CN204761428U - 一种基于wia-pa无线通信模块 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于WIA-PA无线通信模块，包括WIA-PA芯片、收发器单元、功率放大单元、滤波单元、功率检波单元、存储单元、温度传感器单元；WIA-PA芯片与存储单元、收发器单元、功率检波单元、温度传感器单元连接；收发器单元与功率放大单元、滤波单元顺序连接；功率放大单元与功率检波单元连接。本实用新型能够解决现场电磁环境复杂、多个通信系统共存、造成的传输不稳定、通信成功率低问题；能够消除环境温度的变化对无线射频参数的影响；能够消除环境温度的变化对WIA-PA无线通信模块功耗的影响；能够采用闭环控制发射信号强度；支持无线唤醒；可适用于电磁复杂的环境，传输稳定，通信成功率高，平均功耗低，尤其适用于电池供电的无线传输。

Description

一种基于WIA-PA无线通信模块

技术领域

本实用新型涉及WIA-PA无线通信领域，具体是一种针对短距离无线、低速率通信领域数据传输的基于WIA-PA无线通信模块。

背景技术

工业无线传感网络中的无线设备的射频参数指标随高低温的变化大。在工业现场设备的工作温度范围为-40℃-+85℃，对于采用了射频前端的无线设备，-40℃的发射功率较+85℃时要高达6dB左右，-40℃的信号接收灵敏度较+85℃时要高达4dB左右。这样的无线设备链路预算随温度的变化将达到10dB左右，网络内两个无线设备-40℃下的通信距离较+85℃将大一倍以上，严重影响了通信链路的稳定。在低温-40℃环境下稳定工作的网络随温度的上升可能导致网络稳定性的下降，数据成功率的下降，甚至无法通信。

工业无线传感网络中的无线设备的射频参数指标随高低温的变化进而影响设备的能量消耗，低温-40℃的能耗相对高温+85℃高出1/3甚至1/2。工业无线传感网络中无线设备由于环境制约使用电池供电的设备居多，电池多采用容量型电池，该电池的特点是相同放电电流下低温-40℃电池容量约为高温+85℃时的一半。这样将直接影响电池设备的使用寿命。

工业无线传感网络工作环境存在各种电磁干扰，收发器本身的抗干扰能力无法适应严酷的现场环境，或者说适用的场景受限，应用不灵活，无法与多个通信系统共存。

实用新型内容

针对现有技术的不足，本实用新型提供一种能够解决现场电磁环境复杂、多个通信系统共存、造成的传输不稳定、通信成功率低问题；能够消除环境温度的变化对无线射频参数的影响；能够消除环境温度的变化对WIA-PA无线通信模块功耗的影响；能够采用闭环控制发射信号强度；支持无线唤醒；可适用于电磁复杂的环境，传输稳定，通信成功率高，平均功耗低，尤其适用于电池供电设备的无线传输的无线通信模块。

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无线通信模块，包括WIA-PA芯片1、存储单元2、收发器单元3、温度传感器单元5功率放大单元4和滤波单元6；WIA-PA芯片1与存储单元2、收发器单元3、温度传感器单元5、功率检波单元7连接；收发器单元3与功率放大单元4、滤波单元6顺序连接；还包括功率检波单元7一端通过射频接口连接功率放大单元4，另一端连接WIA-PA芯片1。

所述WIA-PA芯片1通过SPI总线与存储单元2连接。

所述WIA-PA芯片1通过SPI总线与收发器单元3连接。

所述WIA-PA芯片1采用CPU芯片，用于实现WIA-PA无线通信协议栈，所述WIA-PA芯片包括串口、SPI接口和I/O控制接口。

所述收发器单元3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4采用功率放大芯片，其RF射频输入接口与收发器单元3的RF射频接口连接，其RF射频输出接口与滤波单元6的RF射频输入接口连接。

所述滤波单元6采用带通滤波器，其RF射频输出端口用于与天线8连接。

所述功率检波单元7包括内部集成功率检波电路和/或外部独立检波电路。

所述外部独立检波电路采用射频检波管，其RF射频输入端口与功率放大单元4RF射频输出接口相连；功率检波单元7的输出为模拟信号线，连接到WIA-PA芯片1的模拟输入接口。

所述内部集成功率检波电路为功率放大单元4内部集成的检波电路，内部集成功率检波电路的输出为功率放大单元4的一个管脚，输出模拟信号，连接到WIA-PA芯片1的模拟输入接口。

本实用新型具有以下有益效果及优点：

1.本实用新型采用顺序连接的收发器单元、功率放大单元、滤波单元，该部分能够解决现场电磁环境复杂、多个通信系统共存、造成的传输不稳定、通信成功率低问题；可适用于电磁复杂的环境，传输稳定，通信成功率高。

2.本实用新型能够在现场传输距离较远或者有遮挡的环境中实现稳定的通信。

3.本实用新型采用顺序连接的WIA-PA芯片、功率放大单元、功率检波单元，以及与WIA-PA芯片连接的温度传感器单元，闭环控制发射信号强度、消除环境温度的变化对无线射频参数的影响、消除环境温度的变化对WIA-PA无线通信模块功耗的影响问题，使得无线通信模块的平均功耗低，适用于电池供电设备的无线传输。

4.本实用新型采用顺序连接的WIA-PA芯片、功率放大单元、功率检波单元可以实现无线唤醒机制，实现对无线模块的智能接入。

附图说明

图1是本实用新型的结构框图；其中1为WIA-PA芯片，2为存储单元，3为收发器单元，4为功率放大单元，5为温度传感器单元，6为滤波单元，7为功率检波单元。

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。

本实用新型具体针对短距离无线、低速率通信领域的数据传输，满足《GB/T26790.1-2011工业无线网络WIA规范第1部分：用于过程自动化的WIA系统结构与通信规范》，在此硬件基础上实现了WIA-PA工业无线网络现场设备协议栈软件(简称WIA-PAFD)和WIA-PA工业无线网络路由设备协议栈软件(简称WIA-PARD)。

如图1所示，本实用新型包括WIA-PA芯片1、存储单元2、收发器单元3、温度传感器单元5、功率放大单元4、滤波单元6和功率检波单元7；WIA-PA芯片1通过SPI总线和存储单元2连接、WIA-PA芯片1通过SPI总线以及I/O控制线和收发器单元3连接，收发器单元3通过射频接口与功率放大单元4连接，功率放大单元4通过射频接口与滤波单元6连接，滤波单元6通过射频接口和天线9连接，WIA-PA芯片1通过I/O线与温度传感器单元5连接，功率检波单元7采用射频检波管，其RF射频输入端口与功率放大单元4的RF射频输出接口相连；功率检波单元7的输出为模拟信号线，连接到WIA-PA芯片1的模拟输入接口。

WIA-PA芯片1、收发器单元3、温度传感器单元5、功率放大单元4、滤波单元6、功率检波单元7为本实用新型的核心部件。WIA-PA芯片为集成WIA-PA工业无线网络现场设备协议栈软件(简称WIA-PAFD)和WIA-PA工业无线网络路由设备协议栈软件(简称WIA-PARD)的CPU，其实现了WIA-PA无线通信协议栈，包括应用层、网络层、数据链路层。

WIA-PA芯片1采用siliconlabs公司的EFM32LG系列的芯片，带有三路串口、两路SPI接口、四路I/O控制接口。

收发器单元3用于实现射频信号的收发，使用了TI公司的CC2520芯片和外部巴伦转换电路，CC2520芯片是基于IEEE802.15.4协议的物理层芯片，巴伦转换电路将CC2520射频输出的差分信号转换为单端50欧姆信号；CC2520的高邻频抑制比的指标是实现本实用新型的多通信系统共存尤其是与2.4GHzWIFI通信系统的共存功能的基础。

功率放大单元4采用RFaxis公司的RFX2411芯片或者RFX2401C来实现射频发射和接收信号的放大，射频接口为50欧姆单端信号接口，内部集成了两路射频开关、功率放大器PA，低噪声放大器LNA，很好的实现下行发射信号的功率放大，上行接收信号的放大，实现本实用新型的高发射功率和高接收灵敏度的功能。

滤波器单元6采用2.4GHz的带通滤波器不局限于某个厂家的具体型号，实现对带外信号的滤波，是实现本实用新型除使用2.4GHz通信系统外的多通信系统共存的基础，是实现本实用新型能满足复杂电磁环境应用的基础。

功率检波单元7采用检波二极管HSMS2850和电阻电容实现射频信号检波，输出模拟信号线连接到WIA-PA芯片，利用WIA-PA芯片内部的运算放大电路和模数转换电路进行采样；也可以使用RFX2411芯片内部的检波电路实现射频信号的检波，RFX2411芯片通过PDET管脚输出模拟信号线连接到WIA-PA芯片，利用WIA-PA芯片内部的运算放大电路和模数转换电路进行采样。

温度传感器单元5可以采用多种传感器形式进行温度检测，不局限于某个厂家的具体型号，不局限于某种传感器形式；实现温度的物理量到模拟量的转换，输出的信号线为模拟信号线连接WIA-PA芯片1，利用WIA-PA芯片内部的运算放大电路和模数转换电路进行采样；或者SPI总线直接读取温度传感芯片的数字量；或者温度传感器单元为WIA-PA芯片的内部电路，通过总线的方式连接到WIA-PA芯片1内部的运算放大电路和模数转换电路进行采样。

存储单元2主要存储环境温度与温度传感器采集列表、收发器单元发射功率控制寄存器与环境温度列表、检波单元的检波电压与发射功率、环境温度的对应列表。

应用层数据通过RS232总线传输到WIA-PA芯片1进行数据的处理之后，通过与收发器单元3之间的SPI总线的数据通道传输到收发器单元3，经由收发器单元3进行MAC处理、调制、射频信号处理后通过转换电路进入功率放大单元4、滤波单元6发射通路内进行无线发射。

收发器单元3在进行MAC处理、调制、射频信号处理前，首先温度传感器单元采集的模拟信号，WIA-PA芯片将模拟信号采集后，调用存储单元的列表值进行对比，确定当前的工作环境温度；再根据收发器单元发射功率控制寄存器与环境温度列表确定要使用的发射功率寄存器的数值；使用该值发射无线报文时，使用功率检波单元进行检测并判断当前发射功率是否在允许范围内。

空间传输来的无线信号通过滤波单元6、功率放大单元4的接收通道以及转换电路后经由收发器单元3进行射频信号处理、解调、MAC处理后，还原成数据流，该数据经由收发器单元4和WIA-PA芯片1的SPI总线数据通道传输到WIA-PA芯片1，进行相关的数据处理后，通过RS232总线交互给用户。

当无线模块处于休眠状态下，收发器单元3、功率放大单元4均处于关闭状态；功率检波单元7接收到空间传输来得无线信号通过滤波单元6、功率放大单元4、功率检波单元7、WIA-PA芯片1内部的运算放大电路和模数转换电路进行采样，再利用WIA-PA芯片1内部的比较电路判断是否超出唤醒阈值，如果大于阈值则唤醒无线模块，否则不进行后续动作。

Claims (10)

1.一种基于WIA-PA无线通信模块，其特征在于：包括WIA-PA芯片(1)、存储单元(2)、收发器单元(3)、温度传感器单元(5)功率放大单元(4)和滤波单元(6)；WIA-PA芯片(1)与存储单元(2)、收发器单元(3)、温度传感器单元(5)、功率检波单元(7)连接；收发器单元(3)与功率放大单元(4)、滤波单元(6)顺序连接；还包括功率检波单元(7)一端通过射频接口连接功率放大单元(4)，另一端连接WIA-PA芯片(1)。

2.根据权利要求1所述的一种基于WIA-PA无线通信模块，其特征在于：所述WIA-PA芯片(1)通过SPI总线与存储单元(2)连接。

3.根据权利要求1所述的一种基于WIA-PA无线通信模块，其特征在于：所述WIA-PA芯片(1)通过SPI总线与收发器单元(3)连接。

4.根据权利要求1～3任一项所述的一种基于WIA-PA无线通信模块，其特征在于：所述WIA-PA芯片(1)采用CPU芯片，用于实现WIA-PA无线通信协议栈，所述WIA-PA芯片包括串口、SPI接口和I/O控制接口。

5.根据权利要求1或3所述的一种基于WIA-PA无线通信模块，其特征在于：所述收发器单元(3)采用调制解调芯片，具有SPI接口和RF射频接口。

6.根据权利要求1所述的一种基于WIA-PA无线通信模块，其特征在于：所述功率放大单元(4)采用功率放大芯片，其RF射频输入接口与收发器单元(3)的RF射频接口连接，其RF射频输出接口与滤波单元(6)的RF射频输入接口连接。

7.根据权利要求1所述的一种基于WIA-PA无线通信模块，其特征在于：所述滤波单元(6)采用带通滤波器，其RF射频输出端口用于与天线(8)连接。

8.根据权利要求1所述的一种基于WIA-PA无线通信模块，其特征在于：所述功率检波单元(7)包括内部集成功率检波电路和/或外部独立检波电路。

9.根据权利要求8所述的一种基于WIA-PA无线通信模块，其特征在于：所述外部独立检波电路采用射频检波管，其RF射频输入端口与功率放大单元(4)RF射频输出接口相连；功率检波单元(7)的输出为模拟信号线，连接到WIA-PA芯片(1)的模拟输入接口。

10.根据权利要求8所述的一种基于WIA-PA无线通信模块，其特征在于：所述内部集成功率检波电路为功率放大单元(4)内部集成的检波电路，内部集成功率检波电路的输出为功率放大单元(4)的一个管脚，输出模拟信号，连接到WIA-PA芯片(1)的模拟输入接口。