WIA-PA无线温度变送器的设计与实现

WIA-PA无线温度变送器的设计与实现

贾书庭1,王凯2,王亚刚1

(1.上海理工大学 光电信息与计算机工程学院,上海200093;2.上海理工大学 上海出版印刷高等专科学校,上海200093)

摘要针对某些工业现场布线困难和分布分散等问题,设计了一种基于WIA-PA技术以高性能、低功耗的16位微控制器MSP430F5438A为核心的无线温度变送器。搭建了热电偶测温电路,对热电偶进行冷端补偿,设计无线模块和温度采集模块的通信程序,并对温度采集进行测试。测试结果表明,该无线温度变送器通信稳定可靠,且测量精度能保持在5‰以内。

关键词WIA-PA;MSP430;无线温度变送器;热电偶

收稿日期:2015-01-20

作者简介:贾书庭(1990—),男,硕士研究生。研究方向:工业无线传感器网络,自动化仪表,工业控制。E-mail:598516567@qq.com。王凯(1973—),男,高级工程师,硕士研究生导师。研究方向:工业无线传感器网络,智能仪表,工业控制。王亚刚(1967—),男,教授。研究方向:工业无线传感器网络,先进过程控制,复杂多变量系统辨识。

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2015.09.022

中图分类号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

工业无线技术被称为工业控制领域的革命性技术,专门用于工业环境的无线通信技术,其面向设备间短距离低速率的信息交互,是降低自动化成本、提高自动化系统应用范围的最有潜力的技术[1]。工业无线技术使用户在目前有线的基础上,进一步扩大了检测范围,尤其是在接线困难或分布分散的检测区域,例如管道、罐区、野外等场合,通过采用无线传输的方式,将多重变量、诊断、设备状态等各种数据信息发送到控制室[2]。WIA-PA(Wireless Networks for Industrial Automation Process Automation)标准是中国工业无线联盟针对过程自动化领域指定的WIA子标准[3],是具有我国自主知识产权、符合我国工业应用国情的一种无线标准体系,是基于IEEE802.15.4标准的用于工业过程测量、监视与控制的无线网络系统。

相较于同为工业无线技术标准的HART而言,WIA-PA的技术支持力度、相关开发工具更多,因此本文采用WIA-PA技术,结合热电偶、A/D转换器构成测温装置,采用MSP430F5438A单片机设计了一种无线温度变送器。

1WIA-PA概述

WIA-PA标准是由863先进制造技术领域《工业无线技术及网络化测控系统研究与开发》项目(2007AA041201)提出。参加该项目的有中科院沈阳自动化研究所、北科大、浙大、重庆邮电大学、上海工业仪表自动化研究院等。WIA-PA具有以下重要特点。

1.1　基于网状及星型混合网络拓扑

WIA-PA为两层拓扑结构,其下层为星型结构,由簇首和簇成员构成;上层为网状结构,由网关和各簇首(兼作路由设备)构成。这样的设计保证簇成员不必选择传输路径,仅一跳即可将测量信息传送给簇首,克服了网状拓扑传送延迟的不确定性;又能利用网状结构的节点部署的灵活性和多路径抗干扰的能力,平衡了工业自动化要求无线传输确定性和可靠性的矛盾。网络拓扑结构如图1所示。

图1　网络拓扑结构

1.2　IEEE 802．15．4协议体系

WIA-PA完全采用IEEE 802．15．4协议体系,这是因为该体系是当前无线短程网的主流协议体系,所有工业用、民用和军用的无线体系协议几乎都在物理层和MAC层遵循其规范,而在数据链路子层、网络层、应用层上则各自自行定义。

1.3　集中和分布式混合管理架构

WIA-PA网络中使用集中式管理和分布式管理相结合的管理架构。集中式管理由网络管理者和安全管理者集中完成,它们直接管理路由设备和现场设备。在网络管理者和安全管理者直接对现场设备进行管理时,路由设备只执行管理信息的转发,不承担簇首角色。分布式管理由网络管理者/安全管理者和簇首共同完成,网络管理者/安全管理者直接管理路由设备,并将对现场设备的管理权限下放给路由设备,路由设备承担簇首角色,执行网络管理者/安全管理者代理的功能。这一设计克服了全网状结构的网管采用集中管理的可能弊端,便于维护网络长期可靠的运行[4]。

1.4　集中式管理架构

网络管理者主要负责集中管理功能,即构建和维护由路由设备构成的Mesh结构;分配Mesh结构中路由设备之间通信所需资源;预分配路由设备可向下分配给构成Star结构的现场设备的资源;检测WIA-PA网络性能,包括设备状态、路由健康状态和信道状况。Mesh结构的集中式管理架构如图2所示。

综上所述,WIA-PA是一种经过实际应用验证的、适合于复杂工业环境应用的无线通信网络协议。其在时间上(时分多址TDMA)、频率上(FHSS跳频机制)和空间上(基于网状及星型混合网络拓扑形成的可靠路径传输)的综合灵活性,使这个相对简单但又有效的协议具有嵌入式的自组织和自愈能力,大幅降低了安装的复杂性,确保了无线网络具有长期且可预期的性能[5]。

图2　Mesh结构的集中式管理架构

2无线温度变送器的硬件设计

无线温度变送器的功能主要是进行温度测量、就地显示、经WIA-PA网络传送数据和必要的设定操作。因此无线温度变送器的硬件结构由热电偶、放大电路、A/D转换电路、冷端补偿、电源模块、MSP430单片机、液晶显示电路和射频电路等部分构成,其结构框图如图3所示。

图3　无线温度变送器结构框图

该变送器的工作原理是:热电偶将感测的温度信号变换成电压信号,经大电路放大调理,通过A/D转换器将模拟信号转换为数字信号,然后将数字信号送给单片机,单片机对其进行冷端补偿[6]和校准,然后通过射频电路将数据或指令经WIA-PA网络传递给所需的设备,用户可根据液晶显示了解所测的温度和电池电量。

2.1　放大电路设计

放大电路的芯片采用ADI公司的AD8500,其是一款低功耗、精密CMOS运算放大器,最大电源电流为1 μA,最大失调电压为1 mV,典型输入偏置电流为1 pA,以轨到轨输入和输出方式工作。其采用1.8～5.5 V单电源或±0.9～±2.75 V双电源供电。AD8500具有低功耗、低输入偏置电流以及轨到轨输入和输出特性,特别适合各种电池供电的便携式应用。此外,还具有轨到轨输入和输出摆幅能力,有助于采用极低电压工作的系统达到最大的动态范围和信噪比。AD8500的低失调电压特性可使其用于高增益系统中,而不会产生过大的输出失调误差,且能在无需进行系统校准的情况下提供高精度操作,其引脚配置框图如图4所示。

图4　AD8500引脚配置图

2.2　A/D转换电路设计

A/D转换电路的主要芯片采用ADI公司的AD7795,其适合高精度测量应用的低功耗、低噪声、完整模拟前端,内置一个低噪声24位/16位6路差分输入的∑-ΔADC[7],还集成了片内低噪声仪表放大器,因而可直接输入小信号的ADC。

其不仅内置一个精密低噪声、低漂移内部带隙基准电压源,也可采用最多两个外部差分基准电压。其他片内特性包括可编程激励电流源、熔断电流控制和偏置电压产生器,利用偏置电压产生器可将某一通道的共模电压设置为AVDD/2。低端电源开关可用于在两次转换之间关断桥式传感器,从而使系统功耗降至最低。AD7794/AD7795可采用内部或外部时钟工作,输出数据速率可在4.17～470 Hz的范围内变化。

2.3　电源电路设计

电源无线温度变送器采用电池供电,为了便于采购和充电,原型机采用4节AAA电池串联供电,无线变送器各部分的工作电压为6 V,因此电源电路选用TPS5420芯片,具有较宽的输入电压范围(5.5～36 V),较宽的工作温度范围(-40～125 ℃),连续输出电流达2 A,并拥有过流限制、过压保护、热关断等特点,其主要工作就是为其他电路提供5 V基准电压和24 V工作电压。

图5　电源电路图

2.4　射频电路设计

为加快开发进度并保证工作的可靠性,射频电路以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SIA2420为主,该模块功耗小,适用于长期供电。同时其具有硬件加密、安全可靠、组网灵活、抗毁性强等特点,为家庭自动控制、工业监控、传感网络、消费电子、智能玩具等提供了理想的解决方案,其外部引脚示意图如图6所示。

图6　无线通信模块外部引脚图

无线通信模块的24个引脚中,TCK、TMS、TDI和TDO用于模块程序的烧写,GND、VCC、TXD和RXD用于和用户设备的相应引脚相连。此无线通信模块提供了一个用于低功率嵌入式设备的接口,从而实现无线网络和上层网关进行数据通信,并且定时提供同步时间信息、本地配置信息和诊断等信息[8]。

MSP430F5438A与无线通信模块之间通过异步串行UART进行数据通信,将MSP430F5438A的RXD0和TXD0分别接到无线通信模块的TXD和RXD,即可实现测温模块和无线模块的数据通信。仪表模块与通信模块的接口示意图如图7所示。

图7　仪表模块与通信模块接口示意图

在实际设计中,将具有数据采集功能的器件集成在一块PCB板上实现对信号的采集变换和处理,将射频电路和天线单独制作成一块PCB上,中间采用接插件连接,由此可避免射频模块的高频信号对数据采集部分的干扰,且可缩小整个系统的横向面积。

3软件设计

3.1　软件工作流程

在整个温度变送器中,仪表通过串口中断和定时器中断将热电偶采集到的温度数据经一系列处理后传递给MSP430,再经主控制器的分析处理后,一方面将处理结果在液晶屏上显示,另一方面,将数据打包发送至串口,完成通信任务后进入低功耗模式。软件工作流程如图8所示。

图8　软件工作流程图

3.2　温度数据采集流程

热电偶输出的电压信号被放大并进行A/D转换后,根据相应的数字量可求出热电偶的电位差,查询分度表可得热电偶两端的温度差。同时,通过相应的数字温度芯片得到冷端的温度。此时,可根据热电偶的温度差,得出测量端的实际温度值[9]。温度数据采集流程如图9所示。

图9　温度数据采集流程

3.3　WIA-PA网络配置及管理

无线温度变送器是通过无线模块加入WIA-PA无线网络的,WIA网络安装运行之后,用户可通过WIA-NET800开发套件对整个网络进行配置和实时监控,例如连接网关、配置设备数据率和实时观察设备路径信息。WIA网络管理主界面如图10所示。

图10　WIA网络管理主界面

无线温度变送器要加入WIA-PA网络,就要进行必要的设置,需要进行配置的参数有网络ID、可用信道、广播信道、节点的设备类型、设备数据率等参数。网络ID是为了区分不同WIA-NET800开发套件组的网络标识,只有网络ID一致的网关和设备才能相互通信。WIA-PA网络采用2.4 GHz频段11～26共16个信道,为了避免与用户同样采用2.4GHz频段的其他无线设备相互干扰,所以需要用户为无线网络设置可用信道。无线网络中的网关和设备会在指定信道上发送广播,以实现网络的组建。因此,一定要保证网关和设备广播信道的一致性。若广播信道与用户其它相同频段的无线设备有所冲突,也应将其修改到无干扰的信道上[10]。

4温度测试结果分析

在接入系统并且通信正常后,对无线温度变送器进行精度测试,以检查仪表通信的准确性,通过标准信号源的输入,通过对系统进行0～800 ℃的温度取点测量,得到实际测量温度和标准信号源输入温度的误差和精度,结果如表1所示。

表1　测量精度误差与精度

从表中可以看出,无线变送器温度采集精度稳定保持在5‰之内,误差的来源主要是基准电压误差、放大器增益误差等。

5结束语

针对当前工业现场无线传感器网络的发展和工业上对无线变送器的需求,本文设计的无线温度变送器,将无线通信技术与温度采集技术结合,实现了低功耗、高精度的实时温度采集和较高质量的无线传送。相信随着无线传感器网络在工业上的快速发展,将实现更低功耗的数据采集电路和无线传输模块。

参考文献

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