CN204350320U - 一种基于wia-pa工业无线网络的本质安全型无线路由器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种基于WIA-PA工业无线网络的本质安全型无线路由器，DC-DC电源转换模块输入端连接电池供电模块，输出端通过低压差稳压器后连接到WIA-PA无线通信模块，为WIA-PA无线通信模块供电；天线连接WIA-PA无线通信模块，用于接收外部射频信号以及向外部发送射频信号；干簧管连接WIA-PA无线通信模块，产生外部中断信号，控制WIA-PA无线通信模块与外部设备通信。本产品以WIA-PA无线模块为核心，应用超低功耗设计技术，本质安全设计技术，并采用大容量安全型电池组供电，具有低压保护，过流保护功能，既保证了电池的使用寿命又提高了防爆安全性。
Description
技术领域
本实用新型涉及无线路由器领域，具体地说是一种基于WIA-PA工业无线网络的本质安全型无线路由器。
背景技术
工业无线网络WIA-PA(Wireless Networks for Industrial Automation-ProcessAutomation)技术是由中国科学院沈阳自动化研究所牵头研发的具有自主知识产权的传感器信息采集和传输的智能组网和高可靠、高安全无线通信技术，现已成为国家标准和IEC国际标准。
WIA-PA标准中定义了5类物理设备：主控计算机、网关设备、路由设备、现场设备、手持设备。目前现有WIA-PA工业无线网络中，只有网关设备和现场设备，可组成简单的无线网络，拓扑结构单一，若现场环境较复杂，通信距离较远或无线干扰严重时，无法组成稳定的无线网络。
实用新型内容
针对现有技术的不足，本实用新型提供一种基于WIA-PA工业无线网络的本质安全型无线路由器，可以完成无线数据的转发，是无线网络的中继站，通过灵活的安装布放，可以实现复杂环境下的无线网络通信。
本实用新型为实现上述目的所采用的技术方案是：一种基于WIA-PA工业无线网络的本质安全型无线路由器，DC-DC电源转换模块输入端连接电池供电模块，输出端通过低压差稳压器后连接到WIA-PA无线通信模块，为WIA-PA无线通信模块供电；天线连接WIA-PA无线通信模块，用于接收外部射频信号以及向外部发送射频信号；干簧管连接WIA-PA无线通信模块，产生外部中断信号，控制WIA-PA无线通信模块与外部设备通信。
所述WIA-PA无线通信模块包括WIA-PA芯片、存储单元、收发器单元、功率放大单元和滤波单元；WIA-PA芯片与存储单元、收发器单元连接；收发器单元与功率放大单元、滤波单元顺序连接。
所述WIA-PA芯片采用CPU芯片，用于实现WIA-PA无线通信协议栈，该芯片包括串口、SPI接口和I/O控制接口；
所述收发器单元采用调制解调芯片，具有SPI接口和RF射频接口；
所述功率放大单元采用功率放大芯片，其RF射频输入接口与收发器单元的RF射频接口连接，其RF射频输出接口与滤波单元的RF射频输入接口连接；
所述滤波单元采用带通滤波器，其RF射频输出端口用于与天线连接；
所述滤波单元采用带通滤波器，其RF射频输出端口用于与TDD功率放大单元连接。
还包括电量采集电路输入端连接电池供电模块，采集电池供电模块的电压供电信号，输出端连接WIA-PA无线通信模块，将采集的电池电压信号转换成WIA-PA无线通信模块AD接口可测量范围内的电压信号。
所述电量采集电路由负载开关、采样电阻、跟随器和滤波器顺序连接组成。
所述电池供电模块包括电池组和电池保护板。
所述电池供电模块还设有电量测试接口。
所述电池保护板包括保险丝、采样电路、场效应管顺序连接，且并联连接低电压检测电路、场效应管。
JTAG接口电路连接WIA-PA无线模块，实现程序在线仿真与程序升级。
本实用新型具有以下有益效果及优点：
1.本实用新型是WIA-PA标准中规定的路由设备，可完成无线网络信号的中继，转发，使整个无线网络拓扑结构更加灵活；
2.本实用新型无线路由器采用低功耗设计，电池组供电可达3年以上；
3.本实用新型无线路由器采用本安设计，防爆等级Ex ib IIC T3。
附图说明
图1是本实用新型的硬件结构图；
图2是本实用新型的DC-DC电源转换模块图；
图3是本实用新型的低压差稳压器图；
图4是本实用新型的WIA-PA无线模块图；
图5是本实用新型的电量采集电路图；
图6是本实用新型的电池保护板电路图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本实用新型做进一步的详细说明。
图1是本实用新型的硬件结构图。WIA-PA无线路由器硬件部分由电池供电模块，路由器板及天线组成。
其中电池模块由4节电池、电池保护板、PVC外壳组成，内部浇封采用环氧灌封胶，防止电解液泄露，并与外接气体隔离，具有容量大，过流欠压保护功能，安全性高等特点。
路由板以WIA-PA无线模块为核心，辅助供电电路及接口电路。
图2为DC-DC电源转换模块图，使用低功耗DC/DC转换芯片LTC1877，采用Burst模式，功耗仅为10uA，效率高达95％。
本安设计时，需要考虑DC/DC转换芯片输入电容不能过大。按照最大电池输入电压7.8V计算，IIC类设备，安全系数为1.5时，最大允许的电容值为9.3uF。本设计输入端电容C5仅为2.2uF，满足本安设计要求。LTC1877输出端需要较大电容滤波降低输出纹波，故输出端电容值近50uF。若LTC1877因故障短路，则输出端电容会叠加到输入端，造成电容值过大，超过本安设计要求。为避免这种现象发生，需要在输出端并联2个稳压二极管，组成安全栅，降低故障时该回路电压。稳压二极管的选择一般要求稳压值高于工作电压0.3V以上，但考虑到过大的反向电流会增加设备功耗，本设计选择5.1V稳压二极管，反向电流最大5uA。
图3为低压差稳压器(LDO)电源电路，该部分电路主要是对电源纹波进一步滤波，可将电源纹波降至50mV以下，并为WIA-PA无线模块供电，保证了WIA-PA无线模块的射频指标合格。WIA-PA无线模块采用2.4GHz～2.4835GHz，射频电路对电源的要求都很高，过高的纹波及噪声会使EVM指标变差，影响通信成功率。
LDO电源电路同样采用本安设计，加入安全栅，限制故障电压。
图4为WIA-PA无线模块图，主要实现射频信号的收发，功率放大，滤波调制解调等功能。
图5为电量采集电路图，无线路由器为电池供电，需要对电池电量进行监测，当电量过低时发出告警，提醒操作人员更换电池。根据电池的放电特性，电压越低时电量越低，故可监控电池电压。
该电路由负载开关TPS27082，采样电阻，跟随器TLV2761，滤波器组成。采用了低功耗设计理念，跟随器TLV2761使用无线模块I/0供电，可控制供电。电量采集输入端串联负载开关TPS27082，可控制输入信号关断。当采集电量时，为该部分电路供电；平时则为关断状态，漏电流uA级。
采样电阻，跟随器，滤波器组成的采样电路保证了电池电压的采样精度，实测误差为±0.1V以内，满足应用需求。
图6为电池保护板电路图，由保险丝、采样电路、场效应管、低电压检测电路组成。该保护板具有3级过流保护及低电压保护功能。
第一级过流保护电路由采样电阻R1、R2、R3，电压比较器U1，场效应管Q1组成。
第二级过流保护电路由采样电阻R14、R15，电压比较器U2，场效应管Q2组成。
第三级过流保护电路为熔断型保险丝F1。
低电压保护电路由低电压检测芯片U3，场效应管Q3组成。
第一、二级过流保护电路原理相同，为冗余设计。当出现过流故障时，电流通过F1产生压降，F1两端分别通过采样电阻连接至电压比较器，F1两端过大的压差导致电压比较器输出电平变化，从而控制场效应管断开电池输出。当过流超过保险丝F1熔断值时，F1熔断，电池输出完全断开且不可恢复。
当电池电量过低时，电池电压随之降低，低电压检测芯片U3检测电池电压低于阈值时，U3输出电平变化，导致场效应管Q3断开电池输出。
通过以上设计，无线路由器休眠电流仅为50uA，且防爆等级为Ex ib IIC T3。
Claims (9)
1.一种基于WIA-PA工业无线网络的本质安全型无线路由器，其特征在于：
DC-DC电源转换模块输入端连接电池供电模块，输出端通过低压差稳压器后连接到WIA-PA无线通信模块，为WIA-PA无线通信模块供电；
天线连接WIA-PA无线通信模块，用于接收外部射频信号以及向外部发送射频信号；
干簧管连接WIA-PA无线通信模块，产生外部中断信号，控制WIA-PA无线通信模块与外部设备通信。
2.根据权利要求1所述的基于WIA-PA工业无线网络的本质安全型无线路由器，其特征在于：所述WIA-PA无线通信模块包括WIA-PA芯片、存储单元、收发器单元、功率放大单元和滤波单元；WIA-PA芯片与存储单元、收发器单元连接；收发器单元与功率放大单元、滤波单元顺序连接。
3.根据权利要求2所述的基于WIA-PA工业无线网络的本质安全型无线路由器，其特征在于：所述WIA-PA芯片采用CPU芯片，用于实现WIA-PA无线通信协议栈，该芯片包括串口、SPI接口和I/O控制接口；
所述收发器单元采用调制解调芯片，具有SPI接口和RF射频接口；
所述功率放大单元采用功率放大芯片，其RF射频输入接口与收发器单元的RF射频接口连接，其RF射频输出接口与滤波单元的RF射频输入接口连接；
所述滤波单元采用带通滤波器，其RF射频输出端口用于与天线连接；
所述滤波单元采用带通滤波器，其RF射频输出端口用于与TDD功率放大单元连接。
4.根据权利要求1所述的基于WIA-PA工业无线网络的本质安全型无线路由器，其特征在于：还包括电量采集电路输入端连接电池供电模块，采集电池供电模块的电压供电信号，输出端连接WIA-PA无线通信模块，将采集的电池电压信号转换成WIA-PA无线通信模块AD接口可测量范围内的电压信号。
5.根据权利要求4所述的基于WIA-PA工业无线网络的本质安全型无线路由器，其特征在于：所述电量采集电路由负载开关、采样电阻、跟随器和滤波器顺序连接组成。
6.根据权利要求1或4所述的基于WIA-PA工业无线网络的本质安全型无线路由器，其特征在于：所述电池供电模块包括电池组和电池保护板。
7.根据权利要求1或4所述的基于WIA-PA工业无线网络的本质安全型无线路由器，其特征在于：所述电池供电模块还设有电量测试接口。
8.根据权利要求6所述的基于WIA-PA工业无线网络的本质安全型无线路由器，其特征在于：所述电池保护板包括保险丝、采样电路、场效应管顺序连接，且并联连接低电压检测电路、场效应管。
9.根据权利要求1所述的基于WIA-PA工业无线网络的本质安全型无线路由器，其特征在于：JTAG接口电路连接WIA-PA无线模块，实现程序在线仿真与程序升级。
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| CN109893763A (zh) * | 2019-04-02 | 2019-06-18 | 杨永利 | 一种缓解高血压的装置及应用该装置的便携仪 |
| CN114698072A (zh) * | 2022-03-21 | 2022-07-01 | 沈阳中科奥维科技股份有限公司 | Wia-pa无线振动变送器的低功耗电路及控制方法 |
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