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    作者：鄭曉敏

    在石油化工、水利水電、環(huán)境監(jiān)測(cè)、農(nóng)田灌溉以及污水處理廠、自來(lái)水廠等眾多領(lǐng)域，液位的測(cè)量是自動(dòng)化控制系統(tǒng)的重要組成部分，液位測(cè)量的準(zhǔn)確與否將直接影響到工藝穩(wěn)定、產(chǎn)品質(zhì)量及環(huán)境質(zhì)量。近年來(lái)，伴隨著無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)不斷發(fā)展，作為無(wú)需布線的工業(yè)無(wú)線通信技術(shù)越來(lái)越被人們所青睞。工業(yè)無(wú)線通信技術(shù)是繼現(xiàn)場(chǎng)總線之后工業(yè)控制領(lǐng)域的又一熱點(diǎn)技術(shù)，是降低工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)成本、擴(kuò)展工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)應(yīng)用范圍、推動(dòng)自動(dòng)化發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。

    WIA-PA是工業(yè)無(wú)線領(lǐng)域三大主流國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)之一，是我國(guó)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的工業(yè)無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)。WIA-PA具有抗干擾能力強(qiáng)、通信實(shí)時(shí)性強(qiáng)、可靠性高、能耗低等特點(diǎn)，這些特點(diǎn)使得它能夠適應(yīng)惡劣的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境和人不宜到達(dá)的區(qū)域。本文設(shè)計(jì)的無(wú)線液位變送器，以WIA-PA協(xié)議無(wú)線傳輸取代傳統(tǒng)有線傳輸，其在石油、化工、天然氣開(kāi)采、冶金、污水處理等高耗能、高污染行業(yè)有廣泛的應(yīng)用前景。由于本設(shè)計(jì)采用無(wú)線傳輸，無(wú)需布線，使得儀表的安裝十分方便，解決了傳統(tǒng)儀表安裝所帶來(lái)的布線復(fù)雜、無(wú)法布線等問(wèn)題，大大節(jié)約了儀表的安裝成本。

1  系統(tǒng)組成

    基于WIA-PA技術(shù)的無(wú)線液位變送器采用傳感器模塊+儀表模塊+通信模塊+電源模塊的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，傳感器模塊用于將液位高度轉(zhuǎn)換成可以被采集的電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)非電量到電量的變換；儀表模塊由AD單元、CPU單元和顯示單元構(gòu)成，其主要功能是采集傳感器信號(hào)，進(jìn)行本地顯示，同時(shí)將其按WIA-PA幀格式打包，通過(guò)串口送至通信模塊；通信模塊用于構(gòu)建WIA-PA無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送給無(wú)線網(wǎng)關(guān)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端系統(tǒng)平臺(tái)對(duì)液位的監(jiān)測(cè)；電源模塊用于將電池電壓轉(zhuǎn)換成傳感器模塊、儀表模塊和通信模塊所需要的工作電壓。

1.1傳感器模塊

    傳感器模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示．主要由樹(shù)脂圓營(yíng)制成的軸和可沿軸上下移動(dòng)的圓狀浮子組成，圓營(yíng)狀軸內(nèi)裝有由易磁化的強(qiáng)磁性材料制成的磁敏開(kāi)關(guān)，浮子內(nèi)嵌有永久磁鐵。當(dāng)永久磁鐵靠近磁敏開(kāi)關(guān)時(shí)．磁敏開(kāi)關(guān)閉合，遠(yuǎn)離時(shí)，磁敏開(kāi)關(guān)斷開(kāi)。其中，磁敏開(kāi)關(guān)用干簧管來(lái)實(shí)現(xiàn)．干簧管是由兩片端點(diǎn)處重疊的可磁化簧片密封于一段玻璃管中構(gòu)成。兩簧片分隔距離約幾個(gè)微米，玻璃管中裝填有高純度惰性氣體，在尚未操作時(shí)，兩片簧片并未接觸，當(dāng)在外部施加磁場(chǎng)時(shí)，兩片簧片端點(diǎn)位置由于產(chǎn)生不同的極性，互相吸引而閉合；當(dāng)在外部施加的磁場(chǎng)消失時(shí)，兩片簧片端點(diǎn)位置由于自身彈性，互相排斥而斷開(kāi)。

    液位傳感器垂直安裝在待測(cè)液體灌中，當(dāng)浮子的高度隨著液體高度的變化而發(fā)生變化時(shí)，浮子內(nèi)嵌有的永久磁鐵吸引與其相應(yīng)位置的干簧管閉合，形成電路短接，從而改變液位傳感器的輸出電壓，達(dá)到將液體的高度信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的目的。液位傳感器模塊可以做成各種長(zhǎng)度．以便能夠適應(yīng)各種測(cè)量量程。

    為了提高液位傳感器模塊測(cè)量的可靠性，在如上所述的模擬傳感器基礎(chǔ)上，在重要部分位置上安裝數(shù)字傳感器。數(shù)字傳感器分別位于間隔25%的量程位置上，同時(shí)為保證可靠性，分別在零量程和全量程位置上安裝數(shù)字傳感器。液位傳感器模塊采用雙傳感器，由于數(shù)字傳感器結(jié)構(gòu)上獨(dú)立于模擬傳感器，所以實(shí)現(xiàn)了液位傳感器模塊的冗余設(shè)計(jì)，極大提高了其可靠性。

1.2儀表模塊

    儀表模塊由AD單元、CPU單元和顯示單元構(gòu)成。

    AD單元采用美國(guó)德州儀器公司推出的連續(xù)自校準(zhǔn)模／數(shù)( A/D)轉(zhuǎn)換器ADS1100。ADS1100采用差分輸入，具有高達(dá)16位的分辨率和兼容的I2C串行接口。ADS1100以電源作為基準(zhǔn)電壓，在2.7~5.5 V的單電源下工作。ADS1100具有可編程的數(shù)據(jù)速率，通過(guò)編程可每秒采樣8、16、32或128次以進(jìn)行轉(zhuǎn)換，片內(nèi)可編程的增益放大器PGA可以提供高達(dá)8倍的增益，允許對(duì)更小的信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，并且具有高分辨率，在單周期轉(zhuǎn)換方式中ADS1100在一次轉(zhuǎn)換之后自動(dòng)掉電，在空閑期間極大地減少了電流消耗。AD單元電路如圖3所示。

    CPU單元采用美國(guó)德州儀器公司推出的16位超低功耗微控制器MSP430F169。MSP430F169微控制器采用精簡(jiǎn)指令集( RISC)結(jié)構(gòu)，一個(gè)時(shí)鐘周期執(zhí)行一條指令；電源電壓采用1.8~ 3.6 V，活動(dòng)模式耗電250 pA /MIPS（MIPS:每秒百萬(wàn)條指令數(shù)），RAM數(shù)據(jù)保持方式下耗電僅0.1uA，IO輸入端口的漏電流最大僅50 nA，具有1種活動(dòng)模式(AM)和5種低功耗模式( LPMO~ LPM4)，具有超低功耗的特性。MSP430具有2 KB RAM和60 KB FLASH，擁有兩個(gè)可外接的晶體振器和一個(gè)片內(nèi)振蕩器，含有看門(mén)狗定時(shí)器和多個(gè)16位、8位定時(shí)器，支持兩個(gè)獨(dú)立的全雙工USART串口。這些豐富片內(nèi)外設(shè)，為本設(shè)計(jì)方案的實(shí)現(xiàn)提供了極大的方便。CPU單元電路如圖4所示。

    顯示單元用來(lái)顯示當(dāng)前液位高度，選用由ST7565芯片驅(qū)動(dòng)的12864液晶模塊，ST7565芯片支持串行接口，本設(shè)計(jì)中顯示單元與CPU單元通過(guò)串行接口連接，僅需要5根信號(hào)線，分別是：串行時(shí)鐘信號(hào)SCLK，與CPU的Pl.5引腳相連；串行數(shù)據(jù)端SI，與CPU的Pl.6引腳相連；數(shù)據(jù)屬性AO，與CPU的Pl.7引腳相連；模塊片選信號(hào)/CS，與CPU的P2.1引腳相連；復(fù)位信號(hào)/RES，與CPU的P2.2引腳相連。

1.3通信模塊

    通信模塊是一款用于過(guò)程自動(dòng)化的完全符合WIA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與通信規(guī)范(WIA-PA)和中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的高可靠、超低功耗模塊，其由低功耗32位微控制器和符合IEEE 802. 15.4標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線射頻芯片CC2530構(gòu)成。網(wǎng)絡(luò)層功能由WIA-PA軟件協(xié)議棧完成，MAC層和物理層的功能由模塊芯片實(shí)現(xiàn)；同時(shí)為了提高發(fā)射功率和接收靈敏度，在射頻前端增加了低噪聲放大器和功率放大器。在WIA-PA網(wǎng)絡(luò)中，模塊最小工作電流僅為55uA，有利于增長(zhǎng)無(wú)線低功耗設(shè)備的使用壽命。

    通信模塊提供了一個(gè)UART接口，其可以用于連接低功耗芯片。硬件設(shè)計(jì)上將通信模塊的UART接口和儀表模塊中CPU單元的UART接口相連，儀表模塊便能夠定時(shí)提供網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步、本地配置及診斷等信息，并且能夠通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與上層設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。通信模塊引腳如圖5所示。

1.4電源模塊

    電源模塊由四節(jié)3.7 V、1 600 mAh鋰電池組成，采用先串聯(lián)后并聯(lián)的方式構(gòu)成一個(gè)具有7.4 V、6 400mAh的大容量高穩(wěn)定性電池組。電池組為傳感器模塊、儀表模塊和通信模塊供電，由于儀表模塊和通信模塊均需要3.3 V供電，因此需要電壓轉(zhuǎn)換芯片，來(lái)提供穩(wěn)定的電壓源。

    根據(jù)鋰電池的充放電特性，放電時(shí)需要注意電壓下限，當(dāng)電池電壓低于一定值時(shí)，部分材料會(huì)開(kāi)始損壞，因此，電源模塊中還需外加一個(gè)低電壓檢測(cè)單元，來(lái)實(shí)時(shí)檢測(cè)放電電壓‘印。電壓檢測(cè)單元通過(guò)芯片LTC19981實(shí)現(xiàn)，當(dāng)電池電壓低于設(shè)定的閾值時(shí)，BAT-TL輸出引腳從高電平狀態(tài)變?yōu)榈碗娖綘顟B(tài)，向CPU發(fā)出報(bào)警信號(hào)。電壓檢測(cè)電路如圖6所示。

2軟件設(shè)計(jì)

    儀表的軟件設(shè)計(jì)主要包括標(biāo)定程序設(shè)計(jì)和主程序設(shè)計(jì)。標(biāo)定程序是為了讓儀表能夠適應(yīng)各種測(cè)試環(huán)境，當(dāng)儀表安裝在不同的地方時(shí)，均能夠達(dá)到設(shè)計(jì)時(shí)的精度；主程序是指儀表在標(biāo)定后，進(jìn)入工作狀態(tài)時(shí)的程序。由于液位的變化是一個(gè)過(guò)程量，因此沒(méi)有必要連續(xù)不停采集液位傳感器AD值，在本設(shè)計(jì)中，固定時(shí)間間隔采集一次液位傳感器AD值，其他時(shí)間儀表進(jìn)入低功耗模式，從而保證了整機(jī)的低功耗特性。

2.1  標(biāo)定程序設(shè)計(jì)

    儀表在工作之前，首先要進(jìn)行標(biāo)定，由于液位傳感器模塊由電阻原件構(gòu)成，具有良好的線性度，所以僅需兩點(diǎn)標(biāo)定即可。本設(shè)計(jì)在零量程和滿量程這兩點(diǎn)上進(jìn)行標(biāo)定，它們均在兩個(gè)外部中斷程序中實(shí)現(xiàn)。零量程標(biāo)定指當(dāng)液位高度為0 cm時(shí)，按下零量程標(biāo)定按鈕，采集傳感器模塊AD值，保存到EEPROM中；滿量程標(biāo)定指當(dāng)液位高度等于儀表量程時(shí)，按下滿量程標(biāo)定按鈕，采集傳感器模塊AD值，保存到EEPROM中。儀表標(biāo)定程序框圖如圖7所示。

2.2主程序設(shè)計(jì)

    儀表標(biāo)定后，重新上電，首先進(jìn)行一系列初始化，包括WIA-PA通信模塊初始化和儀表模塊初始化。WIA-PA通信模塊的初始化過(guò)程如下：儀表模塊發(fā)送命令請(qǐng)求WIA-PA通信模塊長(zhǎng)地址，WIA-PA通信模塊發(fā)送長(zhǎng)地址給儀表模塊，同時(shí)WIA-PA通信模塊向所在網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)請(qǐng)求加入，網(wǎng)關(guān)收到長(zhǎng)地址后將WIA-PA通信模塊加入其WIA-PA網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。儀表模塊的初始化包括AD單元初始化、顯示單元初始化和CPU單元初始化。儀表模塊和WIA-PA通信模塊初始化完成后，CPU單元開(kāi)啟定時(shí)器，進(jìn)入低功耗模式，等待定時(shí)時(shí)間到達(dá)；定時(shí)時(shí)間到達(dá)后，CPU單元退出低功耗模式，采集液位傳感器模塊AD值，使用標(biāo)定時(shí)保存在EPROM中的兩個(gè)AD值對(duì)其進(jìn)行線性化處理，得到當(dāng)前液位高度；然后對(duì)液位高度進(jìn)行數(shù)據(jù)打包發(fā)送給通信模塊，最后由通信模塊通過(guò)WIA-PA網(wǎng)絡(luò)將其發(fā)送給WIA-PA網(wǎng)關(guān)，而CPU單元再次進(jìn)入低功耗模式，等待下一次定時(shí)時(shí)間到達(dá)。儀表主程序框圖如圖8所示。

3試驗(yàn)

    本文所設(shè)計(jì)的無(wú)線液位變送器，首先進(jìn)行WIA-PA通信試驗(yàn)，儀表設(shè)定為30 s發(fā)送一次數(shù)據(jù)，即8h儀表共發(fā)送數(shù)據(jù)包960個(gè)，儀表與網(wǎng)關(guān)間的距離分別設(shè)定為室外200 m、400 m、600 m、800 m和1 000 m．8h后，記錄網(wǎng)關(guān)接收到的數(shù)據(jù)包數(shù)目，通信試驗(yàn)結(jié)果如表1所示；然后對(duì)儀表進(jìn)行精度測(cè)試，測(cè)試時(shí)選用長(zhǎng)度為50 cm的液位傳感器模塊，即儀表量程為50 cm，試驗(yàn)之前先將液位高度分別調(diào)到0 cm和50 cm，對(duì)儀表標(biāo)定，接著將液位反復(fù)從5 cm調(diào)到45 cm，再?gòu)?5 cm調(diào)到5 cm，連續(xù)測(cè)得4組液位變送器輸出的液位高度數(shù)據(jù)，測(cè)量結(jié)果如表2所示。

    由試驗(yàn)結(jié)果可以看出，本方案設(shè)計(jì)的儀表無(wú)線通信傳輸成功率高達(dá)99%以上，測(cè)量結(jié)果相對(duì)誤差在5%以內(nèi)，可以滿足現(xiàn)代工業(yè)監(jiān)控流程需求。

4結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種基于WIA-PA技術(shù)的無(wú)線液位變送器。該儀表具備低功耗、高可靠、高靈活等特點(diǎn)，同時(shí)將傳統(tǒng)儀表的有線傳輸升級(jí)為無(wú)線傳輸，解決了傳統(tǒng)儀表安裝時(shí)所帶來(lái)的布線復(fù)雜、無(wú)法布線等同題。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，此設(shè)計(jì)不但無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸良好，面且測(cè)量精度也達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

5摘要：

提出了一種基于WIA-PA協(xié)議的無(wú)線液位變送器設(shè)計(jì)方案，介紹了該方案中傳感器、CPU、通信和電遠(yuǎn)模塊的硬件設(shè)計(jì)原理，描述了該方案中標(biāo)定程序和主程序的軟件設(shè)計(jì)流程，最后試驗(yàn)結(jié)果表明，該變送器在數(shù)據(jù)傳輸和測(cè)量精度方面達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。