當XDM2510H準備好發(fā)送新數據時，該引腳復位提醒XDM2510H有新數據準備發(fā)送[10]。當XDM2510H有數據需要發(fā)送的時候，SP_CTS引腳為低電平(SP_CTS為低電平表示單片機已經準備好接收數據)或者MT_RTS保持復位狀態(tài)的時間超過某一上限值，MT_RTS會變?yōu)楦唠娖?，否則，MT_RTS會一直保持復位狀態(tài)。 SP_CTS：輸入引腳，當MSP430F5438A準備好接受來自于XDM2510H的數據時，該位被復位。如果單片機一直處于準備接受串行數據的狀態(tài)，那么可以通過外部電路將其拉低。MT_CTS：輸出引腳，在模塊真正加入網絡之前，該位是無效的。模塊加入網絡之后，在正式發(fā)送數據之前，節(jié)點模塊需要檢測該引腳狀態(tài)，只有在確保該引腳為低電平的時候，才能執(zhí)行發(fā)送數據的過程[11]。TIME：輸入引腳，屬于可選信號，用來觸發(fā)時間戳數據報。

圖3 Wireless HART數據收發(fā)電路原理圖

3.4 信號調理

傳感器的測量精度一般會受外界溫度以及自身材料結構等方面的影響，因此，除了將傳感器信號放大之外，還需要對傳感器的輸出進行補償和校準[12]，MAX1452此款芯片能夠通過編程對各種傳感器信號進行補償和校準，片內集成的存儲器使得用戶可以根據需要自行設置補償參數[13]，而且內部還集成了可編程運放,使得外圍電路更加簡潔。

4 軟件設計

4.1 軟件系統(tǒng)總體介紹

軟件部分使用IAR這款嵌入式系統(tǒng)開發(fā)工具，這是一款帶有C/C++ 編譯器和調試器集成開發(fā)環(huán)境(IDE)、 實時操作系統(tǒng)和中間件、開發(fā)套件、硬件仿真器以及狀態(tài)機建模工具的高性能開發(fā)工具[14]。

圖4 系統(tǒng)軟件工作流程

如圖4所示，整個系統(tǒng)的軟件部分包括系統(tǒng)初始化設置、節(jié)點入網、參數設置、壓力和溫度數據采集、信號調理、電量監(jiān)測。初始化設置中包含hal_board.c和hal_tlv.c兩個程序，其中hal_board.c主要是用來配置系統(tǒng)時鐘和功耗等級，hal_tlv.c設置單片機選型；節(jié)點入網部分包含XDM2510.c程序，該程序主要負責網絡參數的設置以及節(jié)點的入網、數據的收發(fā)和處理，是整個系統(tǒng)最核心的部分；參數設置是通過按鍵電路來實現的；壓力和溫度數據的采集部分包含有ADC12.c代碼，主要是對壓力和溫度數據進行模數轉換；信號調理主要是針對壓力傳感器設計的代碼，以MAX1452.c命名，預先對MAX1452的內部數據進行設置，然后通過寫入的參數對壓力信號進行補償處理，提高整個電路的精確度。電量監(jiān)測部分包含SMBus.c代碼，該代碼主要是通過發(fā)送命令讀取電池的相關參數，并與報警值比較，以此來判斷和顯示電池目前的健康狀況；其他部分包DS18B20.c和JLX12864G-0088.c以及延時函數。整個軟件部分分工明確、功能豐富、結構緊湊。

4.2 無線HART模塊軟件設計

默認情況下，MSP430F5438A和XDM2510H之間的通信是四線制的[15]，包括MT_RTS、MT_CTS、TX和RX，每個信號線的功能在上文已經介紹過。每一個新的節(jié)點模塊都需要經過圖5所示的幾個狀態(tài)轉換才能完成一次完整的生存周期。

圖5 XDM2510H模塊狀態(tài)轉換圖

XDM2510H主要有初始化(Init)、空閑(Idle)、搜索(Searching)、會話(Negotiating)、連接(Connected)、運行(Operational)、斷開(Disconnected)這7個狀態(tài)[16]，要使節(jié)點能夠加入特定的無線HART網絡，微控制器需要嚴格按照以下步驟進行設置和操作。

(1)XDM2510H與單片機是通過串口收發(fā)數據的，所以需要根據要求初始化單片機的UART模塊，將其波特率設置為9 600，8位數據位，一個停止位，無奇偶校驗位；

(2)XDM2510H上電初始化之后會通過串口主動發(fā)送一個啟動包，此時的XDM2510的保持為Init狀態(tài)，啟動包的數據格式如下7E 0F 09 00 00 00 00 01 00 00 00 00 FE 0E 7E

MSP430F5438A在接收到這樣的數據報之后，應當立刻回復如下的確認數據報：7E 0F 00 05 00 9F 30 7E，一旦XDM2510H接收到了此確認報，其就會停止發(fā)送啟動包，同時，XDM2510H的狀態(tài)會由之前的Init轉變?yōu)镮dle狀態(tài)；

(3)在節(jié)點加入網絡之前，需要對模塊進行一些重要參數的配置，這里主要涉及到的是一些網絡參數：：加入具體網絡時需要使用到的密鑰，可以通過登錄網關查找到，信息段的數據為0x03,0x15,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x02,JoinKey，其中JoinKey也已經在宏定義中聲明過。:節(jié)點模塊的物理地址，為8個字節(jié)的數據，設置該參數的時候，信息段的數據為0x03,0x0D,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x01,MacAddress，其中MacAddress也已經在宏定義中聲明過。：設置HART設備的狀態(tài)，可以是啟動、報警等狀態(tài)。設置該參數的時候，其信息段的數據設置為0x01,0x03,0x00,0x09,0x00,0x00；

(4)以上主要參數設置正確并且成功應答之后，發(fā)送Join命令執(zhí)行加入網絡的過程，該命令的數據報格式為0x06,0x00,0x00，且XDM2510H在收到該指令之后，如果能夠成功加入，則會返回一個確認報，該確認包的格式為06 00 01 00，這樣就完成了加入請求的過程；

(5)從網關收到節(jié)點的加入請求之后，網關會自動執(zhí)行一系列的操作，使得節(jié)點過度到Operational；

(6)通過發(fā)送GetMoteStatus命令，獲取當前節(jié)點的狀態(tài)，當監(jiān)測到當前節(jié)點已經成功過度到了Operational狀態(tài)的時候，就可以發(fā)送請求服務命令了，該命令的數據報格式為0x01,0x0A,0x00,0x08,0x00,0x01,0x00,0xF9,0x81,0x00,0x00,0x13,0x88。

如果能夠成功實現請求服務，則整個加入過程至此結束，此時便可以通過Send命令向網關發(fā)送數據了。

5 PCB電路布局與調試

在完成整個原理圖的設計之后，根據原理圖生成PCB圖，并對整個PCB進行合理的布局。如圖6所示，PCB電路板的面積不到10 cm×10 cm，主要包括穩(wěn)壓電路、外接電源電路、按鍵電路、充電電路、液晶顯示電路、電池監(jiān)測電路、XDM2510入網/數據收發(fā)電路、信號處理電路和MCU控制電路這9個部分。圖7為PCB板的實物圖。

圖6 PCB電路圖

圖7 PCB正反面實物圖

設計采用分模塊的方法進行硬件和軟件的調試。硬件部分共分為5個部分進行調試：主控電路部分(包括供電電路)、液晶顯示部分、電池監(jiān)測部分、信號處理部分、XDM2510H數據收發(fā)部分。軟件部分主要涉及到幾個主要的程序代碼的調試：ADC12.c模數轉換代碼、DS18B20.c溫度傳感器代碼、MAX1452.c信號調理代碼、JLX12864G-0088.c液晶顯示代碼、XDM2510.c無線數據收發(fā)代碼、SMBus.c電壓監(jiān)測代碼。利用簡單的測試程序將硬件電路各個部分調通之后再將整個電路焊接測試，整體運行測試代碼，保證硬件電路的正確無誤；然后將調試好的軟件組合成一個工程，下載到MSP430F5438A中運行，直到通過whconsole.exe網關監(jiān)測軟件能夠正確接收到期望的數據。

6 結束語

設計將整個電路分為不同的模塊，對每一個模塊進行原理分析和芯片選型設計了基于無線Hart的智能圓卡實用電路，圓卡只要植入不同的傳感器，并載入對應的傳感器軟件，在配上電池、天線、圓卡外殼就能快速開發(fā)出一款無線HART變送器，縮短了儀表廠商的開發(fā)時間，節(jié)約了開發(fā)時間和成本。

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Design of Multi-Function Smart Card Based on Wireless HART

DING Yang1，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, Shanghai 200093, China)

In order to meet the growing demand of industrial wireless communication enterprise users, we propose a multi-functional smart card design based on wireless HART. The XDM2510H is adopted for the wireless HART module, and MAX1452 for the signal conditioning module, which is responsible for the original signal amplification, compensation and calibration. The MCU adopts MSP430F5438A microcontroller for the modulation of signal acquisition, analysis, and processing. Data analysis results are sent by XDM2510H via the wireless network to the gateway for PC. The smart card can access different sensors and load corresponding different software, enabling quick development of a wireless HART transmitter, thereby reducing the difficulty of wireless Hart instrument research and saving the cost of development.

industrial wireless; wireless HART; smart card

2016- 08- 08

丁楊(1991-)，男，碩士研究生。研究方向：無線傳感器網絡等。王凱(1973-)，男，高級工程師。研究方向：無線傳感器網絡等。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.06.020

TN92;TP368.1

A

1007-7820(2017)06-073-05