基于ieee790的便攜式工業(yè)無線手操器的設(shè)計

基于ieee790的便攜式工業(yè)無線手操器的設(shè)計

本文在工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了基于ep803的工業(yè)無線傳感器技術(shù)的概念，并詳細說明了工作原理、設(shè)計和實施。最后，通過系統(tǒng)的實際應(yīng)用和測試結(jié)果，表明該手操器能夠方便、快速、準(zhǔn)確地在現(xiàn)場采集和配置工業(yè)設(shè)備的數(shù)據(jù)，使現(xiàn)場設(shè)備不受電纜連接，以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)控制，提高現(xiàn)場設(shè)備的靈活性和移動性。在一些不可預(yù)測的環(huán)境中，尤其是在不適合布線的環(huán)境中，尤其是在不適合強腐敗環(huán)境或難以使用電纜傳輸數(shù)據(jù)的環(huán)境中，便攜式工業(yè)無線傳感器更加優(yōu)勢。1現(xiàn)場無線模塊本手操器中采用了自主開發(fā)的具有自動組網(wǎng)和自動路由功能的工業(yè)無線通信模塊，這使得我們的手操器在工業(yè)現(xiàn)場使用時具有其他無線通信技術(shù)的控制器無法比擬的優(yōu)點：高可靠性、強抗干擾能力、靈活性和方便性，其工作過程和原理如圖1。首先將工業(yè)無線通信模塊嵌入到現(xiàn)場設(shè)備構(gòu)成一個現(xiàn)場無線設(shè)備。多個現(xiàn)場無線設(shè)備可自動地形成一個無線通信網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)場操作人員拿著此便攜式手操器進入這個已形成的無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，其會自動搜尋現(xiàn)場設(shè)備，若有，則各自的鏈路管理器就會發(fā)現(xiàn)對方，當(dāng)方通過了鑒權(quán)和認證后則自動建立通信關(guān)系加入到無線通信網(wǎng)絡(luò)，成為其中的一個主節(jié)點。手操器會顯示搜索到的現(xiàn)場設(shè)備，操作人員可通過直觀的菜單界面選取現(xiàn)場設(shè)備，手操器上就會相應(yīng)地根據(jù)此設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)地址實現(xiàn)互連，從而實現(xiàn)了其對現(xiàn)場設(shè)備的數(shù)據(jù)參數(shù)讀取與設(shè)置，監(jiān)控與調(diào)校等功能。2控制模塊結(jié)構(gòu)手操器的系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。它包括MSP430F149微控制器、鋰電池供電模塊、AT160160液晶模塊，電量檢測模塊、鍵盤模塊、工業(yè)無線通信模塊和字庫模塊等構(gòu)成。系統(tǒng)各部分硬件功能具體如下：2.1msp430fpshMSP430F149是TI公司推出的超低功耗混合信號控制器MSP430系列中的Flash型單片機，它具有16位RISC結(jié)構(gòu)，片內(nèi)具有60K+256的Flash、2K的RAM、USART等模塊，通過采用不同的時鐘源可以使MSP430F149滿足不通的低功耗要求。2.2工業(yè)電池1-wire接口為了滿足手操器的移動性和輕便性的要求，本手操器采用了鋰電池供電并同時具備電量監(jiān)測功能。鋰電池檢測部分采用了DS2762芯片，該芯片通過1-Wire接口與單片機P1.1口相連。通過場效應(yīng)管FDC638P構(gòu)成DS2762的充、放電保護回路，可用于實現(xiàn)過壓、欠壓、過流以及短路保護。單片機周期性監(jiān)測一次電壓，將IS1和IS2兩端的壓差轉(zhuǎn)換成電流存入電流寄存器。若VIS為正值，說明電池正在充電；若VIS為負值，說明電池正在放電。單片機通過對DS2762發(fā)出采集電壓、電流、溫度的控制命令，同時通過讀取相應(yīng)寄存器完成對電池電壓、電流、溫度的監(jiān)控。2.3鋰電池供電電路電源部分主要為系統(tǒng)中各個器件提供工作電壓，系統(tǒng)工作時需要+3.3V、+5V兩種電壓。系統(tǒng)采用電壓為+3.7V,1000mAh的鋰電池分別為TPS60100和TPS60110供電。其中TPS60100輸入電路可低至1.8V，標(biāo)準(zhǔn)輸出電壓為3.3V±4%，紋波小于5mV，空載時消耗電流為50μA。輸出電流可達200mA，使用效率高到90%。TPS60110輸入電壓范圍為2.7V～5.4V，標(biāo)準(zhǔn)輸出5.0V±4%，紋波小于10mV，空載時消耗電流為60μA。輸出電流可達300mA，使用效率高到90%。2.4無線射頻前端自主開發(fā)的工業(yè)無線通信模塊主要由CC2430芯片、天線匹配電路、晶振電路、復(fù)位電路、JTAG調(diào)試接口等構(gòu)成。TI公司的CC2430芯片除了具有符合IEEE802.15.4規(guī)范的2.4GHz無線射頻前端，還集成了RF射頻、微處理器、Flash、RAM等電路。天線部分主要采用專用2.4GSMA接口高增益的可折疊帶延長線的外置天線或者直立天線，根據(jù)不同的需求進行不同的選型；RF端采用單端天線，即接收和發(fā)送使用同一個天線，使用CC2430的TX/RX開關(guān)引腳來控制選擇發(fā)送信道或者接收信道。信號輸出經(jīng)過了一個非平衡變壓器，這樣連接非平衡變壓器可使天線性能更好。電路中的非平衡變壓器由電容C21和電感L1、L20、L2以及一個PCB微波傳輸線組成，整個結(jié)構(gòu)滿足RF輸入/輸出匹配電阻（50Ω）的要求，這樣使得信號傳輸中間沒有信號反射發(fā)生，到達天線的信號最強。3msp430主程序概述本手操器軟件系統(tǒng)在總體構(gòu)架上也采取了雙核運行的模式，如圖2所示。射頻模塊內(nèi)核CC2430與MSP430內(nèi)核之間通過串口UART實現(xiàn)相互間數(shù)據(jù)的通信。CC2430單核處理器內(nèi)運行著自主開發(fā)的工業(yè)無線通信協(xié)議棧，其體系結(jié)構(gòu)由物理層、MAC層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層、用戶層、管理信息庫和安全管理信息庫等組成。協(xié)議棧在物理層采用IEEE802.15.4物理規(guī)范和數(shù)據(jù)幀格式，而在IEEE802.15.4物理層與網(wǎng)絡(luò)層之間運行的是適用工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)需求的MAC層。整個協(xié)議棧具有網(wǎng)絡(luò)形成、設(shè)備加入與離開、數(shù)據(jù)發(fā)送與接收、確定性調(diào)度、精確時間同步等功能。MSP430處理器內(nèi)實現(xiàn)手操器的主體軟件功能。綜合考慮功能要求和特點，該系統(tǒng)軟件設(shè)計可分為底層驅(qū)動程序設(shè)計和應(yīng)用程序設(shè)計。底層驅(qū)動程序主要涉及液晶顯示驅(qū)動程序、鍵盤驅(qū)動程序、電量檢測電路驅(qū)動程序、UART串口驅(qū)動程序、SPI接口驅(qū)動程序等。應(yīng)用程序主要包括數(shù)據(jù)處理程序、菜單顯示及切換程序、數(shù)據(jù)通信程序等。MSP430內(nèi)主體的主程序流程圖如圖3所示，系統(tǒng)上電復(fù)位后進行系統(tǒng)和無線模塊的初始化，并搜索周圍的無線設(shè)備，再顯示主菜單，隨后對鍵盤進行循環(huán)掃描，當(dāng)有按鍵時，調(diào)用相應(yīng)的顯示子程序。如果是讀取現(xiàn)場設(shè)備參數(shù)，就通過串口將讀服務(wù)數(shù)據(jù)幀傳送給工業(yè)無線模塊，然后得到返回數(shù)據(jù)和參數(shù)，并進行并分析和處理，最后通過液晶屏直觀顯示。若對現(xiàn)場設(shè)備寫入?yún)?shù)，就調(diào)用相應(yīng)的寫入子程序，將寫命令及參數(shù)通過串口發(fā)送給工業(yè)無線通信模塊，然后等待確認實現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備參數(shù)的調(diào)校。本手操器主要針對工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備的信息采集和調(diào)校而設(shè)計，而現(xiàn)有一些智能儀器儀表設(shè)備（如電動執(zhí)行器等）需要讀取和設(shè)置的參數(shù)較多，因而相應(yīng)的人機交互及顯示界面量大。本手操器的菜單有40個之多，主要有：圖形顯示界面，數(shù)據(jù)讀取處理界面，數(shù)據(jù)寫入處理界面，功能菜單顯示界面等。在MSP430F149的RAM空間緊缺的情況下，本設(shè)計采用一種有效的方法降低RAM開銷的同時實現(xiàn)菜單間快速切換，即定義一個MEMU類型的結(jié)構(gòu)體NEXT＿MEMU，地址指針CUR＿MEMU指向結(jié)構(gòu)體的首址，所有菜單都共用這樣一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，在每次菜單切換之前對MEMU數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)重新賦值。4電動執(zhí)行器原卡與手操器的聯(lián)調(diào)研究在一些基本功能測試完畢之后，為驗證手操器與現(xiàn)場設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通信和處理等功能，需對讀寫數(shù)據(jù)功能進行測試。本文以電動執(zhí)行器作為手操器的測試對象，進行通信及讀寫功能測試。如圖4所示，測試系統(tǒng)由電動執(zhí)行器原卡、工業(yè)無線通信模塊和手操器組成。工業(yè)無線通信模塊嵌在電動執(zhí)行器原卡上，用于無線發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。電動執(zhí)行器原卡是電動執(zhí)行器內(nèi)部的核心控制單元，它帶有一個獨立的設(shè)定器，用戶通過設(shè)定器可以對執(zhí)行機構(gòu)進行快速設(shè)定、檢查及查詢。電動執(zhí)行器原卡能夠顯示執(zhí)行機構(gòu)的轉(zhuǎn)矩、閥門位置、限位設(shè)定等工作狀態(tài)和報警。手操器的設(shè)計要求則是實現(xiàn)設(shè)定器上的所有功能，能夠通過無線方式進行調(diào)節(jié)、數(shù)據(jù)參數(shù)讀取與設(shè)置、故障診斷等。通信及讀寫功能測試方法：通過按鍵選擇功能，向電動執(zhí)行器某個參數(shù)寫入具體數(shù)據(jù)，再將該參數(shù)讀出，比較寫入與讀出的數(shù)據(jù)。測試結(jié)果如圖4所示，電動執(zhí)行器原卡上顯示當(dāng)前值為67.0%，手操器顯示的值也是67.00%，兩者數(shù)值相一致，這驗證了本手操器實現(xiàn)了與電動執(zhí)行器原卡的無線數(shù)據(jù)通信，并可進行據(jù)參數(shù)讀取與設(shè)置等。本手操器研制成功后，與電動執(zhí)行器、閥門定位器、溫度變送器等多種現(xiàn)場設(shè)備進行了聯(lián)調(diào)，對手操器的多項功能和性能進行測試、驗證與分析。綜合測試表明，本手操器讀寫功能正常，菜單顯示正常穩(wěn)定，人機交互流暢、直觀。雖然手操器所設(shè)計的數(shù)據(jù)讀寫，菜單顯示等功能已基本實現(xiàn)并通過了驗收，但系統(tǒng)還有些工作需