无线工控采集变送器
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作者: 许红宁
摘要：设计一款基于470M短距离无线的采集变送器,采集方面它拥有开关量采集、频率采集、电压采集、电流采集，对应的变送器方面他拥有继电器输出、频率输出、电压输出、电流输出，另外还具有485总线接口，可以连接485设备也可以直接连接上位机。这样的硬件设备在工业中将会得到非常广泛的应用。
关键词：短距离无线传输；多种信号采集；变送器
中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1007-9599(2011)23-0000-01
Wireless Industrial Control Collective Transmitter
Xu Hongning
（ShenYang Ware Digital Technology Co.Ltd,Shenyang 110015,China）
Abstract:Design a wireless collective transmistter based on 470M short distance,and from the view of collection,it has switching value collection,frequency collection,electronic pressure collection,circuit collection and the corresponding transimitter,electronic relay output,frequency output,electronic pressure output,circuit output and also has 485 gpib,which can connect 485 equipment and upper monitor,which can be widely used in industrial field.
Keywords:Short distance wireless transmission;Various signals collection;Transmitter
一、设备用途
工业信号透传应用：在很多工业场合中，采集设备与终端设备之间的距离达到上百米，之间的接线是很繁琐的问题，而且由于做信号传输的优质纯铜线材价格非常昂贵，再加上人工成本和维护成本过高，使整个系统的成本大大增加，而且由于工业环境恶劣，会导致线材很容易老化或损坏，而几百米的线长又很难维修等一系列问题；无线工控采集变送器正是解决此类问题的最佳产品，它既有采集部分也有变送部分，完全可以当做线材来使用，无线信号替代了线材，使寿命、维护性、安装、成本等都得到了实质性的解决。但是目前市场上相关产品却很少见，所以它拥有很大的市场空间。
远程监控应用：将此设备一个接到上位机电脑上，一个接到工业机柜中，它就可以把机柜中的开关量、频率、电流电压等数据传输到上位机电脑中，有电脑做存储分析，还可以通过电脑下发控制指令，使工业机柜中的无线工控采集变送器输出相应的数据值。
由于引入了无线电，所以除了通过485与电脑通讯外，还可以设计很多无线设备与其通讯，例如可以设计一款手持设备，使用户可以通过手持设备来对设备进行采集与控制，这样的应用会使产品有更强的灵活性。
二、硬件设计
整个系统由13部分组成，即主控芯片、电源、485总线、拨码开关、RF电路、电压采集、电压输出、电流采集、电流输出、开关量采集、继电器输出、频率采集、频率输出。下面分别介绍每个部分。
（一）主控芯片。选择的是32位ST公司的ARM芯片STM32F103RBT6[1]，这款芯片基于Cortex-M3内核,内部外设十分丰富。（二）电源部分。系统使用工业标准电压12V，再由各个转换芯片为各部分电路供电。电路中没有开关电源芯片的大电感，所以不会产生高频干扰。（三）485总线。由于主控芯片为3.3V电压芯片，所以系统选用SP3485芯片做485总线的传输，这部分电路是芯片的典型接法。（四）拨码开关。系统接入8路拨码开关，用户可以通过这些拨码开关来设置系统的工作模式，RF工作频点和工作通道等。（五）RF部分。系统选择的是SI4432射频芯片。按照系统的功能，我们需要的射频部分应该是小数据量远距离抗干扰性强的应用。SI4432内部集成射频功放，发送功率可以达到20Db，是目前单芯片传输距离最远的芯片，空旷距离理论上可以达到2000米。通过对主控芯片的设置，它可以工作在不同的频段，即使在同一频段，还可以设置不同的同步字，而且芯片内部有硬件的CRC校验，保证了数据的正确性和抗干扰性。 RF射频部分PCB时要十分注意，稍有差错就会大大降低传输距离，具体参考SI4432的芯片手册[2]。（六）电压采集。标准变送器的输出电压为0-5V，而我们的主控芯片只能承受3.3V的电压，所以我们要用精密电阻来分压采集，为了防止接入电压过高烧毁主控芯片，系统接入一支3.3V稳压管，确保主控芯片采集引脚的电压不会高过供电电压。（七）电压输出（图1）。系统通过主控芯片来输出PWM波,经过RC滤波,调节占空比就可以精确的输出电压值,由于R11、C6、R12、C7组成的RC滤波网络为无源滤波，自身输出电阻过大，没有负载能力，所以后面设计了电压放大电路，并采用大输入阻抗的同向放大器接法
图1 电压输出电路
（八）电流采集。通过一个电阻把电流信号转换为电压信号，引入主控芯片AD采集端口即可，同电压采集电路一样，接上一个稳压二极管来保证主控芯片引脚电压不超过3.3V。（九）电流输出。电压输出电路的基础上，经过压流转换得到。此电路在输出4-20mA区间具有很好的线性关系。（十）开关量输入。通过光电耦合器来采集外界的开关量，好处是外界的开关信号不会损坏主控芯片。（十一）开关量输出。系统为防止LM7805稳压芯片过热，所以继电器选择的是12V驱动。（十二）频率采集。通过一个高速光耦来采集外界的频率信号，光耦在此选择6N137，可以采集10MHz的频率，当然受很多因素影响，包括主控芯片的主频、工艺等，可能采集不到10MHz的频率，但是作为工业系统的一般应用，无线工控采集变送器的频率是足够高的。（十三）频率输出
系统通过中功率三极管来输出PWM频率，不仅频率可调，占空比也可调。
参考文献：
[1]STM32F103RBT6中文手册
[2]SI4432芯片手册
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