基于IEEE802.15.4的工业无线现场设备的开发

摘要

工业无线通信技术被称为工业控制领域的革命性技术,是继现场总线之后的又一个热点技术,是降低自动化成本、提高自动化系统应用范围的最有潜力的技术,也是未来几年工业自动化产品新的增长点。随着2008工业无线通信国际大会的顺利召开,国内即将迎来一个工业无线通信飞速发展的时期,越来越多的厂家将投入到工业无线产品的开发队列中。在此情况下,本文依托两个国家863项目重点子项:基于IEEE802.15.4的测量与控制用无线通信模块(编号:2006AA040302-1)和基于IEEE802.15.4的智能仪表(编号:2006AA040302-2),研究开发了具有自身特色的工业无线现场设备。
　　 本文首先介绍了工业无线通信发展历程以及几种国际无线标准、组织,接着对几种主要用于工业上的无线通信技术简单概述。在对基于IEEE802.15.4的工业无线测控系统的体系结构和该系统的现场设备的功能需求的认真分析后,给出了工业无线电动执行器、工业无线I/O设备、工业无线变送器(包括温度变送器、压力变送器、阀门定位器、电磁流量计、温湿度节点设备,这几种现场设备的硬件设计基本一样)三大类工业无线现场设备的硬件设计方案。
　　 本文重点介绍了硬件设计部分所用到的射频电路的电磁兼容性设计、便携式电源设计等几种关键技术,在此基础上设计开发了工业无线电动执行器(模块)、工业无线I/O设备、工业无线温度变送器,并对三种设备的通信流程进行了阐述。同时利用所设计的工业无线现场设备配合工业无线网关、上位机搭建了一套工业无线测控系统,并在2008工业无线国际大会期间进行了展示。
　　 最后对本文设计的工业无线现场设备进行了通信质量、性能和功能方面的测试。测试结果表明,工业无线电动执行器的通信成功率在99.8％以上；工业无线电动执行器和其他工业无线现场设备的输出功率在-2.25dBm～-8.112dBm之间,经估算,通信距离在实验室环境下达70米以上。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 工业无线发展历程及领域

1.2 工业无线通信组织及标准

1.2.1 ISA100简介

1.2.2 无线HART简介

1.3 几种主要的通信技术

1.3.1 蓝牙技术概述

1.3.2802.11技术概述

1.3.3 紫峰技术概述

1.3.4 TRUSTED WIRELESS概述

1.4 本文主要研究内容

1.5 本章小结

第二章 工业无线测控系统组成及关键技术

2.1 基于IEEE 802.15.4的工业无线测控系统的体系结构

2.2 工业无线现场设备的功能需求

2.3 工业无线现场设备硬件设计方案

2.4 设计中应用的关键技术

2.4.1 便携式电源设计

2.4.2 高速PCB板设计与多层PCB板设计

2.4.3 射频电路的电磁兼容性设计

2.4.4 环形天线设计

2.5 本章小结

第三章 典型工业无线通信现场设备的开发

3.1 工业无线温度变送器的设计

3.1.1 工业无线温度变送器工作原理

3.1.2 工业无线温度变送器的通信卡设计

3.1.3 工业无线温度变送器的软件部分设计

3.2 工业无线I/O设备的设计

3.2.1 工业无线I/O设备工作原理

3.2.2 工业无线I/O设备硬件设计

3.2.3 工业无线I/O设备的软件设计

3.3 本章小结

第四章 工业无线(电动执行器)模块的设计与实现

4.1 工业无线(电动执行器)模块的结构

4.2 微处理器CC2430介绍

4.3 外围电路设计

4.3.1 复位电路设计

4.3.2 时钟电路的设计

4.3.3 天线电路设计

4.3.4 电源部分设计

4.3.5 数据采集与调试接口部分设计

4.4 硬件调试方法

4.5 软件设计

4.6 本章小结

第五章 工业无线现场设备的测试与应用案例

5.1 工业无线现场设备的测试

5.1.1 无线通信质量测试

5.1.2 无线通信性能测试

5.2 基于IEEE 802.15.4的工业现场设备的应用

5.3 本章小结

第六章 结论及未来工作

6.1 结论

6.2 未来工作

致谢

参考文献

附录 攻读硕士学位期间从事的科研工作