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上海自仪研发的WIA-PA低功耗无线通信温度变送器颇受欢迎
编辑:https://www.abdeli.net 来源:mg4355线路检测 发布时间:2017-10-16 09:20:02

  温度是工业生产过程中应用最广泛、最基础的参数之一,经常需要对其进行及时监控。当工业现场遇到测量温度点不适合布线时,工作效率骤降,从而影响工业生产的安全及质量。

这时,无线温度变送器中的应用,有利于对温度及时采集处理、存储显示,对于提升生产效率和产品质量等有重要作用。

无线通信温度变送器通常采用电池供电,及时采集温度参数与变送器供电电池的消耗成为一对相互制约的因素降低变送器自身的功耗叫延长电池的使用寿命或可提高采集温度参数的实时性,变送器自身的功耗成为无线温度变送器质量水平的重要指标应用低功耗单片机可提高温度点测量频率,有利十对温度及时采集处理。

WIA-PA技术是专用于工业环境的无线通信技术,它具有较强的抗干扰能力、低功耗、实时通信等优势工厂自动化检测和控制中,对环境恶劣、布线困难、腐蚀污染等领域的过程参数和设备状态进行监控因此,结合低功耗设计的WIA - PA温度变送器可以提高温度测量的效率变送器具有功耗低性能可靠、成本低、安装容易、维护、便捷等优点,在工业控制领域具有良好的应用前景。

分度号

最大测量范围

B分度号热电偶

400-1800

E分度号热电偶

0 -800

J分度号热电偶

200-1200

K分度号热电偶

0-1300

N分度号热电偶

0-1300'C

R分度号热电偶

0-1600

S分度号热电偶

0-1600

T分度号热电偶

200-400

Ptl00热电阻

-200-850

 

2)基本误差:±0.5%F.S

3)相对湿度:5%~95%

4)振动:10HZf150HZ,振动<0.075mm

5)输入输出绝缘电阻:>20MW

6)输入输出隔离耐压:>500V

7)温度范围:-25~+70

8)通信协议:符合WIA-PA协议要求

9)供电方式:采用C型不可充锂电池:

   电源电压:3.6V

   电池电量.19Ah

 10本安等级:Ex ia IIC T3/T4

 

2.硬件设计

变送器的硬件包括温度信号调理模块ADC模块、MCU模块、WIA-PA无线模块、电池和电源调理模块传感器送来的温度信号,经温度信号调理模块、ADC模块、转换为码值后送拿MCU模块,进行数据计算处理WlA-PA无线模块负责将处理后的数据,通过WIA-PA链路周期性地发送给网关,变送器工作所需全部电源由电池提供。

WIA-PA低功耗无线通信温度变送器硬件整体设计

变送器支撑全输入信号,接人热电偶或热电阻信号后,经过一级RC低通滤波后,直接进入带有休眠模式的低功耗ADC,周期性地进行单次转换最大限度地降低了功耗,有效地节约了硬件设计成本,同时精度保证0.2级。

MCU模块的主芯片采用以低功耗著称于世的MSP430系列芯片,是一款非常好的低功耗MCU,适当选择它的工作模式.可以大大延长变送器寿命MSP430共有5种省电方式,即LPM0~4系统在LPM0-LPM3方式下可以被唤醒.LPM4则不能变送器用内部IDCO作为MCLKSMCLK.外部XIN端接32768HZ的手表晶体,作为ACLK ACLK作为UART和定时器的时钟源,通过UART和定时器中断.可以唤醒MCU

变送器通信模块采用WIA-PA无线模块,它是一款符合我国国家标准《用于过程自动化的WIA系统结构与通信规范( WIA-PA)》的高可靠、低功耗的专用于工业级的无线OEM产品采用符合IEEE 802.15.4标准的无线射频芯片和MSP430系列的低功耗16MCU,引入了能量管理技术,在WlA-PA网络中工作的最小电流消耗仅为55uA支撑全网同步的休眠和唤醒模式,平均电流消耗为微安级,支撑网内报文聚合,降低了网络开销。

WIA温度变送器的电流消耗:MCUADC和信号调理模块、WIAPA无线模块、电源调理变送器的休眠方式为各功能模块分别休眠设计的整机电流消耗

I=IADC+IMCU_MODE+IWIA_MODE+Ibatt

 

表格1功耗分布

功能模块

电流消耗

电源调理

2uA

MCU

休眠

1.3uA

工作

500 uA

ADC及信号调理

休眠

1uA

工作

3mA

WIA-PA无线模块

休眠

55 uA

接收

30mA

发射

120mA

 

3、App设计

变送器上电后,先实行一系列初始化首次使用时,需进行标定和配置入网之前,需进行离线组态,以后初始化后直接进入低功耗模式温度信号采集、无线通信等均在外部中断中实行

中断退出后,变送器马上返回低功耗模式通过App设置控制位,使MCU进入低功耗模式,即CPU处于禁止、直流发生器禁止、主时钟禁止、辅助时钟活动的状态,这是CPU的主要工作模式:ACLK由外部低频晶振提供,作为外部中断的时钟源  以便中断到来时,迅速进入活动模式。

WIA - PA无线模块的App流程图

 

变送器发送无线数据给WIA - PA无线模块的App流程图,如图3所示定时器中断到来时,变送器从低功耗模式返回到活动模式,首先进行温度信号采集和数据处理,然后通过异步串行通信端口发送至WIA -PA无线模块无线模块马上从低功耗模式返回活动模式,接收MC的数据,之后进行CRC校验,若正确则通过WIA-PA无线链路发送拿网关,一次温度数据传输完成。

WIA-PA低功耗无线通信温度变送器数据发送

 

4、测试和结论

网络中只有一台WIA-PA温度变送器在线时,超帻长度=32s变送器处于三种活动模式的时隙共有14个,剩余2032时隙整机休眠。其中12个时隙变送器处于接收协议帧模式,如图4所示:1个时隙,变送器处于发送协议帧模式,如图5所示;1个时隙,变送器处于发送周期数据帧模式,如图6所示。

 

 

接收协议帧的电流消耗

发射协议帧的电流消耗

发送周期数据帧的电流消耗 

各状态的电流消耗和持续时间,如表2所示:

整机状态

设备子状态

电流消耗I

时间T

状态数

发送周期数据帧

数据采集

4.7mA

2.7ms

1

发射数据

105 mA

2.8ms

接收ACK

27.5 mA

1.8ms

发送协议帧

无线模块活动模式

4.7mA

3.5 ms

1

发送协议帧

105 mA

2.2 ms

接收协议帧

无线模块活动模式

4.7 mA

1.5 ms

12

接收协议帧

27.5 mA

5.7 ms

休眠

55uA

31.9s

2034

 

对于容量的电池,整机寿命:

T=C/IAVR=91370h=10.4Year

 

5.现场应用实例先容

本文设计和实现了一种符合WlA-PA协议低功耗温度变送器,变送器的设计从硬件整体设计到各模块的设计、及App设计,均以低功耗设计为原则产品通过电流消耗实验考核,验证了设计的合理性,整机寿命超过10年,有效地降低了WIA-PA温度变送器的电流功耗  WIA-PA工业无线通信技术的发展,有着更广阔应用前景。

该产品应用领域是针对野外或配套供电环境不便的场合,如输油、输气、供暖、自来水等线路管网进行温度或者压力的监测通过W IA网络实现信号远距离的无线远传,远程实时监控,无线传输无需现场布线,省去了常规仪表现场布线的麻烦,节省了人力及施工成本,大量使用于不适宜布线或供电的应用现场,是传统温度、压力变送器的理想升级换代产品。

 

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