４－２０ｍＡ无线仪表监测系统的设计与实现

   ４－２０ｍＡ仪表是工业现场控制中的重要一环，有着广泛的应用。本文提出一种４－２０ｍＡ无线仪表监测系统，讨论了４－２０ｍＡ仪表的数据采集，ＡＤ转换，无线发送，中继转发，无线接收和串口转换。最后通过Ｐｃ的串口接收工具对４－２０ｍＡ仪表做了测试，检验了监测系统的使用性和有效性。

   工业现场中．很大一部分仪表都具有４－２０ｍＡ输出接口。４－２０ｍＡ仪表具有结构简单，成本较低，便于传输，易于接线等等优点。但也意味着需要专门安装电缆，以装载４－２０ｍＡ数据。无线传输可以较好地改普这一问题，同时也具有比较高的精度，能够在较远的地方监测仪器仪表和传感器的数据。另一方便，物联网是当今最热点的技术之一，将无线传输和无线监测引入到仪罂仪表与传感器，也是物联网的一个实践，具有广泛的意义和使用价值。

   ＴＩ公司的无线ＣＣ２４３０芯片，工作频率２．４ＧＨｚ，具有一个增强型的８０５１的内核，自带８ＫＢ的ＲＡＭ，１２８ＫＢ闪存。具有高精度的１４位模数转换ＡＤＣ，有两个ＩＪＳＡＲＴ串口和若干个Ｉ／ｏ口，工作在低功耗模式ＰＭ２和ＰＭ３时电流消耗仅仅为９ｕＡ和０．６ｕＡ．是一款低功耗高稳定性的无线模块。

１无线仪表硬件设计１．１系统功能结构

４－２０ｍＡ无线仪表监测系统硬件主要由以下部分组成：４－２０ｍＡ无线终端、无线中继器，无线接收和串口转换电路。其中４—２０ｍＡ无线终端包括：４－２０ｍＡ仪表或者４－２０ｍＡ传感器，ＣＣ２４３０无线模块、电源底板和信号调制电路。

无线仪表监测系统结构各个部分功能如下：

（１）４－２０ｍＡ无线终端：主要负责采集工业现场数据，并将其转换为４—２０ｍＡ标准电信号，以便无线模块接收和处理。电源底板和信号调制电路一方面给无线模块供电，另一方面给将４－２０ｍＡ电流信号调制为无线模块的微处理器ＡＤ转换器量程之内的电压信号。ＣＣ２４３０无线模块对信号做ＡＤ转换和处理，并将信号组包无线发送出去。

（２）无线中继节点：扩展了无线信号的传输距离，接收４－２０ｍＡ无线终端的无线信号，并将它转发给无线接收和串口转换电路。

（３）无线接收和串口转换电路实现无线数据和串口数据的转换：接收无线中继转发的数据包，取出其中仪表采集的数据和无线终端的地址，转换成串口数据发送给Ｐｃ机。通过Ｐｃ机中的串口转换调试工具可以实时远程无线监测４－２０ｍＡ仪表／传感器采集的工业现场数据。

１．２系统硬件选型：我们对于各个设备硬件进行选型。（１）４—２０ｍＡ无线终端选取氧气４—２０ｍ＾电流变送器作为数据采集仪表。被测环境中氧气的百分比为Ｘ＝１．５６２５十（Ｉ一４）

选取精度较高的１００欧姆千分之一电阻，将电流Ｉ转换为电压Ｖ＝ＩＯＯＩ，输入到ＣＣ２４３０的ＡＤ输入端。

无线模块使用ＴＩ的ＣＣ２４３０。

电源选择：４－２０ｍＡ无线终端需要２４ｖ，５ｖ，３．３ｖ三级供电。选取２４ｖ的２Ａ的普通电源给氧气４、２０ｍＡ电流变送器供电．另外使用１３１２５７６将２４ｖ转换为５Ｖ，ＡＳｌ儿７将５ｖ转换为３．３ｖ以便给无线模块供电。

（２）无线中继：通过４．２ｖ手机电池供电。充电芯片ＭＡＸｌ５５５能够对手机电池充电，低功耗的ＭＡＸ８８８１给无线中继中的ＣＣ２４３０供电。

（３）无线接收和串口转换电路：与无线中继类似，增加ＭＡＸ３２３２以完成ＣＣ２４３０与电脑２３２串口的电平转换和信号通信。

博览２．２软件实现（１）调试环境

调试环境使用瑞典ＩＡＲ公司开发的ＩＡＲＥｍｂｅｄｄｅｄ＿／ｏｒｋｂｅｎｃｈ开发平台，它是专门的嵌入式Ｃ／Ｃ＋＋调试平台，可以完成创建工程、编辑文件、编译、汇编、连接等工作，还支持在线单步调试和断点调试，能够极大的缩短嵌入开发周期。

无线通信使用德州仪器（ＴＩ）开源的ＳｉｍｐｌｉｃｉＴＩ无线协议栈（简称ＴＩ协议栈），本协议栈包括基本的物理层函数和简单的组网功能。

ＳｉｍｐｌｉｃｉＴＩ的无线网络分为三个部分无线终端ＥＤ，无线中继ＩｌＥ，网络管理者Ａｃ，分别对应本系统的４－２０ｍＡ无线终端，无线中继和无线接收和串口转换电路。

（２）ＡＤ转换：ＣＣ２４３０中选取ＡＤ精度为１４位，参考电压１．２５ｖ。Ｂ为ＡＤ转换的二进制输出结果。参考芯片手册可知，ＡＩ）输入电压相当于参考电压时，转换结果为８１９１。则转换结果计算方法略。

（３）无线发送：

转换结束后，将ＡＤ转换结果无线发送出去。４－２０ｍＡ无线终端发送的数据帧定义为，包括：Ａｄｒｅｓｓ每个４－２０ｍＡ仪表／传感器拥有的唯一地址：同类型的仪表，定义成不同的值，以便区分。

无线发送数据帧使用ＴＩ协议栈的函数：ｓ肝Ｌ—Ｉｏｅｔｌ０。

３结果分析

３．１无线测试

将无线终端发送时间定为１０ｓ，每２分钟为一组，通过Ｐｃ上的串口监视程序远程监。一方面测试本系统的最大通信距离，分别在１００米、２００米、２５０米、３００米测试，发现最远传输距离为２５０米。如果使用功率放大的无线模块，Ｐｃ机可以在无障碍的条件下监测７００米外４－２０ｍ＾无线仪表。

另外一方面测试无线数据包的分别在１００米、２００米、２５０米、３００米测试收到的无线数据包的个数．监测不同距离的无线数据帧是否出现畸变，不同距离的丢包率。发现１００米无障碍时丢包率低于１０％，数据无畸变：２００米无障碍时丢包率低于２０％，数据无畸变：２５０米无障碍丢包率约５０％并且，数据少量畸变：超过３００米几乎收不到数据了。

３．２监测系统的意义

４—２０ｍＡ无线仪表一边监测系统，提出无线了４—２０ｍＡ无线仪表的设计方案和实现途径，探讨了无线模块ＣＣ２４３０的ＡＤ转换及其公式。设计了无线中继器、无线接收和串口收发器。最后将ＴＩ协议栈应用到无线监测系统的各个硬件中，实现无线仪表的远程监测，测试了监测系统的丢包率和通信距离。检验了该系统的实用性和有效性。