CN106487413A - 一种基于工业无线网络wia-pa无线通信标准的监听系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于工业无线网络WIA-PA无线通信标准的监听系统及方法，RS232接口及通信电路与USB接口及通信电路连接到通信接口共存电路，将接收到的信号发送到通信接口共存电路；所述通信接口共存电路通过通信接口转换电路和接口电路连接到MCU，将信号通过转换后发送到MCU进行控制；所述MCU依次连接射频收发器和功率放大器，功率放大器的另一端连接有天线接口；数据存储器连接MCU，接收MCU发送的数据信息进行存储。本发明可用于WIA-PA通信信道监听、控制，可方便勘测现场无线通信状况、WIA-PA无线设备运行状态等，便于WIA-PA无线网络通信规划，使项目更好的实施。

Description

一种基于工业无线网络WIA-PA无线通信标准的监听系统及方法

技术领域

本发明涉及工业无线网络WIA-PA无线通信领域，具体地说是一种基于工业无线网络WIA-PA无线通信标准的监听系统及方法。

背景技术

随着我国物联网事业的蓬勃发展，短距离的工业无线网络WIA-PA无线通信系统设备数量大大增加。尤其是工业控制系统的完善，逐步增加了各种WIA-PA无线仪表及控制设备。

然而在大量使用这种无线仪表及设备时，现场设备无线网络在未知的状态下，新增无线设备将会对已有设备造成干扰，或对新增设备造成干扰，容易使其发生同频干扰及邻频干扰，最终导致通信失败。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种基于工业无线网络WIA-PA无线通信标准的用于监控工业无线网络WIA-PA无线设备通信状态的监听系统及方法。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：

一种基于工业无线网络WIA-PA无线通信标准的监听系统，RS232接口及通信电路与USB接口及通信电路连接到通信接口共存电路，将接收到的信号发送到通信接口共存电路；

所述通信接口共存电路通过通信接口转换电路和接口电路连接到MCU，将信号通过转换后发送到MCU进行控制；

所述MCU依次连接射频收发器和功率放大器，功率放大器的另一端连接有天线接口；

数据存储器连接MCU，接收MCU发送的数据信息进行存储。

所述RS232接口及通信电路为带有自动功耗模式的接口电路，且在端口设有端口防护器件。

所述USB接口及通信电路在端口设有端口防护器件。

所述通信接口共存电路包括两个三极管，其发射极均连接USB接口电路，集电极连接通信接口转换电路，基极通过电阻连接分压电路。

所述通信接口转换电路为双刀切换开关，其中TXD脚和RXD连接通信接口共存电路，D-TXD脚和D-RXD脚连接接口电路的低速串口，G-TXD脚和G-RXD脚连接接口电路的高速串口。

一种基于工业无线网络WIA-PA无线通信标准的监听方法，系统上电后，从数据存储器读取配置参数，初始化射频收发器的信道和MCU串口波特率，开始监听该信道上的所有数据和MCU串口的数据；

当射频收发器接收到空间的射频数据时，将接收到的数据转发到MCU串口，然后继续监听射频接收和MCU串口接收；

当MCU串口接收到计算机串口数据时，分析是配置命令还是数据命令，接收到配置命令时，修改相应参数，并存储该参数到数据存储器；

当MCU串口接收到数据命令时，直接发送到射频收发器；然后继续监听射频收发器的射频接收和MCU的串口接收。

本发明具有以下有益效果及优点：

1、本发明为小型化设计，体积小能够方便携带，便于使用节省空间。

2、本发明为使用高强度吕材质壳体，壳体开模一次性加工而成，具有IP65防护等级室内室外使用均可。

3、本发明可对工业无线网络WIA-PA的26个通信信道进行逐一监测，可监测信道内的协议数据、设备信息、网络信息、网络广播、健康报文等。

4、本发明使用USB接口供电及通信大幅减少外部连接器件，支持热插拔达到即插即用效果。使用非常方便灵活。

5、本发明可对工作于工业无线网络WIA-PA的26个通信信道内的设备进行单独控制，可配置无线设备的基础信息、传感器信息、网络信息等。

6、本发明预留了RS232接口，可将监测到的数据通过RS232接口传输至其他监视或存储设备便于数据的存储。

7、本发明可脱机使用，可使用电池供电，电池可使用普通电池5号1.5V*3供电，也可选用锂-亚硫酰氯电池5号3.6V*2供电。

附图说明

图1为本发明的硬件原理框图；

图2为本发明的RS232接口及通信电路原理图；

图3为本发明的USB接口及通信电路原理图；

图4为本发明的通信接口共存电路原理图；

图5为本发明的通信接口转换电路原理图；

图6为本发明的无线通信接口电路原理图；

图7为本发明的MCU电路原理图；

图8为本发明的射频收发器电路原理图；

图9为本发明的功率放大器电路原理图；

图10为本发明的数据储存器电路原理图；

图11为本发明的工作原理流程图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1所示为本发明的硬件原理框图，主要将WIA无线监听工具的功能划分为的几个模块。其中包括：电源模块、USB通信接口模块、RS232通信接口模块、指示模块、通信接口切换模块、射频收发模块、功率收发放大模块、无线主控模块、存储模块、接口模块等。无线主控制器电路是整个电路板的控制核心，用以完成数据通信的转换，它与射频收发模块相结合后实现数字信号至射频信号的转换或将射频信号转换为数字信号。

如图2所示为本发明的RS232接口及通信电路原理图，其中图2(a)的R1、R2一端连接至RS232通信接口，另一端连接至瞬态抑制二极管D2、D3，同时连接至图2(b)的RS232通信电平转换芯片。D2、D3另一端连接至GND，用以完成电压及电流的释放。这样D2、D3、R1、R2就组成RS232通信接口的防护电路，避免误操作或引入的高电压浪涌进行抑制，防止损坏RS232芯片。如图2(b)所示RS232通信电平转换芯片使用TI的SN65C3221芯片，此芯片工作温度范围为+85℃至-40℃，且ESD为±15KV。芯片处于挂起状态使静态功耗仅为1uA。此监听工具通过R6一端连接至VCC一端连接至SN65C3221芯片的16脚给予3.3V电平，R10一端连接至GND一端连接至SN65C3221芯片的12脚给予0V电平，此时将此芯片设计为自动功耗模式且默认处于长接收状态，此状态下实测静态功耗为20uA,发送电流为3mA，可大大延长电池使用寿命。

如图3所示为本发明的USB接口及通信电路原理图，本电路使用USB接口进行整体供电，如图3(a)所示U6使用TI的LDO稳压芯片，此LDO稳压芯片电源纹波极低可稳定的提供TUSB3410芯片的工作电压。U6芯片1脚为电源输入端此引脚直接连接至USB接口J5，5脚为电压输出端，此引脚通过C12、C13两颗电容滤波后给予TUSB3410芯片提供稳定的工作电压。USB通信电路使用TI的高稳定性的USB转串口TUSB3410芯片如图3(b)所示，此芯片为专为工业控制开发的高温度使用范围芯片，本监听工具选用的TUSB3410芯片工作温度范围为+85℃至-40℃，以适应现场应用环境。USB接口至TUSB3410芯片电路布局采用差分布线，滤除干扰使信号传输稳定可靠。此电路还用了端口防护器件如图3(a)U8，此芯片一端连接至GND，另一端连接至R24、R25、C15、C16及USB通信芯片的6、7脚，R24、R25另一端连接至USB接口。R24、R25、C15、C16、U6组成了USB端口保护电路可有效防止USB接口在频繁插拔过程中产生的浪涌电压，避免对TUSB3410的USB端口造成损伤或损换。

如图4所示为本发明的通信接口共存电路原理图，图中Q1的2脚连接至tusb3410的19脚，3脚连接至通信接口转换电路。Q2的3脚连接至tusb3410的17脚，2脚连接至通信接口转换电路。Q1、Q2的1脚分别通过R19、R20连接至由R17、R16组成的分压电路。Q1、Q2在此电路中起着通信隔离信号的作用当USB未插入时设备使用电池供电，Q1、Q2截止通信接口转为RS232接口通信，当USB插入时设备转换为USB接口供电，此时USB电压通过图2的R17、R16分压后得到2.5V电压分别通过R19、R20电阻送至Q1、Q2基极使Q1、Q2处于导通状态，此时切换为USB通信状态，此电路发明点在于使用单片机同一串口能使USB通信与RS232通信共存。

如图5所示为本发明的通信接口转换电路原理图，此设计的重点在于通信转换即图中S2为切换开关，此开关2、5脚连接至通信接口共存电路，1、6脚连接至无线接口的低速串口2、3引脚，3、4脚连接至无线接口的高速串口11、12引脚。本电路通过简单的双刀开关实现高低速串口的切换，用以实现同一串口可与高速串口通信或与低速串口通信，根据使用需求可自由切换。图中D4、D5为收发指示灯，用以提示操作人员是否正常收发数据。D6为电池电量显示指示灯，提示操作人员电池供电是否正常或剩余电量是否正常。

如图6为本发明的无线通信接口电路；图6中J1、J2为无线通信电路的对外接口，便于外部二次开发。进入模块的电源接口处放置C210uF、C3100nF、C415pF的电容做电源滤波防止电源线上的传导干扰。

如图7所示为本发明的MCU电路原理图，图中U1与Y1、Y2、电源、复位电路构成EFM32G230F256单片机的最小系统，用于控制射频收发器及射频功率放大器，并完成与计算机上位机的数据通信功能。此单片机选用了新华龙电子有限公司的EFM32G230F256微控制器，EFM32微控制器是世界上最节能的微控制器之一。其采用一个强大的32位ARM Cortex-M3内核，依靠创新的低能源技术，短暂的节能模式时间唤醒，和各种可选择的外围设备，使得EFM32G230F256微控制器非常适合此监听无线系统。对于MCU的外部接口容易受到干扰的情况，在硬件电路上没有做处理，采用芯片内置的滤波器进行滤除，滤波频率范围20MHz-100MHz，具体EFM32LG230F256datasheet TABLE 3.8GPIO。同时GPIO内部具有ESD防护、可以满足ESD防护要求。EFM32LG230F256MCU的电源管脚VCC处放置100nF的电源去耦电容，MCU的AD供电管脚AVDD按照厂家推荐电路进行设计，VCC电源通过串联磁珠、1R电阻以及放置10uF、100nF电容进行滤波，防止传导干扰。

2.4GHz无线收发功能电路需要包括一个2.4GHz的高性能无线收发芯片；直流滤波电容；高精度内部基准电阻；数字信号上拉、下拉电阻；电容、电阻构成的RC上电复位；32MHz的晶体及负载电容构成外部振荡源。功能主要对符合IEEE802.15.4的2.4GHz频段信号进行无线收发、基带调制解调、MAC处理等。本发明的2.4GHz的高性无线收发芯片为Ti公司的CC2520芯片，如图8所示为本发明的射频收发器电路原理图。2.4GHz频段信号通过Balun转换电路进入CC2520芯片后通过射频信号处理、解调、MAC处理后通过SPI接口直接将数据传输给MCU处理控制电路进行处理控制，相反MCU处理控制电路可以将数据通过SPI接口传输给CC2520芯片然后经过MAC处理、调制、射频信号处理后通过Balun转换电路进入发射通路内进行无线发射；同时MCU处理控制电路可以通过IO对CC2520进行开关、休眠、数据读写等功能操作。CC2520芯片的供电采用厂家推荐的电路设计，VCC通过串联磁珠L2和放置C181uF、C17100nF的电容进行滤波，防止传导干扰，同时CC2520的DVDD管脚对地放置100nF的去耦电容。Balun转换电路由C22、C23、C30、C37、C33、C31及微带线构成，实现2.4GHz频段信号进行差分对信号与单端信号的相互转换，为RFIC芯片提供差分对信号，为其他电路提供单端信号。CC2520较CC2420的Balun电路有很大的差距，CC2520采用了微带的电感代替分立的电感元件，属于PCB敏感元件。在设计PCB电路时应按照CC2520的参考设计进行。为了减少CC2520的杂散发射、降低无用无线电信号对接收机的影响，采用了两级射频滤波电路，第一级CC2520的厂家推荐电路π型LC滤波电路主要用于滤除CC2520的高次谐波，第二级带通滤波器，主要用于滤除CC2520发射的信号经RF2401C放大后的高次谐波，滤除对于接收机无用的带外信号，防止信号阻塞，属于电磁兼容设计。CC2520、RF2401C、BPF主要射频器件进行屏蔽设计、采用18*12*2.75mm的洋白铜屏蔽壳并接地,有效避免电磁干扰、电磁辐射、静电。PCB走线第一层和第三层为射频走线层，其中阻抗线有三种、微带电感8mil宽的阻抗线为110欧姆阻抗线参考地平面为第三层，第一层0.67mm的阻抗线为50欧姆阻抗线，参考地平面为第二层，第三层0.29mm的阻抗线为50欧姆阻抗线，参考平面为第二层和第四层。

如图9所示为本发明的功率放大器电路原理图，为了满足发射功率为19dBm此射频放大电路采用RFX2410C进行功率放大。RFX2401C是一款性能优越的射频前端芯片，它以3*3*0.5的封装尺寸，集成了PA，LNA以及RFswitch。

RFX2401C采用VCC串联磁珠L3和放置C201uF、C1115pF电容进行滤波，防止传导干扰。RFX2401C的5、6脚既RFswitch通过电阻R9、R10连接到单片机的控制管脚同时连接至CC2520的收发控制管脚，使其工作在发送模式或接收模式。

如图10所示为本发明的数据储存器电路原理图。数据存储器包括Flash等存储器。图10中U5芯片为MCU的外部存储器电路，用于存储用户的设定数据。

如图11所示为本发明的工作原理流程图，设备上电后，从Flash读取配置参数，初始化射频接口的信道和串口波特率，开始监听该信道上的所有数据和串口的数据。当接收到射频数据时，将接收到的数据转发到串口，然后继续监听射频接收和串口接收。当接收到串口数据时，分析是配置命令还是数据命令，接收到配置命令时，修改相应参数，如广播信道、PAID等，并存储该参数到Flash；接收到数据命令时，直接发送到射频；然后继续监听射频接收和串口接收。

Claims (6)

1.一种基于工业无线网络WIA-PA无线通信标准的监听系统，其特征在于：

RS232接口及通信电路与USB接口及通信电路连接到通信接口共存电路，将接收到的信号发送到通信接口共存电路；

所述通信接口共存电路通过通信接口转换电路和接口电路连接到MCU，将信号通过转换后发送到MCU进行控制；

所述MCU依次连接射频收发器和功率放大器，功率放大器的另一端连接有天线接口；

数据存储器连接MCU，接收MCU发送的数据信息进行存储。

2.根据权利要求1所述的基于工业无线网络WIA-PA无线通信标准的监听系统，其特征在于：所述RS232接口及通信电路为带有自动功耗模式的接口电路，且在端口设有端口防护器件。

3.根据权利要求1所述的基于工业无线网络WIA-PA无线通信标准的监听系统，其特征在于：所述USB接口及通信电路在端口设有端口防护器件。

4.根据权利要求1所述的基于工业无线网络WIA-PA无线通信标准的监听系统，其特征在于：所述通信接口共存电路包括两个三极管，其发射极均连接USB接口电路，集电极连接通信接口转换电路，基极通过电阻连接分压电路。

5.根据权利要求1或4所述的基于工业无线网络WIA-PA无线通信标准的监听系统，其特征在于：所述通信接口转换电路为双刀切换开关，其中TXD脚和RXD连接通信接口共存电路，D-TXD脚和D-RXD脚连接接口电路的低速串口，G-TXD脚和G-RXD脚连接接口电路的高速串口。

6.一种基于工业无线网络WIA-PA无线通信标准的监听方法，其特征在于：系统上电后，从数据存储器读取配置参数，初始化射频收发器的信道和MCU串口波特率，开始监听该信道上的所有数据和MCU串口的数据；

当射频收发器接收到空间的射频数据时，将接收到的数据转发到MCU串口，然后继续监听射频接收和MCU串口接收；

当MCU串口接收到计算机串口数据时，分析是配置命令还是数据命令，接收到配置命令时，修改相应参数，并存储该参数到数据存储器；

当MCU串口接收到数据命令时，直接发送到射频收发器；然后继续监听射频收发器的射频接收和MCU的串口接收。