针对传统的工业压力表需铺设电缆进行数据传输而导致的高成本问题,详细介绍了一种基于 WIA - PA的无线压力仪表的软、硬件设计方案。该无线压力仪表以WIA - PA无线网络技术为基础,采用 集成了 2.4 GHz射频功能的CC2431作为主处理芯片,成本低,组网灵活,数据传输安全性及可靠性较高。 工业现场应用表明,该无线压力表可实现数百米的稳定传输,且误码率小于1 %。

0.引言

在工业领域内,传统的压力仪表需要通过电缆 传输其采集到的数据,成本高,并由此带来人工费用 和日后的维护费用问题。另外,有些场合难以铺设 电缆,若需要增加仪表,则必须重新挖开电缆沟铺设 电缆,成本明显上升。无线压力仪表能很好地解决 传统压力仪表在有线传输方面的不足,成本低,数据 传输的稳定性强,安全性及可靠性高。

在常用的无线通信技术中，FM (Frequency Modulation)无线技术极易受到干扰,稳定性欠佳；红外无线传输技术对指向性要求很高,发送端和接 收端如果偏离角度或者有障碍物,就会出现不能传 输的问题,再者其传输距离较短,一般不超过10 m; 蓝牙技术传输数据量小,且需要交纳专利费,提高了 开发成本。WIA - PA[1] (Wireless Networks for Industrial Automation - Process Automation)是我 国制定的用于过程自动化的工业网络规范[2],支持 扩频通信与窄带通信(433 MHz低频频段支持窄带 通信,通信距离远,绕障能力好;2. 4 GHz高频频段 支持扩频通信,通信速率高，抗干扰能力强）；采用 TDMA/ CSMA混合接入模式,支持周期性和非周 期性通信负载;具有TDMA、跳频通信、自动重传机 制、Mesh路由、设备冗余等多种措施,通信可靠性 高；WIA - PA网络的物理层和链路层基于 IEEE802. 15. 4标准,符合该标准的设备都能加入 WIA - PA网络,组网方便快捷。因此，笔者基于WIA - PA工业无线网络[3_4]技术,开发了一种实用 的新型无线压力仪表。

1. WIA- PA工业无线网络结构

WIA - PA工业无线网络釆用星型-Mesh

两层拓扑结构,如图1所示。其中第一层为Mesh 结构，由网关设备和路由设备构成;第二层为星型结 构，由路由设备及现场设备或者手持设备构成。

2.无线压力仪表概述

基于WIA - PA的无线压力仪表是一款电池供 电、具有RS485通信功能的高精度智能仪表,适用 于军工、工控等多种领域流体差压、流量的检测,也 可用作测量表压[5]。与传统的压力仪表相比,该压 力仪表增加了无线传输模块,可无线连接到WIA - PA网络,无需现场布线,且由电池供电,方便使用。 无线压力仪表通过检测WIA - PA网络中的超帧信 号加入WIA - PA网络,与路由设备构成星型网络。

该无线压力仪表釆用128 X64点阵液晶显示现 场数据,釆用超低功耗设计,可在现场使用1 a以 上;釆用金属外壳及全密封防爆设计,保证全天候无 忧作业;使用2. 4 GHz ISM频段传送数据,最大传 输速率为250 kbit/ s ,在无干扰的情况下,最大传输 距离为1 km;数据透明传输,一次传递数据包可达 127 B ,釆用硬件128位AES加密。

3.无线压力仪表硬件设计

3.1 总体结构

图2为基于WIA - PA的无线压力仪表的总体 结构,其包括传感器数据釆集部分和数据无线发送 部分。在供电的情况下,传感器釆集到的信号为模 拟信号。该信号要经过信号米集板进行放大及模数 转换成为数字信号,最终在液晶显示屏上显示出来。 经信号釆集板处理后的数字信号能够经过SPI总线 传送到数据无线发送部分的主电路板上。主电路板 的硬件电路设计在一个圆卡上,其能够接收传感器 釆集的数据,对釆集到的数据进行分析处理,完成程 序下载,运行程序,从而实现无线通信,还能够管理 电源(包括电量测量与智能充电等）.

3.2主电路板

图3为基于WIA - PA的无线压力仪表的主电 路板组成原理。主电路板接收到传感器釆集到的信 号后对其进行RS485转换，成为主处理芯片 CC2431所能接收的电平信号，并将其发送到 CC2431[6]。CC2431对数据进行分析处理后,根据 WIA - PA协议在适当的时刻将该数据发送出去。 数据发送过程:CC2431先将数据传送到天线放大 器CC2591 ,将其放大到2. 4 GHz的高频段,然后通 过天线对数据进行无线发送。在现场工业环境中， 信号可能会受到多种因素的干扰,使用CC2591可 提高无线压力仪表的抗干扰能力。此外,天线能将 接收到的信号传送到CC2431 ,CC2431对该信号处 理后,根据WIA - PA协议完成相关的处理操作。 这样无线压力仪表就实现了其与基站或路由设备之 间的数据通信。

3.2. 1电池管理模块

无线压力仪表的电池管理模块釆用MAX8677 芯片。MAX8677具有智能充电功能,当CC2431检 测到电池电量不能满足无线压力仪表的工作要求 时,通过MAX8677为电池充电。充电方式有两种： AC充电和USB充电。当电池温度过高或者电池 充满时,MAX8677能自动取消充电。另外,主电路 板中釆用了稳压器MAX8881与TPS77033 ,以得到 满足无线压力仪表正常工作的稳定电压.

3.2.2无线通信模块

无线通信模块由天线放大器CC2591、低频射频 收发器CC1101和主处理芯片CC2431组成。在无 线通信模块中釆用低频和高频两种频段。一般情况 下釆用高频2.4 GHz,当2.4 GHz频段繁忙时,可 通过低频433 Hz来保证电路的正常工作。为了扩 大射频范围,釆用了 CC2591天线放大器。同时, CC2431通过UART转RS485接口与现场设备通 信,以读取和监督现场设备的工作状态。CC2431 具有高性能、低功耗的8051微控制器内核,能够满 足2.4 GHz IEEE 802. 15.4射频收发要求，同时具 有极高的接收灵敏度和抗干扰性能,且拥有高级加 密标准(AES)协处理器,保证了通信的安全性。 

3.2.3 信号流

图4为基于WIA - PA的无线压力仪表信号 流。从图4可看出,信号釆集板将数字信号传送到 主电路板上的RS485接口进行格式转换,之后数据 进入CC2431 ,根据WIA - PA协议,CC2431在适当 时刻将数据包发送至CC2591 ,最后经天线发送出 去。CC2591相当于一个高频信号发射器,能够加 大发送信号的强度,从而大大降低了无线通信过程 中所受外界干扰的影响。接收数据时信号流动过程 与此相反。

4.无线压力仪表软件设计

4.1WIA-PA协议层次

WIA - PA协议层次结构遵循ISO/ OSI层次结 构,其基于IEEE802. 15.4的物理层和MAC层,并定义了数据链路层、网络层和应用层,如图5所示。

4.2程序流程

图6为基于WIA - PA的无线压力仪表程序流 程。该程序首先初始化硬件部分,即关闭所有的中 断,初始化硬件端口，设置定时器,设置系统的时钟 基准,设置DMA (包括使用DMA Configure数组记 录DMA配置和设置DMA配置结构体的地址），设 置通道,初始化串口 UART ,设置射频,设置中断的 优先级。硬件初始化完成后,开始运行软件初始化 程序 。

软件初始化包括初始化全局系统状态字节、初 始化定时器的值、设置信道和同步时隙、准备信标帧、初始化任务链表为NULL、初始化设备属性、设 置需要周期更新的属性、设置压力表站号、启动 DMA、启动时钟。软件设置完成后，根据WIA - PA协议,无线压力仪表即可申请入网了。

无线压力仪表申请入网流程:无线压力仪表向 WIA - PA网络发送入网请求,之后进入等待阶段, 若入网请求被拒绝,其可休眠一段时间,然后再次发 送入网请求并等待回复;若入网请求得到同意,则无 线压力仪表会收到同意入网的数据包,该数据包中 包含分配给该无线压力仪表的地址和信道号，以及 一些资源信号,如超帧长度、时隙数、在哪个时隙发 送数据、在哪个时隙等待接收数据、在哪个时隙准备 在发送时隙发送的数据、发送数据的周期时间等。

无线压力仪表成功入网后,可以和路由设备正 常通信。路由设备可将无线压力仪表数据发送至网 关,网关可连接主控计算机,从而在主控计算机上获 得无线压力仪表在现场米集的数据。

当不需要无线压力仪表工作时，网关设备可以 发送指令,通知无线压力仪表进入休眠状态,以降低 能耗。需要釆集数据时，网关设备向无线压力仪表 发送指令将其唤醒。

5.结语

基于WIA - PA的无线压力仪表釆用CC2431作为主控制芯片,不仅具有传统压力仪表的优点,而且没有现场布线的成本花费,安装灵活,功耗低,数 据通信安全性及可靠性较高,还具有良好的开放性。

目前,该无线压力仪表已在工业现场应用，经测试，其可实现数百米的稳定传输,误码率小于1 %。