上海自動(dòng)化儀表股份有限公司
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閱讀：843發(fā)布時(shí)間：2022-1-17
溫度是工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)用泛、最基礎(chǔ)的參數(shù)之一，經(jīng)常需要對(duì)其進(jìn)行及時(shí)監(jiān)控。當(dāng)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)遇到測(cè)量溫度點(diǎn)不適合布線時(shí)，工作效率驟降，從而影響工業(yè)生產(chǎn)的安全及質(zhì)量。
這時(shí)，無(wú)線溫度變送器中的應(yīng)用，有利于對(duì)溫度及時(shí)采集處理、存儲(chǔ)顯示，對(duì)于提升生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量等有重要作用。
無(wú)線通信溫度變送器通常采用電池供電，及時(shí)采集溫度參數(shù)與變送器供電電池的消耗成為一對(duì)相互制約的因素降低變送器自身的功耗叫延長(zhǎng)電池的使用壽命或可提高采集溫度參數(shù)的實(shí)時(shí)性，變送器自身的功耗成為無(wú)線溫度變送器質(zhì)量水平的重要指標(biāo)應(yīng)用低功耗單片機(jī)可提高溫度點(diǎn)測(cè)量頻率，有利十對(duì)溫度及時(shí)采集處理。
WIA-PA技術(shù)是專用于工業(yè)環(huán)境的無(wú)線通信技術(shù)，它具有較強(qiáng)的抗力、低功耗、實(shí)時(shí)通信等優(yōu)勢(shì)工廠自動(dòng)化檢測(cè)和控制中，對(duì)環(huán)境惡劣、布線困難、腐蝕污染等領(lǐng)域的過(guò)程參數(shù)和設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控因此，結(jié)合低功耗設(shè)計(jì)的WIA - PA溫度變送器可以提高溫度測(cè)量的效率變送器具有功耗低性能可靠、成本低、安裝容易、維護(hù)、便捷等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)控制領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。
| 分度號(hào) | 測(cè)量范圍 |
| B分度號(hào)熱電偶 | 400℃-1800℃ |
| E分度號(hào)熱電偶 | 0℃ -800℃ |
| J分度號(hào)熱電偶 | 200℃-1200℃ |
| K分度號(hào)熱電偶 | 0℃-1300℃ |
| N分度號(hào)熱電偶 | 0℃-1300'C |
| R分度號(hào)熱電偶 | 0℃-1600℃ |
| S分度號(hào)熱電偶 | 0℃-1600℃ |
| T分度號(hào)熱電偶 | 200℃-400℃ |
| Ptl00熱電阻 | -200℃-850℃ |
2）基本誤差:±0.5%F.S
3）相對(duì)濕度:5%~95%
4）振動(dòng)：10HZ≤f≤150HZ,振動(dòng)<0.075mm
5）輸入輸出絕緣電阻：>20MW
6）輸入輸出隔離耐壓：>500V
7）溫度范圍：-25℃~+70℃
8）通信協(xié)議：符合WIA-PA協(xié)議要求
9）供電方式：采用C型不可充鋰電池：
電源電壓：3.6V
電池電量．19Ah
10本安等級(jí)：Ex ia IIC T3/T4
2.硬件設(shè)計(jì)
變送器的硬件包括溫度信號(hào)調(diào)理模塊ADC模塊、MCU模塊、WIA-PA無(wú)線模塊、電池和電源調(diào)理模塊傳感器送來(lái)的溫度信號(hào)，經(jīng)溫度信號(hào)調(diào)理模塊、ADC模塊、轉(zhuǎn)換為碼值后送拿MCU模塊，進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算處理WlA-PA無(wú)線模塊負(fù)責(zé)將處理后的數(shù)據(jù)，通過(guò)WIA-PA鏈路周期性地發(fā)送給網(wǎng)關(guān)，變送器工作所需全部電源由電池提供。
變送器支持全輸入信號(hào)，接人熱電偶或熱電阻信號(hào)后，經(jīng)過(guò)一級(jí)RC低通濾波后，直接進(jìn)入帶有休眠模式的低功耗ADC，周期性地進(jìn)行單次轉(zhuǎn)換限度地降低了功耗，有效地節(jié)約了硬件設(shè)計(jì)成本，同時(shí)精度保證0.2級(jí)。
MCU模塊的主芯片采用以低功耗著稱于世的MSP430系列芯片，是一款非常好的低功耗MCU，適當(dāng)選擇它的工作模式．可以大大延長(zhǎng)變送器壽命MSP430共有5種省電方式，即LPM0~4系統(tǒng)在LPM0-LPM3方式下可以被喚醒．LPM4則不能變送器用內(nèi)部IDCO作為MCLK和SMCLK．外部XIN端接32768HZ的手表晶體，作為ACLK 、ACLK作為UART和定時(shí)器的時(shí)鐘源，通過(guò)UART和定時(shí)器中斷．可以喚醒MCU。
變送器通信模塊采用WIA-PA無(wú)線模塊，它是一款符合我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《用于過(guò)程自動(dòng)化的WIA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與通信規(guī)范( WIA-PA)》的高可靠、低功耗的專用于工業(yè)級(jí)的無(wú)線OEM產(chǎn)品采用符合IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線射頻芯片和MSP430系列的低功耗16位MCU，引入了能量管理技術(shù)，在WlA-PA網(wǎng)絡(luò)中工作的最小電流消耗僅為55uA支持全網(wǎng)同步的休眠和喚醒模式，平均電流消耗為微安級(jí)，支持網(wǎng)內(nèi)報(bào)文聚合，降低了網(wǎng)絡(luò)開(kāi)銷。
WIA溫度變送器的電流消耗：MCU、ADC和信號(hào)調(diào)理模塊、WIAPA無(wú)線模塊、電源調(diào)理變送器的休眠方式為各功能模塊分別休眠設(shè)計(jì)的整機(jī)電流消耗
I=IADC+IMCU_MODE+IWIA_MODE+Ibatt
表格1功耗分布
| 功能模塊 | 電流消耗 | |
| 電源調(diào)理 | 2uA | |
| MCU | 休眠 | 1.3uA |
| 工作 | 500 uA | |
| ADC及信號(hào)調(diào)理 | 休眠 | 1uA |
| 工作 | 3mA | |
| WIA-PA無(wú)線模塊 | 休眠 | 55 uA |
| 接收 | 30mA | |
| 發(fā)射 | 120mA | |
3、軟件設(shè)計(jì)
變送器上電后，先執(zhí)行一系列初始化使用時(shí)，需進(jìn)行標(biāo)定和配置入網(wǎng)之前，需進(jìn)行離線組態(tài)，以后初始化后直接進(jìn)入低功耗模式溫度信號(hào)采集、無(wú)線通信等均在外部中斷中執(zhí)行
中斷退出后，變送器立即返回低功耗模式通過(guò)軟件設(shè)置控制位，使MCU進(jìn)入低功耗模式，即CPU處于禁止、直流發(fā)生器禁止、主時(shí)鐘禁止、輔助時(shí)鐘活動(dòng)的狀態(tài)，這是CPU的主要工作模式：ACLK由外部低頻晶振提供，作為外部中斷的時(shí)鐘源 以便中斷到來(lái)時(shí)，迅速進(jìn)入活動(dòng)模式。
變送器發(fā)送無(wú)線數(shù)據(jù)給WIA - PA無(wú)線模塊的軟件流程圖，如圖3所示定時(shí)器中斷到來(lái)時(shí)，變送器從低功耗模式返回到活動(dòng)模式，首*行溫度信號(hào)采集和數(shù)據(jù)處理，然后通過(guò)異步串行通信端口發(fā)送至WIA -PA無(wú)線模塊無(wú)線模塊立即從低功耗模式返回活動(dòng)模式，接收MC的數(shù)據(jù)，之后進(jìn)行CRC校驗(yàn)，若正確則通過(guò)WIA-PA無(wú)線鏈路發(fā)送拿網(wǎng)關(guān)，一次溫度數(shù)據(jù)傳輸完成。
4、測(cè)試和結(jié)論
網(wǎng)絡(luò)中只有一臺(tái)WIA-PA溫度變送器在線時(shí)，超幘長(zhǎng)度=32s變送器處于三種活動(dòng)模式的時(shí)隙共有14個(gè)，剩余2032時(shí)隙整機(jī)休眠。其中12個(gè)時(shí)隙變送器處于接收協(xié)議幀模式，如圖4所示：1個(gè)時(shí)隙，變送器處于發(fā)送協(xié)議幀模式，如圖5所示；1個(gè)時(shí)隙，變送器處于發(fā)送周期數(shù)據(jù)幀模式，如圖6所示。
各狀態(tài)的電流消耗和持續(xù)時(shí)間，如表2所示：
| 整機(jī)狀態(tài) | 設(shè)備子狀態(tài) | 電流消耗I | 時(shí)間T | 狀態(tài)數(shù) |
| 發(fā)送周期數(shù)據(jù)幀 | 數(shù)據(jù)采集 | 4.7mA | 2.7ms | 1 |
| 發(fā)射數(shù)據(jù) | 105 mA | 2.8ms | ||
| 接收ACK | 27.5 mA | 1.8ms | ||
| 發(fā)送協(xié)議幀 | 無(wú)線模塊活動(dòng)模式 | 4.7mA | 3.5 ms | 1 |
| 發(fā)送協(xié)議幀 | 105 mA | 2.2 ms | ||
| 接收協(xié)議幀 | 無(wú)線模塊活動(dòng)模式 | 4.7 mA | 1.5 ms | 12 |
| 接收協(xié)議幀 | 27.5 mA | 5.7 ms | ||
| 休眠 | 55uA | 31.9s | 2034 | |
對(duì)于容量的電池，整機(jī)壽命:
T=C/IAVR=91370h=10.4Year
5.現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)例介紹
本文設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一種符合WlA-PA協(xié)議低功耗溫度變送器，變送器的設(shè)計(jì)從硬件整體設(shè)計(jì)到各模塊的設(shè)計(jì)、及軟件設(shè)計(jì)，均以低功耗設(shè)計(jì)為原則產(chǎn)品通過(guò)電流消耗實(shí)驗(yàn)考核，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性，整機(jī)壽命超過(guò)10年，有效地降低了WIA-PA溫度變送器的電流功耗 著WIA-PA工業(yè)無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展，有著更廣闊應(yīng)用前景。
該產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域是針對(duì)野外或配套供電環(huán)境不便的場(chǎng)合，如輸油、輸氣、供暖、自來(lái)水等線路管網(wǎng)進(jìn)行溫度或者壓力的監(jiān)測(cè)通過(guò)W IA網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)信號(hào)遠(yuǎn)距離的無(wú)線遠(yuǎn)傳，遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控，無(wú)線傳輸無(wú)需現(xiàn)場(chǎng)布線，省去了常規(guī)儀表現(xiàn)場(chǎng)布線的麻煩，節(jié)省了人力及施工成本，大量使用于不適宜布線或供電的應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)，是傳統(tǒng)溫度、壓力變送器的理想升級(jí)換代產(chǎn)品。
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