韋善學(xué)　姜召文　劉意

摘要：傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)存在網(wǎng)絡(luò)速率低、延遲高、容量低和通信不可靠的問題，設(shè)計(jì)基于5G無線網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)采集及控制裝置，對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的開關(guān)量、模擬量進(jìn)行采集，并通過繼電器控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的工作狀態(tài)，數(shù)據(jù)和指令的交互均通過5G無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)，具有高速率、低延遲、大容量和通信可靠的優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：5G;數(shù)據(jù)采集;SIM8202E;STM32

引言

工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)存在大量的電氣設(shè)備，很多現(xiàn)場(chǎng)的工作環(huán)境惡劣，對(duì)這些設(shè)備的工作狀態(tài)和環(huán)境的監(jiān)測(cè)和控制是至關(guān)重要的。由于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜，有線通信不能滿足實(shí)際需求，無線網(wǎng)絡(luò)就成了解決設(shè)備和環(huán)境參數(shù)監(jiān)控的關(guān)鍵。傳統(tǒng)的基于GPRS的監(jiān)控設(shè)備存在速率低、延遲高、帶寬低和通信不可靠的問題，不能及時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備及環(huán)境參數(shù)，無法及時(shí)、可靠的接收控制命令，導(dǎo)致安全事故發(fā)生。

5G是最新一代的無線通信網(wǎng)絡(luò)，依托于4G的技術(shù)構(gòu)架，實(shí)現(xiàn)更高速、更大容量、更低延遲和更可靠的通信。5G的頻段分為兩個(gè)范圍：FR1和FR2，F(xiàn)R1的頻率范圍在450MHz～6GHz，也稱為Sub6G;而FR2的頻段為24GHz～52GHz，其波長(zhǎng)基本都是毫米級(jí)，因而稱為毫米波。頻率越高，意味著可用的頻帶越寬，也就是容量會(huì)更大。頻率越高，電磁波的繞射能力越差，傳播距離越近，使用大規(guī)模天線陣列技術(shù)和波束成形技術(shù)實(shí)現(xiàn)波束追蹤，解決高頻通信的傳播問題。5G的延遲一般為幾個(gè)毫秒，延遲降低的主要來源有物理層共享信道，核心網(wǎng)和接入網(wǎng)間關(guān)系的簡(jiǎn)化，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的扁平化，終端狀態(tài)機(jī)簡(jiǎn)化等。

基于上述5G高速率、低延遲、大容量和高可靠性的特點(diǎn)，為解決工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集和控制存在的問題，本文提出一種基于5G無線網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)采集及控制裝置的設(shè)計(jì)方法。

1 功能需求分析

該裝置能連續(xù)采集工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備和環(huán)境參數(shù)，并能對(duì)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。同時(shí)，需要具備低延遲、大帶寬和可靠的無線通信，以便于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的安裝和維護(hù)。因此，該裝置需要具備模擬量、數(shù)字量的輸入輸出功能，還需要具有5G無線通信模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的交互。為了使該裝置正常工作，還需要有多個(gè)直流電源，因此還需要具備DC-DC降壓穩(wěn)壓功能。

2 基于5G無線網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)采集及控制裝置的設(shè)計(jì)

為滿足上述功能需求，本設(shè)計(jì)的總體設(shè)計(jì)框圖如圖 1所示，STM32主控電路通過模擬輸入調(diào)理電路和數(shù)字輸入調(diào)理電路采集外部設(shè)備和環(huán)境的參數(shù)，經(jīng)過數(shù)字信號(hào)處理后通過5G無線模塊發(fā)送至上位機(jī)，上位機(jī)的控制命令由5G無線模塊接收并發(fā)送至STM32主控電路，STM32主控電路通過引腳控制繼電器輸出電路控制外部設(shè)備的工作狀態(tài)。

2.1 5G無線模塊

5G模塊選用SIMCom公司的SIM8202E，該模塊在5G NR模式下的上行和下行速度可達(dá)2.4Gbps和500Mbps，滿足現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)和指令的傳輸。該模塊支持PCIe、I2C、USB和UART等主流通信接口，便于和主控芯片連接。該模塊采用3.3V供電，睡眠模式下的功耗僅為5mA，適合于無線通信系統(tǒng)的應(yīng)用。

為便于使用AT指令管理5G通信過程，SIM8202E模塊與STM32之間使用UART接口連接。為適配雙方的電平，使用TXS0104EPWR芯片將SIM8202E的UART引腳的1.8V電平轉(zhuǎn)化為3.3V電平。

為保證5G網(wǎng)絡(luò)正常使用，降低系統(tǒng)復(fù)雜度，僅使用SIM8202E的0號(hào)和3號(hào)天線即可。

2.2 STM32主控電路

該裝置具有8路輸入和8路輸出，并且需要具有UART接口和ADC接口，數(shù)據(jù)采集速率較高，因此選用STM32F405RGT6作為主控芯片。該芯片采用ARM Cortex-M4內(nèi)核，其最高CPU頻率為168MHz，具有1MB閃存和192KB RAM，具有3個(gè)片內(nèi)ADC和6個(gè)支持10.5 Mbps波特率的串口，滿足系統(tǒng)需求。

STM32主控電路的BOOT0引腳接地，使應(yīng)用程序從閃存內(nèi)的引導(dǎo)程序啟動(dòng)。外部晶振采用無源8MHz石英晶體振蕩器，保證系統(tǒng)工作頻率穩(wěn)定。通過內(nèi)部的PLL電路將CPU主頻鎖定在168MHz。下載接口使用SWD接口，節(jié)約引腳資源。ADC輸入引腳與GND之間并聯(lián)10nF電容，以降低外部信號(hào)的高頻毛刺。STM32的電源輸入引腳和ADC參考電壓輸入引腳均接3.3V，并且外接100nF的去耦電容，降低電源紋波。

2.3 模擬輸入調(diào)理電路

模擬輸入調(diào)理電路主要功能是進(jìn)行阻抗匹配，以降低STM32內(nèi)部的ADC輸入阻抗對(duì)外部信號(hào)的影響。調(diào)理電路采用OP37運(yùn)算放大器，其單位增益帶寬高達(dá)63MHz，輸入失調(diào)電壓僅為10uV。由OP37運(yùn)算方法器搭建電壓跟隨電路，以降低信源的輸出阻抗。

2.4 數(shù)字輸入調(diào)理電路

不同系統(tǒng)的數(shù)字信號(hào)的高、低電平不一致，為解決這個(gè)問題，采用光耦進(jìn)行輸入信號(hào)的隔離和電壓轉(zhuǎn)換。選用TLP521光耦合器件，其功耗僅為150mW，隔離電壓為2500 Vrms，可有效隔離前后級(jí)，保護(hù)主控芯片引腳。在主控電路側(cè)，光耦的開漏極輸出引腳通過4.7KΩ的電阻上拉至3.3V，將外部數(shù)字電平轉(zhuǎn)化為0V或3.3V，以便于主控芯片讀取。

2.5 繼電器輸出電路

選用歐姆龍的G5SB-14-12VDC繼電器，其輸出容量為250VAC/5A，線圈電壓為12V。使用NPN三極管S8050放大主控芯片引腳的輸出電流。將線圈連接在12V電源和S8050的集電極之間，S8050的基極通過4.7KΩ的電阻連接在STM32的GPIO上，S8050的發(fā)射極接地，這樣微弱的基極電流經(jīng)過三極管的放大即可驅(qū)動(dòng)線圈產(chǎn)生吸合力，使繼電器正常工作。繼電器輸出一組常開/常閉觸點(diǎn)。

2.6 DC-DC電源電路

該裝置工作電壓為12V，以滿足繼電器的正常工作。5G模塊和主控電路需要3.3V電壓，運(yùn)算放大器需要±5V電源供電，因此采用12V轉(zhuǎn)5V，5V轉(zhuǎn)3.3V和5V轉(zhuǎn)-5V的DC-DC電源方案。12V轉(zhuǎn)5V采用LM2596S-5V芯片，可提供最大3A的輸出電流。5V轉(zhuǎn)3.3V采用AMS1117-3.3，該芯片最大提供1A的輸出電流，可滿足5G模塊和STM32主控電路供電。由于-5V僅作為運(yùn)算放大器的負(fù)電源，對(duì)輸出電流要求不高，因此，5V轉(zhuǎn)-5V選用HT7660芯片，可提供最大20mA的輸出電流。

3 結(jié)束語

本文針對(duì)基于5G無線網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)采集及控制裝置進(jìn)行研究，結(jié)合5G通信特點(diǎn)，確定了整體設(shè)計(jì)方案，闡明了各部分電路設(shè)計(jì)的要點(diǎn)，分析了主要電子器件的核心問題，為基于無線網(wǎng)絡(luò)的工業(yè)設(shè)備和環(huán)境參數(shù)采集及控制裝置的研究提供了有價(jià)值的參考。

參考文獻(xiàn)

[1]張媛.基于藍(lán)牙技術(shù)的智能家居集成系統(tǒng)研究[J].科技信息，2014，01：18+23.

[2]黃鑫，董慶森.“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”賦能千行百業(yè)[N].經(jīng)濟(jì)日?qǐng)?bào)，2021-11-24（006）.

[3]張麗梅，甘伯青，易施光.基于STM32的多功能MP3設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)與軟件工程，2019（06）：72-74.

[4]楊文龍，陳強(qiáng).基于MSP430單片機(jī)的精密射頻功率計(jì)設(shè)計(jì)[J].傳感器與微系統(tǒng)，2021，40（06）：76-78+82.

作者簡(jiǎn)介：韋善學(xué)（1984.10-）男，壯族，廣西東蘭縣人，本科，中國(guó)鐵塔股份有限公司河池市分公司，研究方向：通信領(lǐng)域。