基于无线HART的多功能智能圆卡设计
2017-06-26王亚刚
丁 杨，王 凯，王亚刚
(1.上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海200093；2.上海出版印刷高等专科学校，上海200093)
基于无线HART的多功能智能圆卡设计
丁 杨1，王 凯2，王亚刚1
(1.上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海200093；2.上海出版印刷高等专科学校，上海200093)
为满足企业用户日益对工业现场无线通信的需求，提出了基于无线HART的多功能智能圆卡设计。设计中无线HART模块采用RFM公司的XDM2510H；信号调理部分采用MAX1452芯片，负责对原始信号进行放大、补偿和校准；MCU则选取MSP430F5438A单片机，对经调理的信号进行采集、分析和处理；数据分析结果通过XDM2510H经无线网送达网关提供给上位机使用。圆卡可以接入不同的传感器，并载入对应的软件即可快速开发出一款无线HART变送器，最终实现了无线HART仪表开发难度降低、节约了开发成本。
工业无线；无线 HART ；智能圆卡
随着工业无线技术的应用，工业现场设备逐步从有线过渡到无线。相比于有线设备，无线仪表摆脱了线缆架设的烦恼，减少了材料的开支，同时使得设备的安装和调试过程更加简单，但无线仪表的开发难度高于传统仪表的开发，对于一般中小型厂商缺乏技术实力开发无线仪表，因此，设计了一款基于无线HART的多功能圆卡，可供仪表厂商加快开发无线仪表。
1 无线HART
无线HART是一种过程自动化的无线网状网络通信协议，是建立在已有的经过现场测试的国际标准上的，其包括HART协议(IEC 61158)、 EDDL (IEC 61804-3)、IEEE 802.15.4无线电和跳频、扩频和网状网络技术[1]。作为第一个开放式的可互操作无线通信标准，无线HART能够满足工业自动化应用领域对于实时工厂应用中的可靠、稳定和安全的无线通信的关键需求[2]，而且与原有的有线HART仪表和控制系统完全兼容。
2 系统总体设计
系统整体框架如图1所示。该圆卡由两节锂电池供电，电源管理模块选用LM1117芯片,为系统内各部分提合适供稳定的工作电压[3]；电池监测及平衡电路则选取BQ28400结合BQ29200两块电源管理芯片，负责电量的检测和电路稳定； Wireless HART模块采用RFM公司的XDM2510H；信号调理部分采用MAX1452芯片，负责对原始信号进行放大、补偿和校准；MCU则选取MSP430F5438A单片机，对经调理的信号进行采集、分析和处理；数据分析结果通过XDM2510H经无线网送达网关提供给上位机使用[4]；液晶显示屏选取JLX12864G用来进行参数设定。
图1 系统整体框图
3 硬件设计
3.1 主控电路
主控电路部分包含使MSP430F5438A单片机能够正常工作的外接电路和按键电路。单片机外接晶振包括Y1和Y2两块晶振，Y1为8 MHz的高速晶振，Y2为32.768 kHz的低速晶振。上电复位电路保证芯片上电自动复位，同时也可以通过复位按键手动复位；按键电路占用7个IO口，主要通过监测这些按键来配置系统的一些参数，包括警戒值的设定、数据发送频率的设定、网络配置参数的设定等。主控电路的基本架构如图2所示。
图2 主控电路原理图
由于整个电路由多个模块共同组成，所以电路中将所有的IO口通过插针引出来方便后续调试[5]。
3.2 供电与电源管理
整个电路需要3.3 V和5 V两种供电电压。供电电路首先通过LM1117-5.0稳压芯片产生5.0 V的电压，再经过LM1117-3.3芯片产生3.3 V的供电电压。
电源管理电路的主体部分由BQ28400和BQ29200两款芯片组成。BQ28400芯片负责测量电路电压、电量以及温度等信息[6]，然后通过SMBC和SMBD两个引脚实现主控芯片和BQ28400芯片的通信，通过传送固定的命令字节来获得电池的相关信息(例如0x08为读取温度值的命令、0x09为读取电压值的命令)，而BQ29200主要负责二次过压保护，利用BQ29200就不需要额外搭建复杂的过压保护电路，可以简化电路[7]。
3.3 信号收发电路
设计使用XDM2510H模块，其内部已经为用户集成了Wireless HART协议栈，而用户只需要通过简单的UART通信即可实现整个入网以及数据收发的功能[8],节约了用户的开发过程。
数据收发的电路原理图如图3所示。MSP430F5438A与XDM2510H模块之间通过UART进行数据交换，其波特率为9 600[9]，本次设计中主要涉及以下几个引脚：UART_RX：输入引脚，是XDM2510H接收来自于MSP430F5438A的数据；UART_TX：输出引脚，用于XDM2510H向MSP430F5438A发送数据；MT_RTS：输出引脚，该引脚用来唤醒MSP430F5438A接收数据，当XDM2510H准备好发送新数据时，该引脚复位提醒XDM2510H有新数据准备发送[10]。当XDM2510H有数据需要发送的时候，SP_CTS引脚为低电平(SP_CTS为低电平表示单片机已经准备好接收数据)或者MT_RTS保持复位状态的时间超过某一上限值，MT_RTS会变为高电平，否则，MT_RTS会一直保持复位状态。 SP_CTS：输入引脚，当MSP430F5438A准备好接受来自于XDM2510H的数据时，该位被复位。如果单片机一直处于准备接受串行数据的状态，那么可以通过外部电路将其拉低。MT_CTS：输出引脚，在模块真正加入网络之前，该位是无效的。模块加入网络之后，在正式发送数据之前，节点模块需要检测该引脚状态，只有在确保该引脚为低电平的时候，才能执行发送数据的过程[11]。TIME：输入引脚，属于可选信号，用来触发时间戳数据报。
图3 Wireless HART数据收发电路原理图
3.4 信号调理
传感器的测量精度一般会受外界温度以及自身材料结构等方面的影响，因此，除了将传感器信号放大之外，还需要对传感器的输出进行补偿和校准[12]，MAX1452此款芯片能够通过编程对各种传感器信号进行补偿和校准，片内集成的存储器使得用户可以根据需要自行设置补偿参数[13]，而且内部还集成了可编程运放,使得外围电路更加简洁。
4 软件设计
4.1 软件系统总体介绍
软件部分使用IAR这款嵌入式系统开发工具，这是一款带有C/C++ 编译器和调试器集成开发环境(IDE)、 实时操作系统和中间件、开发套件、硬件仿真器以及状态机建模工具的高性能开发工具[14]。
图4 系统软件工作流程
如图4所示，整个系统的软件部分包括系统初始化设置、节点入网、参数设置、压力和温度数据采集、信号调理、电量监测。初始化设置中包含hal_board.c和hal_tlv.c两个程序，其中hal_board.c主要是用来配置系统时钟和功耗等级，hal_tlv.c设置单片机选型；节点入网部分包含XDM2510.c程序，该程序主要负责网络参数的设置以及节点的入网、数据的收发和处理，是整个系统最核心的部分；参数设置是通过按键电路来实现的；压力和温度数据的采集部分包含有ADC12.c代码，主要是对压力和温度数据进行模数转换；信号调理主要是针对压力传感器设计的代码，以MAX1452.c命名，预先对MAX1452的内部数据进行设置，然后通过写入的参数对压力信号进行补偿处理，提高整个电路的精确度。电量监测部分包含SMBus.c代码，该代码主要是通过发送命令读取电池的相关参数，并与报警值比较，以此来判断和显示电池目前的健康状况；其他部分包DS18B20.c和JLX12864G-0088.c以及延时函数。整个软件部分分工明确、功能丰富、结构紧凑。
4.2 无线HART模块软件设计
默认情况下，MSP430F5438A和XDM2510H之间的通信是四线制的[15]，包括MT_RTS、MT_CTS、TX和RX，每个信号线的功能在上文已经介绍过。每一个新的节点模块都需要经过图5所示的几个状态转换才能完成一次完整的生存周期。
图5 XDM2510H模块状态转换图
XDM2510H主要有初始化(Init)、空闲(Idle)、搜索(Searching)、会话(Negotiating)、连接(Connected)、运行(Operational)、断开(Disconnected)这7个状态[16]，要使节点能够加入特定的无线HART网络，微控制器需要严格按照以下步骤进行设置和操作。
(1)XDM2510H与单片机是通过串口收发数据的，所以需要根据要求初始化单片机的UART模块，将其波特率设置为9 600，8位数据位，一个停止位，无奇偶校验位；
(2)XDM2510H上电初始化之后会通过串口主动发送一个启动包，此时的XDM2510的保持为Init状态，启动包的数据格式如下7E 0F 09 00 00 00 00 01 00 00 00 00 FE 0E 7E
MSP430F5438A在接收到这样的数据报之后，应当立刻回复如下的确认数据报：7E 0F 00 05 00 9F 30 7E，一旦XDM2510H接收到了此确认报，其就会停止发送启动包，同时，XDM2510H的状态会由之前的Init转变为Idle状态；
(3)在节点加入网络之前，需要对模块进行一些重要参数的配置，这里主要涉及到的是一些网络参数：
(4)以上主要参数设置正确并且成功应答之后，发送Join命令执行加入网络的过程，该命令的数据报格式为0x06,0x00,0x00，且XDM2510H在收到该指令之后，如果能够成功加入，则会返回一个确认报，该确认包的格式为06 00 01 00，这样就完成了加入请求的过程；
(5)从网关收到节点的加入请求之后，网关会自动执行一系列的操作，使得节点过度到Operational；
(6)通过发送GetMoteStatus命令，获取当前节点的状态，当监测到当前节点已经成功过度到了Operational状态的时候，就可以发送请求服务命令了，该命令的数据报格式为0x01,0x0A,0x00,0x08,0x00,0x01,0x00,0xF9,0x81,0x00,0x00,0x13,0x88。
如果能够成功实现请求服务，则整个加入过程至此结束，此时便可以通过Send命令向网关发送数据了。
5 PCB电路布局与调试
在完成整个原理图的设计之后，根据原理图生成PCB图，并对整个PCB进行合理的布局。如图6所示，PCB电路板的面积不到10 cm×10 cm，主要包括稳压电路、外接电源电路、按键电路、充电电路、液晶显示电路、电池监测电路、XDM2510入网/数据收发电路、信号处理电路和MCU控制电路这9个部分。图7为PCB板的实物图。
图6 PCB电路图
图7 PCB正反面实物图
设计采用分模块的方法进行硬件和软件的调试。硬件部分共分为5个部分进行调试：主控电路部分(包括供电电路)、液晶显示部分、电池监测部分、信号处理部分、XDM2510H数据收发部分。软件部分主要涉及到几个主要的程序代码的调试：ADC12.c模数转换代码、DS18B20.c温度传感器代码、MAX1452.c信号调理代码、JLX12864G-0088.c液晶显示代码、XDM2510.c无线数据收发代码、SMBus.c电压监测代码。利用简单的测试程序将硬件电路各个部分调通之后再将整个电路焊接测试，整体运行测试代码，保证硬件电路的正确无误；然后将调试好的软件组合成一个工程，下载到MSP430F5438A中运行，直到通过whconsole.exe网关监测软件能够正确接收到期望的数据。
6 结束语
设计将整个电路分为不同的模块，对每一个模块进行原理分析和芯片选型设计了基于无线Hart的智能圆卡实用电路，圆卡只要植入不同的传感器，并载入对应的传感器软件，在配上电池、天线、圆卡外壳就能快速开发出一款无线HART变送器，缩短了仪表厂商的开发时间，节约了开发时间和成本。
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Design of Multi-Function Smart Card Based on Wireless HART
DING Yang1，WANG Kai2，WANG Yagang1
(1. School of Optical-Electrical and Computer Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China; 2. Shanghai Publishing and Printing College, Shanghai 200093, China)
In order to meet the growing demand of industrial wireless communication enterprise users, we propose a multi-functional smart card design based on wireless HART. The XDM2510H is adopted for the wireless HART module, and MAX1452 for the signal conditioning module, which is responsible for the original signal amplification, compensation and calibration. The MCU adopts MSP430F5438A microcontroller for the modulation of signal acquisition, analysis, and processing. Data analysis results are sent by XDM2510H via the wireless network to the gateway for PC. The smart card can access different sensors and load corresponding different software, enabling quick development of a wireless HART transmitter, thereby reducing the difficulty of wireless Hart instrument research and saving the cost of development.
industrial wireless; wireless HART; smart card
2016- 08- 08
丁杨(1991-)，男，硕士研究生。研究方向：无线传感器网络等。王凯(1973-)，男，高级工程师。研究方向：无线传感器网络等。
10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.06.020
TN92;TP368.1
A
1007-7820(2017)06-073-05
