（控制理论与控制工程专业论文）基于ieee802154的工业无线现场设备的开发.pdf

独创性声明 ! l | i l f ! l l i f f i | | i f l | l i f l l i f i ! i | f 洲 y 18 2 4 8 7 9 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重废 邮电太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签名：占和 签字日期： 溯8 年多月孑日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 重庆邮电太堂有关保留、使用学位论 文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人授权重迭整电太堂可以将学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等 复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：昌阳 导师签名：? 坪 签字日期： 湖睁6 月莎日签字日期：厶年b 吣t 文 重庆邮电大学硕士论文 摘要 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2 0 0 8 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8 6 3 项目重点子项：基于i e e e8 0 2 15 4 的测 量与控制用无线通信模块( 编号：2 0 0 6 a a 0 4 0 3 0 2 1 ) 和基于i e e e8 0 2 1 5 4 的智能仪表( 编号：2 0 0 6 a a 0 4 0 3 0 2 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i e e e 8 0 2 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2 0 0 8 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9 9 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 2 5 d b m 8 1 12 d b m 之问，经估算，通信距离在实验室环境下达7 0 米 以e 。 关键词：工业无线，无线模块，现场设备 a b s t r a c t i n d u s t r i a lw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y ，a ni m p o r t a n tt e c h n o l o g y f o l l o w i n gn e l db u s ，i sc a l l e dr e v o l u t i o n a r yt e c h n o l o g yi ni n d u s t r i a lc o n t r o l n e l d i ti sa l s op o t e n t i a lt e c h n o l o g yw h i c hc a nr e d u c ea u t o m a t i cp r o d u c t sc o s t a n db r o a d e na p p l i c a t i o nr a n g e0 fa u t o m a t i cs y s t e m a n di tw i l li n c r e a s e i n d u s t r i a la u t o m a t i cp r o d u c ti n f u t u r e y e a r s a f t e ri n d u s t r i a lw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nc o n f e r e n c ei n2 0 0 8 ，m o r ea n dm o r em a n u f a c t u r e r si n v e s t i g a t e i n d u s t r i a lw i r e l e s sp r o d u c t ， t h e n c ei n d u s t r i a lw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y d e v e l o p sr a p i d l y i n l a n d t h e r e f o r et h e t h e s i si n v e s t i g a t ea n i n d u s t r i a lw i r e l e s sf i e l dd e v i c ew i t hs e l fc h a r a c t e r i s t i cb a s e d o nn a t i o n a l h i g h t e c hr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tp l a n ( 8 6 3 ) ：w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n m o d u l eb a s e do ni e e e8 0 2 15 4i nm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e m ( s e r i a l n u m b e r ：2 0 0 6 a a 0 4 0 3 0 2 1 ) a n di n t e l l e c t u a l i z e di n s t r u m e n tb a s e d o ni e e e 8 0 2 15 4 ( s e r i a ln u m b e r ：2 0 0 6 a a 0 4 0 3 0 2 2 ) a tt h ef i r s t ，t h ed e v e l o p m e n to fi n d u s t r i a lw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o na n d s e v e r a li n t e r n a t i o n a lw i r e l e s ss t a n d a r d sa r ei n t r o d u c e d a n dt h e ns e v e r a im o s t w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e sa r ep r e s e n t e db r i e n y a f t e ra n a l y z i n g t h es t r u c t u r eo fi n d u s t r i a lw i r e l e s sm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e ma n dt h e f u n c t i o nd e m a n do ff i e l dd e v i c e si ns u c hs y s t e m ，h a r d w a r ed e s i g np r o j e c to f t h r e ek i n d so fi n d u s t r i a lw i r e l e s sn e l dd e v i c e ，i n d u s t r i a lw i r e l e s se l e c t r i c a c t u a t o r i n d u s t r i a lw i r e l e s si od e v i c ea n di n d u s t r i a l w i r e l e s st r a n s m i t t i n g i n s t r u m e n t ( i n c l u d e st e m p e r a t u r e t r a n s m i t t i n g i n s t r u m e n t ， p r e s s u r e t r a n s m i t t i n gi n s t r u m e n t ，e t c w h i c hh a v et h es a m eh a r d w a r ed e s i g n ) t h et h e s i si n t r o d u s e se m cd e s i g nt e c h n o i o g y o fp c bb o a r do f r a d i o f r e q u e n c yc i r c u i ta n dp o w e rd e s i g nt e c h n o l o g yo fp o r t a b l ep r o d u c t s i m p o r t a n t l y b yu s i n gt h e s et e c h n o l o g i e s ，i n d u s t r i a lw i r e l e s se l e c t r i ca c t u a t o r ， i n d u s t r i a lw i r e l e s si od e v i c e ，i n d u s t r i a lw i r e l e s st e m p e r a t u r ea r ed e s i g n e d ， a n dt h e i rc o m m u n i c a t i o nf l o w sa r ep r e s e n t e d a tt h es a m et i m e ，a ni n d u s t r i a l w i r e l e s sm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e m ， w h i c hl a y0 u td u r i n gi n d u s t r i a l w i r e l e s si n t e r n a t i o n a lc o n t e r e n c e ，i sb u i l tu s i n gt h ed e s i g n e dd e v i c ew i t h i n d u s t r i a lw i r e l e s sg a t e w a ya n dp o s i t i o nm a c h i n e i i 重庆邮电大学硕士论文 摘要 a tl a s t ，w i r e l e s - sc o m m u n i c a t i o nq u a l i t ya n dp e r f o r m a n c et e s t sa r ed o n et o t h ed e s ig n e dd e v i c e t h er e s u l t so ft h et e s t sp r o v et h a tt h ec o m m u n i c a t i o n q u a l i t yo ft h ei n d u s t r i a lw i r e l e s se l e c t r i ca c t u a t o ri s9 9 8p e r c e n tu p w a r d s ；t h e o u t p u tp o w e ri sb e t w e e n 2 2 5 d b m 8 1 12 d b m ，t h ec o m m u n i c a t i o nd i s t a n c e o fa 1 1i n d u s t r i a lw i r e l e s sn e l dd e v i c e si s7 0 m e t e r su p w a r d su n d e ri d e a l s i t u a t i o n t h e r e f b r et h ed e s i g nr e a l i z e sr e l i a b i l i t ya n dd u r a b i l i t yo fi n d u s t r i a l w i r e l e s sf i e l dd e v i c e sa tt h eh a r d w a r ef a c e t k e yw o r d s ：i n d u s t r i a lw i r e l e s s ，w i r e l e s sm o d u l e ，f i e l dd e v i c e i i i - 重庆邮电大学硕士论文 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论l 1 1 工业无线发展历程及领域2 1 2 工业无线通信组织及标准5 1 2 1 i s a l0 0 简介5 1 2 2 无线h a r t 简介6 1 3 几种主要的通信技术6 1 3 1 蓝牙技术概述6 1 3 2 8 0 2 1 1 技术概述7 1 3 3 紫峰技术概述7 1 3 4 t r u s t e dw i r e l e s s 概述8 1 4 本文主要研究内容9 1 5 本章小结9 第二章工业无线测控系统组成及关键技术1 0 2 1 基于i e e e8 0 2 1 5 4 的工业无线测控系统的体系结构1 0 2 2 工业无线现场设备的功能需求1 l 2 3 工业无线现场设备硬件设计方案1 2 2 4 设计中应用的关键技术1 2 2 4 1 便携式电源设计1 2 2 4 2 高速p c b 板设计与多层p c b 板设计1 3 2 4 3 射频电路的电磁兼容性设计1 4 2 4 4 环形天线设计17 2 5 本章小结17 第三章典型工业无线通信现场设备的开发18 3 1 工业无线温度变送器的设计1 8 3 1 1 工业无线温度变送器工作原理1 8 3 1 2 工业无线温度变送器的通信卡设计1 8 3 1 3 工业无线温度变送器的软件部分设计2 4 3 2 工业无线i o 设备的设计2 7 3 2 1 工业无线i o 设备工作原理2 7 3 2 2 工业无线i o 设备硬件设计2 7 i v 重庆邮电大学硕士论文 目录 3 2 3 工业无线i o 设备的软件设计3 l 3 3 本章小结3 3 第四章工业无线( 电动执行器) 模块的设计与实现3 4 4 1 工业无线( 电动执行器) 模块的结构3 4 4 2 微处理器c c 2 4 3 0 介绍3 5 4 3 外围电路设计3 9 4 3 1 复位电路设计3 9 4 3 2 时钟电路的设计4 0 4 3 3 天线电路设计4 l 4 3 4 电源部分设计4 l 4 3 5 数据采集与调试接口部分设计4 l 4 4 硬件调试方法4 2 4 5 软件设计4 4 4 6 本章小结4 6 第五章工业无线现场设备的测试与应用案例4 7 5 1 工业无线现场设备的测试4 7 5 1 1 无线通信质量测试4 7 5 1 2 无线通信性能测试5 0 5 2 基于i e e e8 0 2 1 5 4 的工业现场设备的应用5 6 5 3 本章小结6 0 第六章结论及未来工作6 1 6 1 结论61 6 2 未来工作6 l 致谢6 3 参考文献6 4 附录攻读硕士学位期间从事的科研工作6 6 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 第一章绪论 近几年，随着工业以太网的发展，以高速以太网作为网络主干的新一 代控制网络的体系结构已经成熟。以太网具有带宽高、成本低、技术成熟、 便于维护等优点。但由于其在组网时仍然需要布线，并且有时布线的成本 会大大超过其它控制设备的成本，而且电缆的连接也限制了现场设备的移 动和网络的重组。与此同时，还存在一些不可预知的环境，尤其是不适于 布线的强腐蚀恶劣环境( 如采矿业) 、禁止使用电缆( 如超净或真空封闭 的房间) 、很难使用电缆来传送数据( 如高速旋转或移动的设备) 的工业 环境。与此同时，无线通信技术也不断发展成熟，通信质量、安全以及通 信距离都大幅提升，无线通信技术加入工业系统的呼声也越来越高，正如 a b b 首席技术官p e t e rt e r w i e s c h 在汉诺威工博会展示其公司的工业自动化， 无线技术时所说：“电线是自动化系统常见的一个失败点，所以它的移除 增强了可靠性，减少了停工时间，在恶劣的环境里无线尤其实用。”在这 种情况下，工业无线通信这个新兴学科应运而生。将无线通信技术应用于 工业自动化领域将有效地解决上述问题，同时无线通信技术进入工厂控制 层和设备层网络，将会引起工业自动化领域的深层次变革，它具有以下突 出优点【6 】： 高灵活性：现场设备无需电缆即可与控制网络连接，组网灵活、方便， 增加了现场设备的灵活性和可移动性。 低成本：便于与原有控制网络的整合。设备无需布线便可安装于现有 环境，减少了系统的维护费用。据统计，仅安装成本而言，无线系统 最终可以从工业现场去除几万英尺的配线。每英尺的成本( 包括人工) 在$ 5 0 到$ 1 0 0 之间。艰苦环境的特殊布线成本甚至达到$ 2 0 0 0 英尺，这 还不算这些配线在以后的时间里因老化、腐蚀而产生的维护费用。据 e m e r s o n 公司现场安装实例，工厂内采用智能无线方案，至少可以节 省9 0 以上的安装成本。 高适应性：对于在一些不可预知的环境下，尤其是在不适于布线的强 腐蚀恶劣环境下，可以使用各种技术的无线通信，完成对现场设备的 控制。 因此，引入短距离无线通信技术，结合工业控制有线网络设计全新的 无线有线混合工业控制网络通信体系，既是降低投资成本的需要，也是解 决现实问题的迫切要求。 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 1 1 工业无线发展历程及领域 工业无线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。工业控制的无线 技术目前主要集中在无线中、短程网方向。 实际上，作为一类针对某些特定应用、采用专用通信协议的无线传输 方案早已投用在工业自动化中，比如说红外技术，但是由于其局限性( 主 要是可靠性和安全性能不高) ，没能得到广泛的应用。随着近年来其它短 距离无线通信技术的发展，由于它们显著的优点和强大的潜力，得到了各 大国际知名工业、i t 企业的青睐，使得它在诞生短短几年后有了蓬勃的发 展。技术方面，蓝牙、w i f i 、z i g b e e 等技术无线技术与产品层出不穷。 i s a 和h a r t 基金会更是为无线标准的制定而不遗余力，目前无线h a i 汀标 准已经颁布，而i s a l0 0 1l a 也日趋完善。无线工业网络联盟( w i n a ) 就是为 推广工业无线于2 0 0 2 年成立的一个国际组织。该组织致力于推动无线通讯 技术在工业领域的应用，其成员由技术供应商、最终用户、行业组织、系 统集成商等组成。主要成员包括：i n v e n s y s ( 英国，世界5 0 0 强) 、h o n e y w e l l ( 美国，世界5 0 0 强) 、s i e m e n s ( 德国，世界5 0 0 强) 、e m e r s o n ( 美国，世 界5 0 0 强) 、o r n l ( 美国橡树岭国家实验室，是美国能源部所属最大的科 学和能源研究实验室) 、d u s t 、a c c u t e c h 、3 e t i 等国际著名公司。其中不少 公司已经有了成熟的产品，工业无线通讯技术在垂直行业有了的成功应 用，主要应用行业如图1 1 所示。 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 铂亿打娩4 l j i l l 欠燃气)采矿 j 妲电力行艘 交通运输行娩 冶金i r 漉水链黢 ，l k 纸浆承j 迅纸行豫 图1 1 无线通信技术在工业领域各行业的应用 h o n e y w e ni n t e r n a t i o n a l 是一家多元化、高科技的先进制造企业。在全 球，其业务涉及航空产品和服务、家庭和工业控制技术、汽车产品等。该 公司作为无线技术在工业自动化应用的先驱，提出了o n e w i r e l e s s 无线技术 解决方案，具有通用、简单、高效的设计理念。典型产品x y r5 0 0 0 无线变 送器在2 0 0 3 年问世，至今安装超过5 0 0 个用户。同时o n e w i r e l e s ss t a r t e rk i t 无线方案套件，第一套已经成功的使用在澳大利亚的钢铁企业，成本低廉 ( 7 5 0 0 美元) ，性能卓越( 2 0 分钟完成系统设置) 。s i e m e n s 公司具有较为全 面和成熟的工业无线通讯解决方案，生产的s c a l a n c ew 一工业无线交换机、 w7 8 8 1p r o 一工业无线接入点，都有广阔的市场口前者已经应用在荷兰 h gi n t e r n a t i o n a l 洗涤剂罐装机的运动部件上。后者则在奥地利k u n z 公司的 生产厂房内投入使用。e m e r s o n 公司在英国石油公司b pw y t c hf a r m 的一 个“钻井头圆环压力检测”项目上采用了e m e r s o n 的智能无线技术方案， 实现了两天内快速安装，3 0 分钟设备上线，自安装后没有丢失一个数据； 在某王牌石油提炼公司的“碳化单元泵过滤堵塞检查”项目上同样采用了该 方案后，节约了成本，提高了维护精度和维护效率。m o x a 公司的工业无 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 线接入点和模块更是在无线数控机床管理系统、静水污水处理厂、交通运 输行业、石化工业有了广泛的应用。a b b 公司是电力和自动化技术的全球 领导厂商。公司生产的过程工业中的无线仪表一直是行业中的翘楚，主要 应用在过程监控、维护检查、安全和环境领域。 国内在工业无线通信领域虽然起步较晚，底子较薄，但是由于最终用 户和系统集成商都对无线传感器网络技术表现出了越发浓郁的兴趣，工业 无线通信的发展前景看好，国内业界也逐渐加大研发力度。理论方面，有 其是国际标准制定上，以重庆邮电大学、沈阳自动化研究所、浙大中控为 代表的国内科研机构和单位积极参与。重庆邮电大学近年来一直参与美国 仪器仪表学会i s a lo o 1 la 标准起草，2 0 0 6 年7 月，s p l o o 标准委员会面向全 球征集技术提案，该校提交了自己的技术提案同年lo 月，重庆邮电大学更 进一步提交了技术白皮书。同时，重庆邮电大学还积极参与i s a l0 0 的标准 化会议，并向i s a l0 0 委员会提交了：t h ee n c r y p t i o na l g o r i t h m st h a ti s a u t h o r i z e db yt h ec h i n ag o v e r n m e n t 、s e c u r i t yc o n n g u r a t i o n c q u p t 、t e c h n i c a lr e q u i r e m e n t sf o rm i c r o p o w e r ( s h o r td i s t a n c e ) r a d i o e q u i p m e n to p e r a t i n gi nc h i n a 、t h er e a l i z a t i o no fz i g b e ew i r e l e s s i n d u s t r yc o n t r o ls y s t e m c q u p t 等多个文档。最终有2 7 条建议和意见被 i s a l 0 0 。ll a 委员会完全接受并采纳，并于2 0 0 8 年3 月31 日一4 月4 日承办了 2 0 0 8 工业无线通信国际大会。在实际应用方面，国内的科研机构与仪表厂 商也广泛合作。重庆邮电大学与四联集团一直以来都有较广较深层次的合 作，联合开发了基于多种无线技术的工业无线现场设备( 无线温度变送器、 无线阀门定位器、无线电磁流量计、无线电动执行器等) 、工业无线手持 设备、工业无线安全网关设备等等，这些设备即将送往国内的工业企业进 行现场环境下的测试。2 0 0 8 工业无线通信国际大会上，同时，在全国工业 过程测量和控制标准化技术委员会( s a c t c l 2 4 ) 、中国仪器仪表协会组 织、重庆市政府、重庆信息产业局等的组织和协调下，由重庆邮电大学、 中科院沈阳自动化所牵头，国内多家单位共同筹建展示了一个主题为“中 国面向测控应用的无线技术”的工业无线系统。整套系统将包含有l0 0 多个 无线节点，其中绝大部分无线节点是具有无线通信功能的智能仪器仪表。 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 1 2 工业无线通信组织及标准 1 2 1 i s a l o o 简介 i s a ( i n s t r u m e n ts o c i e t yo f a m e r i c a ，美国仪器仪表协会) 始创于1 9 4 5 年，是世界上最负盛名的仪表及自动化行业协会。该协会每年都要举办各 种专业展览及研讨会，发布行业标准，进行各种专题培训及控制系统工程 师资格认证。随着工业仪器仪表技术继续向各个行业不断蔓延，它的重要 性日益明显，其品牌已经得到全世界范围内的高度认。目前该协会共有个 人会员3 9 0 0 0 名，遍及世界1 10 多个国家。 i s a l o o 是i s a 下属的工业无线委员会，致力于工业无线系统的标准、 操作规程、技术报告等的制定工作。i s a lo o 委员会的重点是提高用于制造 业或控制系统的部件或系统的可靠性、完整性和实用性。此外，也为控制 系统环境中获得和实现无线技术提供标准。委员会的指导性文件将把精力 贯注于整个生产周期( 包括设计、制造、运行的维持、可量测性或管理制 造业、控制系统) ，将适用于用户、系统综合者、从业者、控制系统的厂 商和买主等。委员会提供的指导性文件将会改善制造业和控制系统的性 能，有助于识别和克服弱点，减少系统降级或故障的危险【l 】。 2 0 0 5 年，美国i s a 学会成立s p l o o 用于自动化的无线系统标准 委员会，主要面向现场仪表和设备，着重在三方面制定标准：运用无线技 术的环境，无线通信设备和系统技术的生命周期，无线技术的应用，并于 2 0 0 6 年一季度发表了文本草案。除上所述以外，s p l0 0 委员会还成立了专 注于低功率无线传感器设备的标准化的s p l o o 1 4 工作组和专注于高带宽 无线基础设备和骨干网的标准化的s p l 0 0 1 l 工作组【2 1 ，f 3 l 。2 0 0 6 年1 0 月， 在美国休斯敦会议上，通过投票的方式确定了将s p l0 0 1 4 与s p l0 0 1 l 工 作组合并成i s a l0 0 1 la 工作组，它将定义各种控制应用的无线连接标准， 包括从闭环调节控制到开环手动操作的各种，以确保i s a l 0 0 可以提供完 整与集成的工业无线应用标准。而i s a l0 0 1 4 工作组将定义用于各种工业 监控、记录与报警应用的无线连接标准，重点是性能与成本。目前，i s a l o o 委员会成立了l1 个研究小组，每个小组的目标是形成相关文档来帮助用 户在工业无线应用时做出正确的选择。 随着i s a l0 0 委员会对i s a lo o 1la 规范的不断修正，该规范将日趋完善， 预计将于今年发布。 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 1 2 2 无线h a r t 简介 2 0 0 7 年9 月7 号，h a r t 基金会宣布推出h a r t7 新标准，其中很重 要的进展是包含了w i r e l e s sh a r t 标准。该机构宣称这是全球范围内第一 个针对过程工业的开放无线通讯标准。w i r e l e s sh a r t 架构基于以下原则 设计：易用，可靠，与无线网格传感器协议兼容。它强制要求，兼容设备 必须支持互操作性，如不同制造商的无线h a r t 装置类型，无需系统操作 即可被替换i 。 h a i 玎基金会执行总监r o nh e l s o n 介绍，随着h a i 盯7 标准的推出， 供应商已经可以将w i r e l e s sh a i 盯标准实施于其产品及解决方案中，2 0 0 8 年初，就将有来自多个供应商的产品及方案面世。w i r e l e s sh a r t 标准结 合了h a r t 协议( i e c6 11 5 8 ) 、e d d l ( i e c6 1 8 0 4 3 ) 、i e e ei e e e8 0 2 1 5 4 标准、扩频技术、网状网络技术等成熟的技术与标准，其最大的优势是可 以使全球现安装的超过2 4 0 0 万h a i h 设备平滑过渡到无线世界。该标准 与i s a lo o 1la 的区别在于：w i r e l e s s h a r t 的开发仅是为了支持h a r t 协 议，而i s as p l 0 0 标准则可以支持h a r t 、p r o n b u s 、c i p 、f o u n d a t i o n f i e l d b u s 等多个协议。 1 3 几种主要的通信技术 1 3 1 蓝牙技术概述 1 9 9 8 年，以爱立信公司为首的9 家大企业成立了特别兴趣小组( s i g ) ， 研制了一种新型的无线传输技术蓝牙( b l u e t 0 0 t h ) 。蓝牙技术的开放性、 互操作性和低成本、高速传输的能力使得这种技术一经发表马上得到广泛 的关注。工业领域的一些特殊的要求，也使得蓝牙技术成为一种可选的无 线传输方案i lj 。 蓝牙技术是一种无线数据与语音通信的开放性全球规范，它以低成本 的近距离无线连接为基础，为固定与移动设备通信环境建立一个特别连接 的短程无线电技术。其实质内容是要建立通用的无线电空中接口 ( r a d i oa i ri n t e r f a c e ) 及其控制软件的公开标准，使通信和算机进一步结合， 使不同厂家生产的便携式设备在没有电线或电缆相互连接的情况下，能在 近距离范围内具有互用、相互操作的性能( i n t e r o p e r a b i l i t y ) 。 蓝牙要求其天线部分体积十分小巧、重量轻，因此，蓝牙天线属于微 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 带天线。蓝牙空中接口是建立在天线电平为0 d b m 的基础上的。空中接口 遵循f e d e r a lc o m m u n i c a t i o nc o m m i s s i o n ( 简称f c c ，即美国联邦通信委员 会) 有关电平为0 d b m 的i s m 频段的标准。它使用f h s s 跳频技术，起始 频率为2 4 0 2 g h z ，终止频率为2 4 8 0 g h z ，间隔为l m h z 的7 9 个跳频频点 来实现的。最大的跳频速率为1 6 6 0 跳s 。理想的连接范围为1o o m m 1 0 m ， 但是通过增大发送电平可以将距离延长至1 0 0 m ，数据速率为l m b s 。 1 3 2 8 0 2 1l 技术概述 1 9 9 9 年8 月，8 0 2 1 l 标准得到了进一步的完善和修订，包括用一个基 于s n m p 的m i b 来取代原来基于o s i 协议的m i b 。另外还增加了两项内 容，一是8 0 2 1l a ，它扩充了标准的物理层，频带为5 g h z ，采用q f s k 调 制方式，传输速率为6 m b s 一5 4 m b s 。它采用正交频分复用( o f d m ) 的 独特扩频技术，可提供2 5 m b p s 的无线a t m 接口和1 0 m b p s 的以太网无线 帧结构接口，并支持语音、数据、图像业务。这样的速率完全能满足室内、 室外的各种应用场合。但是，采用该标准的产品目前还未被大规模采用， 另一种是8 0 2 1 1b 标准，在2 4 g h z 频带，采用直接序列扩频( d s s s ) 技 术和补偿编码键控( c c k ) 调制方式。该标准可提供1 l m b s 的数据速率，还 能够根据情况的变化，在1 1m b p s 、5 5m b p s 、2m b p s 、lm b p s 的不同速 率之间自动切换，它从根本上改变无线局域网设计和应用现状，扩大了无 线局域网的应用领域。另外近几年发展起来的8 0 2 1 1g 标准，它折中了前 面两种技术特点，是一种全新的无线局域网通信技术，也是目前大力在推 广的一种。现在大多数厂商生产的无线局域网产品都只是基于8 0 2 1 1 b 标 准，无论从成本、技术成熟性以及驱动支持操作系统的广泛性都是本文设 计采用8 0 2 1 1 b 标准作为无线通信方式的一个重要依据【1 1 。 利用i e e e 8 0 2 1l b 移动用户能够获得同l0 m b p s 有线以太网相近的性 能、网络吞吐量、可用性；可以非常便捷地以无线方式连接网络设备；可 随时、随地、随意地访问网络资源，是现代数据通信系统发展的重要方向。 无线局域网可以在不采用网络电缆线的情况下，实现网络设备互联功能。 1 3 3 紫峰技术概述 z i g b e e 技术( 又叫紫峰技术) 是一种近距离、低复杂度、低功耗、低 数据速率、低成本的双向无线通信技术，它是一种介于无线标记技术和蓝 牙之间的技术提案。主要用于近距离无线连接。它主要适合于自动控制和 远程控制领域，可以嵌入各种设备中，同时支持地理定位功能【1 1 。 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 z i 曲e e 的基础是i e e ei e e e8 0 2 1 5 4 ，这是i e e e 无线个域网工作组的 一项标准，被称作i e e e i e e e8 0 2 1 5 4 ( z i 曲e e ) 技术标准。 z i g b e e 技术的主要优势有以下八点：一、数据传输速率低：只有1 0 k 字节秒到2 5 0 k 字节秒，专注于低传输应用；二、功耗低：在低耗电待机 模式下，两节普通5 号干电池可使用6 个月到2 年，免去了充电或者频繁 更换电池的麻烦。这也是z i g b e e 的支持者所一直引以为豪的独特优势； 三、成本低：z i g b e e 数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本。 且免收专利费；四、网络容量大：每个z i g b e e 网络最多可支持2 5 5 个设 备；五、时延短：通常时延都在l5 毫秒至3 0 毫秒之间；六、安全：z i g b e e 提供了数据完整性检查和鉴权功能，采用a e s 12 8 加密算法；七、有效范 围小：有效覆盖范围1o 7 5 米之间，具体依据实际发射功率的大小和各种 不同的应用模式而定，基本上能够覆盖普通的家庭或办公室环境；八、工 作频段灵活：使用频段2 4 g h z 免执照频段i7 1 。 1 3 4 t r u s t e dw i r e l e s s 概述 上述主流的无线通信技术，例如z i g b e e 和蓝牙无线通信技术，有一 个共同点：它们都在没有使用授权限制的2 4 g h z 的i s m ( 工业、科学、 医学) 频段中工作。尽管对这些标准的无线通信技术进行了改进和内容的 扩充，但是在实际应用中还有许多特殊的、应该更好的予以满足的无线通 信技术要求。t r u s t e dw i r e l e s s 无线通信技术是一种专门为流程工业企业设 计研发的无线通信技术。 它具有以下优点：良好的共存性，t r u s t e dw i r e l e s s 无线通信技术采用 了f h s s 跳频技术。通过所谓的“频带锁定”功能，可以使t r u s t e dw i r e l e s s 系统留出w l a n 系统的频带宽度，从而使得t r u s t e dw i r e l e s s 系统、蓝牙 系统和w l a n 系统之间具有更好的共存性。高可靠性，在t r u s t e dw i r e l e s s 无线通信技术协议中，采用了多种不同的安全技术措施保障传感器信号传 送的可靠性。其中包括利用c r c 循环冗余校验对接收器的正确性进行检 验，除此以外，发送出去的传感器信息也带有信号源效验，集成的f e c 预 前纠错计算技术也进一步地提高了无线通信连接的质量和稳定性。灵敏度 高，与蓝牙无线通信技术中的信号接收器相比，t r u s t e dw i r e l e s s 接收器的 灵敏度提高了近千倍。传输距离远，视周围的环境，t r u s t e dw i r e l e s s 无线 通信技术可以传送信息的距离在几百米到几千米之间，在特殊的地理条件 下甚至可以达到l0 k m 。据德国p h o e n i x 电气对该技术的定位，t r u s t e d w i r e l e s s 技术将做为长距离电缆的取代方案【4 1 。 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 1 4 本文主要研究内容 本文的研究内容涉及两个国家8 6 3 重点项目子项“基于i e e e8 0 2 15 4 的测量与控制用无线通信模块”和“基于i e e e8 0 2 1 5 4 的智能仪表”。主要 包括以下四个方面的内容： 建立了基于i e e e8 0 2 15 4 的工业无线测控系统，详细介绍了系统的体 系结构，然后从系统的功能需求着手，提出了基于i e e e8 0 2 15 4 的工 业无线电动执行器模块和工业无线现场设备的设计方案，然后对整个 硬件系统进行了选型分析，最后介绍了在系统开发中所要应用到的一 些技术。 对两个工业无线现场设备的硬件实现进行了详细介绍，详细研究了两 个工业无线现场设备的各部分电路特性并以接线简图的方式加以说 明，并对软件流程进行了介绍。 详细介绍了基于i e e e8 0 2 15 4 的工业无线电动执行器模块的硬件设计 方案。介绍了t i 公司c c 2 4 3 0 微处理器的结构，介绍微处理器的结构时 详细研究了其每个接口的特性，并对c c 2 4 3 0 外围电路的设计做了