CN108900200B - 一种面向工业行业的透明传输无线通信系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种面向工业行业的透明传输无线通信系统，无线通信模块包括拨码开关、电源模块、以及顺次相互连接的RS485模块、51单片机模块、射频模块、无线收发控制器，所述电源模块为RS485模块、51单片机模块、射频模块供电，所述拨码开关连接所述51单片机模块；位于所述智能仪表设备上的无线通信模块的无线收发控制器连接第一天线，且RS485模块还与所述智能仪表设备通信；位于所述数据栈上的无线通信模块的无线收发控制器连接第二天线，且RS485模块还与所述数据栈通信；所述第一天线的增益小于第二天线的增益。本系统集收发为一体，实现远距离透明传输，且不受距离限制，通用性强、使用灵活。

Description

一种面向工业行业的透明传输无线通信系统
技术领域
本发明涉及一种面向工业行业的透明传输无线通信系统，属于无线通信领域。
背景技术
现在大多数仪表和自动化产品都将嵌入无线传输的功能。无线传输的优势表现在：极大降低安装成本、持续降低运行维护成本，更换方便，便于升级，减少接插件故障，移动自由且不受限制，投运快速。然而，现有技术中的无线传输模块通常根据传输距离设置无线传输参数，并通过软件设置并写入主控芯片的内存中，这样就只适用于固定距离的应用，一旦距离发生变化需要修改参数，必须需要连接电脑、给设备上电，操作比较麻烦，修改参数后如果没有进行标记，给后续维护带来困难。因此，整体的通用性较差， 而且灵活度不高
除此之外，现有的无线通信模块一般采用两个天线分别进行数据接收和发送，且选择高增益天线，大大增加了系统功耗。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种面向工业行业的透明传输无线通信系统，是一种具备收发一体、远距离、低功耗的无线透明传输系统。
本发明的技术方案如下：
一种面向工业行业的透明传输无线通信系统，包括智能仪表设备、数据栈以及无线通信模块，所述无线通信模块分别设于智能仪表设备和数据栈，所述无线通信模块包括电源模块、用于设置传输参数的拨码开关以及顺次相互连接的实现无线通信模块与智能仪表设备或数据栈之间的数据交换的RS485模块、控制系统的51单片机模块、实现无线收发数据的射频模块、控制天线收发状态的无线收发控制器，所述电源模块为 RS485模块、51单片机模块、射频模块供电，所述拨码开关连接所述51单片机模块；位于所述智能仪表设备上的无线通信模块的无线收发控制器连接第一天线，且RS485模块还与所述智能仪表设备通信；位于所述数据栈上的无线通信模块的无线收发控制器连接第二天线，且RS485模块还与所述数据栈通信；所述第一天线的增益小于第二天线的增益。
更优地，所述无线通信模块还包括用于系统调试的C2程序下载口电路，所述C2程序下载口电路连接所述51单片机模块。
更优地，所述第一天线的增益为4~8dbi，所述第二天线的增益为20~40dbi。
更优地，所述无线通信模块还包括均连接至所述51单片机模块的用于指示系统当前状态的运行指示模块和为单片机提供内部总线时钟的时钟模块。
更优地，所述51单片机模块包括一C8051F310主控芯片，所述射频模块包括一Si4432芯片，所述无线收发控制器包括一UPG2214TB芯片；所述Si4432芯片与C8051F310主控芯片的通信通过SPI接口实现，具体地，所述Si4432芯片的SCLK、SDI、SDO以及nSEL4引脚与C8051F310主控芯片的SPI接口一一对应连接，所述UPG2214TB芯片的RF_IN引脚连接所述第一天线或第二天线，VC1和VC2引脚分别对应连接Si4432芯片的GPIO_1和GPIO_2引脚，OUT1和OUT2引脚分别对应连接Si4432芯片的RX_P引脚和TX引脚。
更优地，所述RS485模块包括一MAX1487芯片，其DI引脚和RO引脚分别连接所述C8051F310主控芯片的SPI接口。
更优地，所述拨码开关的各开关引脚的一端接地，另一端均分别接入所述C8051F310主控芯片的SPI接口。
更优地，所述电源模块包括AC/DC电源模块和一降压芯片；所述AC/DC电源模块包括一LCM共模电感和一AC/DC芯片，所述交流电经过LCM共模电感以及AC/DC芯片后，输出5V直流电压为所述RS485芯片供电，再通过降压芯片输出3.3V的直流电压供系统内部其他芯片使用。
更优地，所述运行指示模块包括复数个LED灯，各LED灯的一端连接所述电源模块的输出端，另一端分别接入所述C8051F310主控芯片的SPI接口。
更优地，所述无线通信模块还包括一电源接口板和无线通信主板，所述电源接口板上设置所述电源模块、RS485模块，所述电源模块的AC/DC电源模块的输出为RS485模块供电，所述电源模块的降压芯片的输出为无线通信主板上的各芯片供电，所述无线通信主板上设置所述拨码开关、51单片机模块、射频模块以及无线收发控制器，所述51单片机模块通过串口与所述RS485模块通信。
本发明具有如下有益效果：
1、功能齐全，且集数据收发为一体，实现远距离的无线透明传输；
2、通过拨码开关直接设置无线传输的主要参数，例如，串口波特率、无线收发频道、空中数据传输波特率，方便现场无线安装、组网、通信调试以及后期维护；
3、本系统不受距离限制，通用性强、使用灵活：当传输距离发生变化时，现场调整无线传输参数即可；
4、通过无线收发控制器控制天线接收和发送数据状态，使得在智能仪表设备和数据栈都仅需一根天线实现数据收发，降低系统功耗；
5、在智能仪表设备和数据栈分别选择不同增益的天线，从而进一步降低系统功耗。
附图说明
图1为本发明无线通信系统的组网图；
图2为本发明无线通信模块的框图；
图3为本发明无线通信模块的数据流示意图。
图4为本发明C2程序下载口电路原理图；
图5为本发明运行指示模块原理图；
图6为本发明时钟模块原理图；
图7为本发明51单片机模块（选用C8051F310为主控芯片）的原理图；
图8为本发明射频模块和无线收发控制器的原理图；
图9为本发明RS485模块原理图；
图10为本发明拨码开关原理图；
图11为本发明AC/DC电源模块示意图；
图12为本发明降压芯片的原理图；
图13为本发明电源接口板和无线通信主板的框图。
图中附图标记表示为：
10、智能仪表设备；20、数据栈；30、无线通信模块；31、拨码开关；32、电源模块；321、AC/DC电源模块；322、降压芯片；33、RS485模块；34、51单片机模块；35、射频模块；36、无线收发控制器；37、C2程序下载口电路；38、运行指示模块；39、时钟模块；310、电源接口板；311、无线通信主板；40、第一天线；50、第二天线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例来对本发明进行详细的说明。
请参阅图1和图2，一种面向工业行业的透明传输无线通信系统，包括智能仪表设备10、数据栈20以及无线通信模块30，所述无线通信模块30分别设于智能仪表设备10和数据栈20，所述无线通信模块30包括电源模块32、用于设置传输参数的拨码开关31以及顺次相互连接的实现无线通信模块30与智能仪表设备10或数据栈20之间的数据交换的RS485模块33、控制系统的51单片机模块34、实现无线收发数据的射频模块35、控制天线收发状态的无线收发控制器36，所述电源模块32为 RS485模块33、51单片机模块34、射频模块35供电，所述拨码开关31连接所述51单片机模块34；位于所述智能仪表设备10上的无线通信模块30的无线收发控制器36连接第一天线40，且RS485模块33还与所述智能仪表设备10通信；位于所述数据栈20上的无线通信模块30的无线收发控制器36连接第二天线50，且RS485模块33还与所述数据栈20通信；所述第一天线40的增益小于第二天线50的增益。
请参阅图3，本实施例中，以设于智能仪表设备10中的无线通信模块30为例，智能仪表设备10的数据通过RS485总线传输至RS485模块33，再由RS485模块33通过串口发送至51单片机模块34，51单片机模块34通过SPI总线将数据发送至射频模块35，由无线收发控制器36控制天线（包括第一天线40和第二天线50）的收发状态，当无线收发控制器36处于发送状态时，通过第一天线40将数据发送出去。当无线收发控制器36控制天线处于接收状态时，通过天线接收数据栈20发来的数据，然后由射频模块35通过SPI总线传输至51单片机模块34，再由51单片机模块34通过串口传输至RS485模块33，然后通过RS485模块33传送至智能仪表设备10。在数据栈20上通过第二天线50无线收发数据，其工作原理与智能仪表设备10上的相同，请参阅图2。无线通信模块30接收到智能仪表设备10传送的数据之后，不对数据做任何处理，直接将接收到的数据通过第一天线40发送出去。同样，当无线通信模块30通过第一接收到数据之后，直接将数据通过RS485总线发送给智能仪表设备10。无论发送或者接收到的数据是否出错，均不予理解，是一种透明传输方式，透明传输可以不用关心传输的数据采用何种通信协议和传输数据的长短，采用RS485总线的设备均可采用。
通过51单片机模块34控制射频模块35的整个数据收发流程，其中主要的无线传输参数，包括串口波特率、无线收发频道、空中数据传输波特率，可以通过拨码开关31直接设置，在51单片机模块34的主控芯片存储器上保存拨码开关31不同输入值所对应的无线传输参数，其方便现场无线安装、组网、通信调试，且在后续维护中，维护人员能够根据拨码开关31上的设置，直观地确定各参数的设置值。
更优地，请参阅图4，所述无线通信模块30还包括用于系统调试的C2程序下载口电路37，所述C2程序下载口电路37连接所述51单片机模块34，51单片机模块34以C8051F310为例，所述C2程序下载口电路37接入C8051F310的P3.0/C2D。所述C2程序下载口电路37支持开发人员对无线通信模块30进行程序下载、在线调试以及对无线通信模块30进行功能升级。图4中C8051F310_C2是本模块的程序下载接口，此接口名称为C2口。
在本实施例中，为保证每条总线上的数据读取时间，稳定性及提高无线空中传输速率，所述第一天线40的增益为4~8dbi（4-8dbi增益的天线可使装置的空旷有效通信距离达到800米以上，能满足大部分使用要求），所述第二天线50的增益为20~40dbi。所述第二天线50选择高增益大功率天线，而智能仪表设备10上的第一天线40直接采用增益为5dbi左右的吸盘天线即可，从而进一步降低本发明无线通信系统的功耗。
请参阅图5和图6，所述无线通信模块30还包括均连接至所述51单片机模块34的用于指示系统当前状态的运行指示模块38和为单片机提供内部总线时钟的时钟模块39。所述运行指示模块38包括复数个LED灯，各LED灯的一端连接所述电源模块32的输出端，另一端分别接入51单片机模块34（例如，C8051F310主控芯片的）的SPI接口。
通过LED灯指示无线通信模块30的状态以及接收数据的状态，例如，当无线通信模块30初始化完成，D2点亮，每隔1S闪烁一次，表示无线通信模块30状态良好；当串口收到数据时D3点亮，当天线收到数据时D4点亮。所述时钟模块39通过把一个22.1184MHz的外部晶振接在51单片机模块34的外部晶振输入接口XTAL1和XTAL2上，作为51单片机模块34工作的内部总线时钟。
实施例二
本实施结合各模块所采用具体芯片型号给出一种较优的透明传输无线通信系统的实施方式。
请参阅图7和图8，所述51单片机模块34包括一C8051F310主控芯片，所述射频模块35包括一Si4432芯片，所述无线收发控制器36包括一UPG2214TB芯片；所述Si4432芯片与C8051F310主控芯片的通信通过SPI接口实现，具体地，所述Si4432芯片的SCLK、SDI、SDO以及nSEL4引脚（这四个引脚代表SPI总线，分别是时钟信号线、数据输入信号线、数据输出信号线、使能引脚线）与C8051F310主控芯片的SPI接口一一对应连接，所述UPG2214TB芯片的RF_IN引脚连接所述第一天线40或第二天线50，VC1和VC2引脚分别对应连接Si4432芯片的GPIO_1和GPIO_2引脚，OUT1和OUT2引脚分别对应连接Si4432芯片的RX_P引脚和TX引脚。由于本发明采用单天线形式，因此使用了UPG2214TB芯片作为无线收发控制器36，进行收发切换，其相关的收发控制是由GPIO_1和GPIO_2引脚来实现的，即通过设置GPIO_1和GPIO_2引脚的状态来控制天线的数据收发状态。
所述射频芯片采用Silicon Labs公司的Si4432芯片，支持频率范围240MHz~930MHz，输出功率最大为+20dbm，灵敏度可达-117dbm。
请参阅图9，所述RS485模块33包括一MAX1487芯片，其DI引脚和RO引脚分别连接所述C8051F310主控芯片的SPI接口。MAX1487芯片的电源输入端采用一个阻值为10K的R21进行限流。对于双绞线组成的RS485网络，在双绞线的两端（即图中的A、B）有两个阻值为1k的匹配电阻，分别是R23、R25，这两个匹配电阻用于消除双绞线阻抗不连续带来的反射信号。MAX1487芯片的DI、RO引脚分别连接C8051F310串口的TX0、RX0，RTS0用于控制。MAX1487芯片的数据收发。
电源输入端采用一个阻值为10K的R21进行限流。对于双绞线组成的RS485网络，在双绞线的两端（即图中的A、B）有两个阻值为1k的匹配电阻，分别是R23、R25，这两个匹配电阻用于消除双绞线阻抗不连续带来的反射信号。485芯片的DI、RO引脚分别连接C8051F310串口的TX0、RX0，RTS0用于控制485芯片数据收发。
请参阅图10，所述拨码开关31的各开关引脚的一端接地，另一端均分别接入所述C8051F310主控芯片的SPI接口，即P2.0~P2.7引脚。拨码开关31默认为OFF，KEY0~KEY7为高电平，此时单片机引脚P2.0~P2.7为高电平。当拨码开关31拨至ON时，KEYn变成低电平，C8051F310主控芯片通过读取KEY0~KEY7的值来判断用户设置的串口数据传输波特率、空中数据传输波特率、频率通道。
请参阅图11和图12，所述电源模块32包括AC/DC电源模块321和一降压芯片322；所述AC/DC电源模块321包括一LCM共模电感和一AC/DC芯片，所述交流电经过LCM共模电感以及AC/DC芯片后，输出5V直流电压为所述RS485芯片供电，再通过降压芯片322输出3.3V的直流电压供系统内部其他芯片使用。所述降压芯片322可以选用AS117芯片。图中，NTC为热敏电阻，用于抑制浪涌自流等，MOV为压敏电阻，防止出现的异常电压对电路造成影响，C3、C4分别为Y电容，用于抑制共模干扰，C5为X2电容，用于抑制差模干扰，LCM为共模电感，C1为陶瓷电容，C2为电解电容，TVS管为保护后级电路所用。经过AC/DC电源模块321转后之后输出5V直流电压，C8051F310主控芯片和Si4432芯片内部使用3.3V电压，故需要通过AMS1117电源芯片输出3.3V电压，CP13、EP5、CP14、EP6构成的滤波电路可以改善系统的电磁兼容性，降低系统对电源的高频干扰，由CP15、CP16、CP17、CP18、CP19、CP20、CP21、CP22组成的滤波电路是为了防止5V电源对3.3V电源产生干扰。
因无线通信模块30属于中高频数据通信，对外界的干扰相对比有线通信更敏感，因此，在硬件设计时，考虑到强电与弱电的有效隔离，避免给通信带来不利影响，将无线通信模块30中的各组成部分分别设置在两块电路班上，具体地，请参阅图13，所述无线通信模块30还包括一电源接口板310和无线通信主板311，所述电源接口板310上设置所述电源模块32、RS485模块33，所述电源模块32的AC/DC电源模块321的输出为RS485模块33供电，所述电源模块32的降压芯片322的输出为无线通信主板311上的各芯片供电，所述无线通信主板311上设置所述拨码开关31、51单片机模块34、射频模块35以及无线收发控制器36，所述51单片机模块34通过串口与所述RS485模块33通信。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种面向工业行业的透明传输无线通信系统，包括智能仪表设备(10)、数据栈(20)以及无线通信模块(30)，所述无线通信模块(30)分别设于智能仪表设备(10)和数据栈(20)，其特征在于：所述无线通信模块(30)包括电源模块(32)、用于设置传输参数的拨码开关(31)以及顺次相互连接的实现无线通信模块(30)与智能仪表设备(10)或数据栈(20)之间的数据交换的RS485模块(33)、控制系统的51单片机模块(34)、实现无线收发数据的射频模块(35)、控制天线收发状态的无线收发控制器(36)，所述电源模块(32)为RS485模块(33)、51单片机模块(34)、射频模块(35)供电，所述拨码开关(31)连接所述51单片机模块(34)；位于所述智能仪表设备(10)上的无线通信模块(30)的无线收发控制器(36)连接第一天线(40)，且RS485模块(33)还与所述智能仪表设备(10)通信；位于所述数据栈(20)上的无线通信模块(30)的无线收发控制器(36)连接第二天线(50)，且RS485模块(33)还与所述数据栈(20)通信；所述第一天线(40)的增益小于第二天线(50)的增益；
所述51单片机模块(34)包括一C8051F310主控芯片，所述RS485模块(33)包括一MAX1487芯片，其DI引脚和RO引脚分别连接所述C8051F310主控芯片的SPI接口；RS485模块(33)由双绞线组成，双绞线的两端分别连接第一匹配电阻、第二匹配电阻的一端，第一匹配电阻、第二匹配电阻的另一端分别连接一电容的两端，第一匹配电阻、第二匹配电阻的阻值均为1kΩ，电容的容值为0.1μF，第一匹配电阻、第二匹配电阻用于消除双绞线阻抗不连续带来的反射信号。
2.根据权利要求1所述的一种面向工业行业的透明传输无线通信系统，其特征在于：所述无线通信模块(30)还包括用于系统调试的C2程序下载口电路(37)，所述C2程序下载口电路(37)连接所述51单片机模块(34)。
3.根据权利要求1所述的一种面向工业行业的透明传输无线通信系统，其特征在于：所述第一天线(40)的增益为4～8dbi，所述第二天线(50)的增益为20～40dbi。
4.根据权利要求1所述的一种面向工业行业的透明传输无线通信系统，其特征在于：所述无线通信模块(30)还包括均连接至所述51单片机模块(34)的用于指示系统当前状态的运行指示模块(38)和为51单片机模块(34)提供内部总线时钟的时钟模块(39)。
5.根据权利要求1所述的一种面向工业行业的透明传输无线通信系统，其特征在于：所述射频模块(35)包括一Si4432芯片，所述无线收发控制器(36)包括一UPG2214TB芯片；所述Si4432芯片与C8051F310主控芯片的通信通过SPI接口实现，所述Si4432芯片的SCLK、SDI、SDO以及nSEL4引脚与C8051F310主控芯片的SPI接口一一对应连接，所述UPG2214TB芯片的RF_IN引脚连接所述第一天线(40)或第二天线(50)，VC1和VC2引脚分别对应连接Si4432芯片的GPIO_1和GPIO_2引脚，OUT1和OUT2引脚分别对应连接Si4432芯片的RX_P引脚和TX引脚。
6.根据权利要求4所述的一种面向工业行业的透明传输无线通信系统，其特征在于：所述拨码开关(31)的各开关引脚的一端接地，另一端均分别接入所述C8051F310主控芯片的SPI接口。
7.根据权利要求4所述的一种面向工业行业的透明传输无线通信系统，其特征在于：所述电源模块(32)包括AC/DC电源模块(321)和一降压芯片(322)；所述AC/DC电源模块(321)包括一LCM共模电感和一AC/DC芯片，交流电经过LCM共模电感以及AC/DC芯片后，输出5V直流电压为所述RS485模块供电，再通过降压芯片(322)输出3.3V的直流电压供系统内部其他芯片使用。
8.根据权利要求4所述的一种面向工业行业的透明传输无线通信系统，其特征在于：所述运行指示模块(38)包括复数个LED灯，各LED灯的一端连接所述电源模块(32)的输出端，另一端分别接入所述C8051F310主控芯片的SPI接口。
9.根据权利要求1所述的一种面向工业行业的透明传输无线通信系统，其特征在于：所述无线通信模块(30)还包括一电源接口板(310)和无线通信主板(311)，所述电源接口板(310)上设置所述电源模块(32)、RS485模块(33)，所述电源模块(32)的AC/DC电源模块(321)的输出为RS485模块(33)供电，所述电源模块(32)的降压芯片(322)的输出为无线通信主板(311)上的各芯片供电，所述无线通信主板(311)上设置所述拨码开关(31)、51单片机模块(34)、射频模块(35)以及无线收发控制器(36)，所述51单片机模块(34)通过串口与所述RS485模块(33)通信。
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