CN103152188A - 一种基于国际工业无线标准的网络管理设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于国际工业无线标准的网络管理设备，涉及工业自动控制、无线通讯及物联网领域，它包括基于ARM的微处理器模块、射频接口部分、网络接口部分、RS232串行接口部分、RS485接口部分和电源部分；所述微处理器模块一端采用SPI总线与射频接口部分互连接，完成射频数据的收发，该模块由电源部分提供电源；其另一端分别与网络接口部分、RS232串行接口部分、RS485串行接口部分互连接；该设备分别完成和上位机的通讯，和工业现场设备的数据交互，也可以把现场设备数据通过以太网传递给远端客户数据交互；由于采用WIA-PA工业无线标准，使具有数据传输稳定性高，能够适应工业现场的各种干扰，同时配有上位机软件和嵌入式WEB界面，方便了各设备之间的数据交互。
Description
技术领域
本发明涉及自动控制、工业无线网络、物联网领域，具体地说是一种基于国际工业无线标准的网络管理设备。
背景技术
随着控制、计算机、通信、网络等技术的发展，信息交换沟通的领域正在迅速覆盖从现场设备到各个控制领域，而兴起于本世纪初的工业无线技术引发了传统工业测控模式的重大变革，工业无线网络是从新兴的无线传感器网络发展而来的、具有低成本、低能耗、高度灵活性等特点。已成为继工业总线后又一个研究热点，现在国际上的以美国、德国为代表的西方工业强国投入巨资展开了工业无线关键技术研发工作。
工业无线网络要求是一种能够应用在恶劣的工业现场环境，具有较高的抗干扰能力、高的安全性和实时性，以上这些要求是工业无线需要突破的技术难题。
工业无线优势在于：有效的解决布线成本在工业自动化领域的制约，使工业自动控制向一种低成本方向发展，同时无线网络可以有效地解决有线所不能到达地方的数据采集，可以使整个的控制系统无盲点，能更有效地发挥控制系统的作用。
工业无线是适应工业发展要求的。面对现在工业控制智能化的不断提高，以及物联网技术的兴起，工业无线网络有着广阔的应用空间及市场需求；国际上主要的工业控制公司都对工业无线有着浓厚的兴趣，也开始投入大量人力和物力开始开发工业无线设备，工业无线网络设备会以更快的速度发展并且得到较为广阔的应用。
工业无线网络管理设备，正是为适应这一行情而研发的具有多接口的网络管理设备，有效的管理无线采集终端及路由，同时能把无线采集的数据经过本设备传递到第三方设备，或者传递给本地工控机，也可以通过远程的WEB界面对本设备进行操作，可以远程得到现场的时时数据，增加了工业设备的远程监控能力。
伴随现在国际上工业无线的研发资金投入，已经越来越多的大型自动化公司开始着手开展此项业务，国际工业无线联盟也在着手开发以WirelessHART协议为基础的工业无线网络设备，国际工业联盟包括如ABB，艾默生，E+H，西门子等自动化产业的领军企业。正是面临着这样国际背景，我国工业无线网络产品的开发也已经迫在眉睫，工业无线注定会成为未来工业仪表的一个主导方向。
发明内容
针对上述工业无线设备在工业现场环境中适应差的问题，本发明的目的是提供一种可以适应工业现场恶劣环境，可以稳定传输工业现场设备的数据、并对其设备进行管理的基于国际工业无线标准的网络管理设备。
为实现本发明的目的，本发明采取如下技术方案：
一种基于国际工业无线标准的网络管理设备，其特征在于：包括基于ARM的微处理器模块、射频接口部分、网络接口部分、RS232串行接口部分、RS485串行接口部分及电源部分；其中，
所述微处理器模块一端采用SPI总线与射频接口部分互连接，完成射频数据的收发，微处理器模块的供电输入端接电源部分；微处理器模块的另一端分别与网络接口部分互连接，完成与以太网的数据交互，与RS232串行接口部分互连接，完成与本地上位机的数据交互，与RS485串行接口部分互连接，完成与工业现场设备的数据交互。
所述微处理器模块包括：
MCU，采用Atmel公司的AT91RM9200芯片或AT91SAM9260芯片；
外扩存储器SDRAM和串行Flash，其中，SDRAM选用Micron公司的MT48LC4M32B芯片，用于运行复杂算法和协议栈软件；
外扩串行Flash，采用Atmel公司的SPI接口串行Flash，选用AT45DB321D芯片，用于存储程序代码。
所述射频接口部分包括：
射频芯片，采用TI公司的芯片CC2420；
还增设LNA低噪声放大电路，该电路置于射频芯片的发射端，该电路的输入端RF_IN与射频芯片的射频输出端RF_IN连接，该放大电路使本射频部分适用于远距离传输数据。
所述网络接口部分为以太网物理层芯片，其引脚Ethernet_TX+，Ethernet_TX-接微处理器模块对应的数据发送端，引脚Ethernet_RX+，Ethernet_RX-接微处理器模块对应的数据接收端，该网络接口部分的另一端连接以太网，通过该网络通讯接口部分，可以方便远程端对本设备进行访问。
所述RS232串行接口部分采用美信公司的MAX3221E工业级RS232串行接口芯片，其引脚RS232_TX连接微处理器模块的串口数据发送端，引脚RS232_RX连接微处理器模块的串口数据接收端，通过本串口可以完成和本地上位机的数据交互，方便现场人员调试和对设备进行故障诊断。
RS485串行接口部分包括采用AD公司的内部带隔离的RS485通讯接口芯片，在其基础上还增设有5V电源隔离模块和避雷保护电路，其中，该通讯接口的电源引脚VCC1接5V电源隔离模块的电源引脚VIN，经该模块输出端VOUT接通讯接口U5的电源引脚VCC2，实现5V电源的隔离；避雷保护电路包括自恢复保险丝和瞬态抑制二极管，该电路的两端点A、B与通讯接口对应端连接，通过瞬态抑制二极管的导通实现避雷保护。
该设备还包括GPRS通讯部分，采用工业级GPRS模块EM310，GPRS通讯部分一端与微处理器模块交互接，其另一端接远端服务器，实现数据交互。
所述电源部分包括：
开关电源电路和稳压电源电路，其中开关电源电路采用两个芯片LM2576-5.0，其中一片接GPRS通讯部分电源输入端，另一片接射频部分和各接口部分电源输入端；稳压电源电路采用芯片1117-3.3V和1117-1.8V，接微处理器模块的3.3V和1.8V电源输入端。
本发明的有益效果如下：
1、本发明由于采用网络接口部分，可以实现远距离数据传输，即通过该网络接口部分，实现该管理设备接入以太网，就可远程观察工业现场设备的实际的运行参数，进而对现场设备进行参数设定，已达到对现场设备的远程管理，同时通过改网络接口可以对现场的无线设备进行配置组网工作。
2、本发明由于采用RS485串口接口部分，通过该接口采集工业现场设备数据，通过微处理器模块，将该数据传给以太网，实现远程数据采集，使用户可远程了解现场设备运行状况。
3、本发明的射频接口部分由于采用低功耗的芯片，可实现无线数据的采集，将采集的数据传递给微处理器模块，该数据经网络接口部分传给以太网，使用户实时检测现场无线设备运行状态。
3、本发明的射频部分由于采用低功耗的芯片，可实现无线数据的采集，将采集的数据传递给微处理器模块，该数据经网络接口部分传给以太网，使用户可以实时检测现场无线设备运行状态。
4、本发明利用RS232串口接口与本地上位机数据通信，通过上位机的故障分析软件，可以完成对本设备进行故障诊断，现场管理人员通过上位机软件及时发现本设备的运行故障，使现场管理人员及时处理本设备故障，避免由于本设备故障带来的经济损失。
5、接口方式多样性。由于本设备采用多种接口方式，可以方便的把现场各个设备的运行数据，通过以太网方式传递给远端客户，方便客户与现场设备的实时数据交互。
6、硬件设计稳定。本设备由于采用工业级的ARM芯片，在电路设计上采用4层印刷电路板结构，把电源层和地层分开布置，地层大面积的布置铜皮可有效地减少整个电路板的噪声干扰，四层电路板大大增加了有效布线空间，使设计更加灵活。外围接口采用隔离的方式，有效地减小了外部电路接口窜入干扰对本设备的影响，以达到本发明性能更加稳定可靠。
7、本发明采用工业无线协议标准WIA-PA，同时也可兼容其他国际工业无线标准。
附图说明
图1是本发明的整体结构框图。
图2是图1中微处理器模块扩展的SDRAM电路图。
图3是图1中微处理器模块扩展的Flash接口电路图。
图4是图1中的RS232串行接口部分电路图。
图5是图1中RS485串行接口部分电路图。
图6、7是图1中射频接口部分电路图。
图8是图1中的网络接口部分电路图
图9、10、11是图1中设备电源部分电路图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明方案作进一步详细说明。
如图1所示，是本发明的整体结构框图。一种基于国际工业无线标准的网络管理设备，包括基于ARM的微处理器模块、射频接口部分、网络接口部分、RS232串行接口部分、RS485串行接口部分及电源部分；其中，
所述微处理器模块一端采用SPI总线与射频接口部分互连接，完成射频数据的收发，微处理器模块的供电输入端接电源部分；微处理器模块的另一端分别与网络接口部分互连接，完成与以太网的数据交互，与RS232串行接口部分互连接，完成与本地上位机进行数据交互，与RS485串行接口部分互连接，完成与工业现场设备的数据交互。
所述微处理器模块包括：
MCU，采用Atmel公司的芯片AT91RM9200或AT91SAM9260；
还外扩存储器SDRAM和串行Flash，其中，SDRAM选用Micron公司的32位同步动态随机存储器芯片MT48LC4M32B，具有64MByte的存储空间，用于运行复杂的算法和协议栈软件；
外扩串行Flash芯片，采用Atmel公司的SPI接口串行Flash芯片AT45DB321D，用于存储程序代码。
所述微处理器模块为核心控制电路，核心控制电路采用Atmel公司的ARM内核的AT91RM9200芯片，工作在180MHz时性能高达200MIPS，内部附加16K的SRAM和128K的ROM，4个同步异步串行接口，外扩的EBI接口可以支持SDRAM，NAND Flash存储介质，具有独立的媒体接口以及多媒体卡、SD卡接口；丰富的接口和片上资源使本网络管理设备可以运行更加复杂的程序，同时可以在片上直接运行较复杂的算法。
如图2所示，是图1中微处理器模块扩展的SDRAM电路图。微处理器模块部分外扩的同步动态随机存储器SDRAM芯片U1，采用MT48LC4M32B，此芯片具有32位的数据接口DQ0～DQ31，和12条地址总线A0～A11分别与微处理器模块的数据总线和地址总线对应短相连，来实现数据的的存储和读取操作，与核心控制电路芯片AT91RM9200相连接。
如图3所示，为微处理器模块外扩Flash接口部分电路图。Flash采用Atmel公司的SPI串行接口Flash芯片U2，该芯片为AT45DB321D具有4MByte的存储空间，可以存储较大的程序代码，为整个系统的复杂编程提供硬件支持，该芯片U2的管脚WP通过一个电阻R2接地，管脚WP低电平可以保护芯片内程序处于写保护状态。
如图4所示，为图1中RS232串行接口部分电路图。该串口采用美信公司的MAX3221EEAE工业级RS232串行接口芯片U3，此芯片具有小的16脚SSOP封装，具有±15KV的增强ESD保护，其引脚RS232_TX连接微处理器模块的串口数据发送端，引脚RS232_RX连接微处理器模块的串口数据接收端。
如图5所示，是图1中RS485串行接口部分电路图。所述RS485串行接口部分包括采用AD公司的内部带隔离的RS485通讯接口U5，选择芯片ADM2483，在其基础上还增设有5V电源隔离模块U4和避雷保护电路，其中，通讯接口的电源引脚VCC1接5V电源隔离模块U4的电源引脚VIN，经该模块输出端接RS485串行接口U5的电源引脚VCC2，实现5V电源的隔离；避雷保护电路包括自恢复保险丝F1、F2和瞬态抑制二极管TVS1，RS485通讯接口的输出信号端A、B与瞬态抑制二极管TVS1两端并接，该二极管TVS1两端分别串接保险丝F1、F2来实现短路保护，当外部连接线短路时，可以通过保险丝F1、F2的自动断开，来实现对本设备的保护；使用瞬态抑制二极管TVS1，当有瞬间大电流产生时，瞬态抑制二极管TVS1将导通，来保护RS485通讯接口部分和其它器件免于损坏。
因为RS485具有较远的传输距离，数据传输稳定，电路设计简单，故在工业上得到广泛应用，本设备为了和现场其他设计能够有较好的数据交互接口，故留有RS485通讯接口，支持Modbus RTU通讯协议。
所述射频接口部分包括：
射频芯片U6，采用TI公司的芯片CC2420，
还增加LNA低噪声放大电路，该电路置于射频芯片的发射端，该放大电路采用PA2423L芯片U7或MAX2240，使本射频部分适用于远距离传输数据。
如图6、7所示，是图1中射频接口部分电路图。由于本设备为无线网络管理设备，故射频接口部分就显的尤为重要，射频芯片U6，采用TI公司的完全兼容IEEE802.15.4协议标准的CC2420射频芯片U6，数据通讯速率可达250kbps，具有非常低的电流消耗，具有很高的接收灵敏度，可以达到-95dBm；在电路设计上需要很少的外围器件便可以工作，4线的SPI接口可以和微处理器模块芯片AT91RM9200进行通讯，同时具有可调的发射功率，可以保证功耗和发射距离之间的最好选择。在晶振X1的选取上使用16M的无源低温票晶振，保证了CC2420能工作在稳定的射频频段。
图7为上述描述的低噪声放大电路图。本实施例中设计上采用了可以工作在2.4GHz的PA2423L芯片U7，CC2420射频引脚RF_IN连接低噪声放大电路的引脚RF_IN，经低噪声放大电路进行射频发射功率放大，可以使发射功率达到+22.5dBm，同时微处理器可选择是否开启LNA低噪声放大电路，通过其引脚LNA_EN连接微处理器模块的对应控制引脚，进行使能控制，即当该放大电路的引脚RF_EN处于低电平时，该电路工作，当处于高电平时该电路停止工作，这样在电路设计上就充分考虑到了功耗和发送距离的最优考虑，在近距离传输时可以不开启LNA低噪声放大电路，降低功耗，如果需要远距离传输数据可以打开LNA低噪声放大电路，满足数据的稳定传输。
如图8所示，为图1中的网络接口部分电路图。所述网络接口部分为以太网物理层芯片U8，采用芯片KSZ8721，其引脚Ethernet_TX+，Ethernet_TX-接微处理器模块对应的数据发送端，引脚Ethernet_RX+，Ethernet_RX-接微处理器模块对应的数据接收端，该网络接口部分的另一端连接以太网。微处理器芯片AT91RM9200自带媒体接口MAC层，所以外扩一片PHY物理层芯片，便可以实现网络通信功能，KSZ8721BL芯片U8支持MII和RMII两种媒体接口。本设备中和微处理器AT91RM9200使用MII的接口方式，此部分完成了整个设备的网络通信部分。
通过连接微处理模块对应控制引脚和数据接收发送引脚来完成数据的交换工作，本网络接口部分使用TCP/IP协议，同时本设备可以作为嵌入式WEB服务器，可以通过网页的形式直接访问本无线网络管理设备，可以方便远程对本设备进行实时数据交互。
该设备还包括GPRS通讯部分，采用的工业级GPRS模块EM310，GPRS通讯部分一端与微处理器模块串行接口连接，其另一端接远端服务器，实现与远端服务器数据交互。
所述电源部分包括：
开关电源电路和稳压电源电路，其中开关电源电路采用两个芯片U9，选择LM2576-5.0，其中一片给GPRS通讯部分供电，另一片给射频部分和各接口部分提供电源；稳压电源电路芯片U10、U11，采用1117-1.8V和1117-3.3V，给微处理器模块提供1.8V和3.3V电源。
参见图9～图11，是电源部分电路图。它有开关电源电路和稳压电源电路，整个设备需要外部12V直流供电，然后由板上的开关电源芯片U9，采用两个芯片LM2576-5.0进行降压处理，分别给GPRS通讯部分和射频部分和各接口部分供电；中央微处理器AT91RM9200需要两套电压供电，分别是3.3V和1.8V，这部分由芯片1117-3.3V和1117-1.8V电源芯片实现。
设备的RS485供电部分由一块输出功率为1W的5V隔离电源模块U4进行独立供电，隔离电源选用B0505LS-1W，RS485单独供电，同时采用隔离的485通信接口芯片，这样有助于减小通信线窜入干扰信号对整个控制主板产生干扰。
本设备由于采用工业级的ARM芯片，同时在电路设计上采用4层印刷电路板结构，把电源层和地层分开布置，地层大面积的布置铜皮可有效地减少整个电路板的噪声干扰，四层电路板大大增加了有效布线空间，使设计更加灵活。本无线网络管理设备，软件部分采用WIA-PA无线标准协议栈，同时本设备可以支持其它国际工业无线标准协议栈，如WirelessHART。
WIA-PA网络支持星型和网状结合的两层网拓扑结构或者星型拓扑结构，本无线网络管理设备作为WIA-PA的网关设备Gateway，负责全网络的协调和调度工作。WIA-PA网络协议遵循ISO/IEC 7498 OSI的基本参考模型，但只定义了数据链路子层DLSL、网络层NL以及应用层AL，其物理层PHY和介质访问控制子层MAC基于IEEE STD 802.15.4-2006。本网络管理设备软件上还支持嵌入式Web访问，内部带有TCP/IP协议栈，同时支持Http协议。
Claims (8)
1.一种基于国际工业无线标准的网络管理设备，其特征在于：包括基于ARM的微处理器模块、射频接口部分、网络接口部分、RS232串行接口部分、RS485串行接口部分及电源部分；其中，
所述微处理器模块一端采用SPI总线与射频接口部分互连接，完成射频数据的收发，微处理器模块的供电输入端接电源部分；微处理器模块的另一端分别与网络接口部分互连接，完成与以太网的数据交互，与RS232串行接口部分互连接，完成与本地上位机的数据交互，与RS485串行接口部分互连接，完成与工业现场设备的数据交互。
2.按照权利要求1所述的一种基于国际工业无线标准的网络管理设备，其特征在于：所述微处理器模块包括：
MCU，采用Atmel公司的AT91RM9200芯片或AT91SAM9260芯片；
外扩存储器SDRAM和串行Flash，其中，SDRAM选用Micron公司的MT48LC4M32B芯片(U1)，用于运行复杂算法和协议栈软件；
外扩串行Flash，采用Atmel公司的SPI接口串行Flash，选用AT45DB321D芯片(U2)，用于存储程序代码。
3.按照权利要求1所述的一种基于国际工业无线标准的网络管理设备，其特征在于：所述射频接口部分包括：
射频芯片(U6)，采用TI公司的芯片CC2420；
还增设LNA低噪声放大电路，该电路置于射频芯片(U6)的发射端，该电路的输入端(RF_IN)与射频芯片(U6)的射频输出端(RF_IN)连接，该放大电路使本射频部分适用于远距离传输数据。
4.按照权利要求1或2或3所述的一种基于国际工业无线标准的网络管理设备，其特征在于：所述网络接口部分为以太网物理层芯片(U8)，其引脚(Ethernet_TX+，Ethernet_TX-)接微处理器模块对应的数据发送端，引脚(Ethernet_RX+，Ethernet_RX-)接微处理器模块对应的数据接收端，该网络接口部分的另一端连接以太网，通过该网络通讯接口部分，可以方便远程端对本设备进行访问。
5.按照权利要求1或2或3所述的一种基于国际工业无线标准的网络管理设备，其特征在于：所述RS232串行接口部分采用美信公司的MAX3221E工业级RS232串行接口芯片(U3)，其引脚(RS232_TX)连接微处理器模块的串口数据发送端，引脚(RS232_RX)连接微处理器模块的串口数据接收端，通过本串口可以完成和本地上位机的数据交互，方便现场人员调试和对设备进行故障诊断。
6.按照权利要求1或2或3所述的一种基于国际工业无线标准的网络管理设备，其特征在于：RS485串行接口部分包括采用AD公司的内部带隔离的RS485通讯接口芯片(U5)，在其基础上还增设有5V电源隔离模块(U4)和避雷保护电路，其中，该通讯接口(U5)的电源引脚(VCC1)接5V电源隔离模块(U4)的电源引脚(VIN)，经该模块输出端(VOUT)接通讯接口(U5)的电源引脚(VCC2)，实现5V电源的隔离；避雷保护电路包括自恢复保险丝和瞬态抑制二极管，该电路的两端点(A、B)与通讯接口(U5)对应端连接，通过瞬态抑制二极管的导通实现避雷保护。
7.按照权利要求1所述的一种基于国际工业无线标准的网络管理设备，其特征在于：该设备还包括GPRS通讯部分，采用工业级GPRS模块EM310，GPRS通讯部分一端与微处理器模块交互接，其另一端接远端服务器，实现数据交互。
8.按照权利要求1所述的一种基于国际工业无线标准的网络管理设备，其特征在于：所述电源部分包括：
开关电源电路和稳压电源电路，其中开关电源电路采用两个芯片(U9)LM2576-5.0，其中一片接GPRS通讯部分电源输入端，另一片接射频部分和各接口部分电源输入端；稳压电源电路采用芯片1117-3.3V(U11)和1117-1.8V(U10)，接微处理器模块的3.3V和1.8V电源输入端。
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Application publication date: 20130612 |
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |