一种基于Wireless HART的低功耗无线通信模块
技术领域
[0001] 本
发明涉及过程工业监控、资产管理、在线测试和诊断等领域，更具体的是，本发明涉及一种基于Wireless HART的低功耗
无线通信模块。
背景技术
[0002] 随着无线通信技术的快速发展，针对工业现场对无线产品需求的日益增长，一款稳定、
互操作性强的工业无线通信模块具有非常重要的意义，满足过程工业应用对无线通信技术的可靠性、
稳定性和安全性的需求，对降低工业测控系统的成本，提高产品
质量和生产效率有非常积极的意义。
发明内容
[0003] 本发明的目的是设计开发一种基于Wireless HART的低功耗无线通信模块，采用开放式的可互操作Wireless HART无线通信，数据传输安全且功耗较低。
[0004] 本发明提供的技术方案为：
[0005] 一种基于Wireless HART的低功耗无线通信模块，包括：
[0006] 控制单元，其内存储有Wireless HART协议栈；
[0007] 休眠单元，其与所述控制单元连接，用于控制所述控制单元不工作时进入休眠状态；
[0008] 射频放大单元，其分别与所述控制单元的使能端、射频放大使能端、高增益模式控制端、射频
信号传输端、第一链路转换端和第二链路转换端连接；
[0009] 第一转换单元和第二转换单元，其用于射频链路的转换；
[0010] 其中，所述
射频信号传输端、第二链路转换端分别通过第一转换单元与所述射频放大单元一端连接；所述射频放大单元另一端与第二转换单元连接，用于发送射频信号；所述第一链路转换端通过第一转换单元与所述第二转换单元连接，用于接收射频信号。
[0011] 优选的是，还包括：
[0012] 滤波单元，其与所述第二转换单元连接，用于抑制
干扰信号；
[0013] 晶振时钟，其与所述控制单元连接，用于为所述控制单元工作提供时钟；
[0014] 复位单元，其与所述控制单元连接，用于为所述控制单元提供复位；
[0015] 静态存储单元，其与所述控制单元连接，用于掉电保护数据；
[0016] 用户
接口单元，其与所述控制单元连接。
[0017] 优选的是，所述射频放大单元包括射频放大芯片，所述第一转换单元和第二转换单元分别包括第一射频
开关和第二射频开关；所述第一射频开关的第一管脚与第二射频开关的第三管脚连接，第二管脚与所述射频放大芯片的第四管脚连接，第三管脚与所述射频放大芯片的第二管脚连接，第四管脚与所述第二链路转换端连接，第五管脚与所述射频
信号传输端连接，第六管脚与所述第一链路转换端连接；所述射频放大芯片的第五管脚与所述射频放大使能端连接，第六管脚与所述使能端连接，第七管脚与所述高增益模式控制端了连接，第十一管脚与所述第二射频开关的第一管脚连接。
[0018] 优选的是，所述第一射频开关和所述射频放大单元之间设置有
巴伦，所述巴伦的第一管脚与所述第一射频开关的第三管脚连接，第三管脚与所述第一射频开关的第二管脚连接，第四管脚与所述射频放大芯片的第四管脚连接，第六管脚与所述射频放大芯片的第二管脚连接，用于射频信号的平衡和非平衡转换。
[0019] 优选的是，所述射频放大芯片的第十一管脚与所述第二射频开关之间依次连接有电感线圈和第一电容，所述电感线圈和第一电容之间一点连接有第二电容一端，所述第二电容另一端接地，第九管脚、第十二管脚和十四管脚接地，第十管脚、十三管脚和第十六管脚连接电源
电压，第十五管脚连接有第一
电阻一端，所述第一电阻另一端接地；第三电容和第四电容设置在所述射频放大芯片的第十三管脚和第十管脚之间且一端连接第五电容一端，另一端接地，所述第五电容另一端接地；第六电容和第七电容设置在所述射频放大芯片的第十管脚一侧且一端连接第五电容一端，另一端接地；所述第二射频开关的第二管脚接地。
[0020] 优选的是，所述滤波单元包括滤波芯片，所述滤波芯片的第一管脚通过第八电容与所述第二射频开关的第五管脚连接，第二管脚通过第九电容与连接器连接，第三管脚和第四管脚互相连接并接地。
[0022] 第二电阻，其一端与所述控制单元的第五十一管脚连接，另一端与
电源电压连接；
[0023] 第十电容，其一端与所述控制单元的第五十一管脚连接，另一端接地。
[0024] 优选的是，所述休眠单元包括：
[0025] 第十一电容，其一端与所述控制单元的第四十八管脚连接；
[0026] 第十二电容，其一端与所述控制单元的第四十七管脚连接，另一端与所述第十一电容的另一端互相连接并接地；
[0027] 休眠晶振时钟，其两端分别与所述第十一电容一端和第十二电容一端连接。
[0028] 优选的是，所述控制单元包括MC13224芯片，
内核为ARM7-TDMI；所述射频放大芯片为CC2590射频芯片；所述第一射频开关和第二射频开关为HWS408射频开关；所述巴伦为LDB1824G4520C-110；所述滤波芯片为MDR774-MT芯片。
[0029] 优选的是，所述晶振时钟为所述MC13224芯片工作提供24M时钟。
[0030] 本发明所述的有益效果：
[0031] (1)本发明所述的基于Wireless HART的低功耗无线通信模块，以控制单元和射频放大单元为
硬件平台，采用开放式的可互操作Wireless HART无线通信标准组建无线通信网络，实时性强、可靠性高、数据传输安全且功耗较低。
[0032] (2)应用范围广：可以应用过程自动化领域中各种压
力、流量、液位、
温度、振动、pH测量等各类仪表变送器。
[0033] (3)功耗低：本发明具有低功耗模式，在休眠状态下静
电流只有几微安。
[0034] (4)高可靠性：本发明模块采用网状网络、跳频和时间同步通信等技术保证了无线抗干扰能力，也可以与其他无线网络的共存
[0035] (5)成本低：本发明使用无线通信，减少布线和施工成本。
[0036] (6)安全性高：本发明通过加密、验证、认证等机制保障网络通信的安全性和私密性。
附图说明
[0037] 图1为本发明所述基于Wireless HART的低功耗无线通信模块的结构
框图。
[0038] 图2为本发明所述MC13224芯片核心电路原理图。
[0039] 图3为本发明所述射频电路原理图。
[0040] 图4为本发明所述滤波电路原理图。
[0041] 图5为本发明所述用户接口原理图。
具体实施方式
[0042] 下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照
说明书文字能够据以实施。
[0043] 如图1所示，本发明提供一种基于Wireless HART的低功耗无线通信模块，包括：控制单元U1，其内存储有Wireless HART协议栈；射频放大单元U4，其分别与所述控制单元的使能端EN、射频放大使能端PAEN、高增益模式控制端HGM、射频信号传输端RF、第一链路转换端ANT1和第二链路转换端ANT2连接；第一转换单元和第二转换单元，其用于射频链路的转换；其中，所述射频信号传输端RF、第二链路转换端ANT2分别通过第一转换单元与所述射频放大单元U4一端连接；所述射频放大单元U4另一端与第二转换单元连接，用于发送射频信号；所述第一链路转换端ANT1通过第一转换单元与所述第二转换单元连接，用于接收射频信号。
[0044] 本
实施例中，还包括：滤波单元U6，其与所述第二转换单元连接，用于抑制干扰信号；晶振时钟Y1，其与所述控制单元U1连接，用于为所述控制单元U1工作提供时钟，所述晶振时钟Y1为所述MC13224芯片工作提供24M时钟；复位单元RSTn，其与所述控制单元U1连接，用于为所述控制单元U1提供复位，模块上电后，MC13224自动复位；静态存储单元U7，其与所述控制单元U1连接，用于掉电保护数据；用户接口单元，其与所述控制单元U1连接。
[0045] 如图2和3所示，所述控制单元U1采用单芯片，其为Freescale公司生产的MC13224芯片，基于ARM7-TDMI内核，拥有128K的内部Flash存储，80K的内部ROM，96K的SRAM，同时内置802.15.4收发器，WirelessHART协议栈
软件和应用程序存储在MC13224芯片的
存储器中，通过无线射频电路实现组网、数据传输、网络监测和维护等功能，MC13224
微处理器芯片实现的主要功能可以简述为：实现WirelessHART协议栈运行和程序间的调度管理，芯片集成多种数据
通信接口和硬件资源，通过程序下载接口将
固件下载到片内Flash存储，并直接运行。根据用户的程序进行处理运算，以完成
数据采集控制和传输等功能。所述射频放大单元U4包括射频放大芯片，其为CC2590射频芯片，CC2590是一款符合IEEE802.15.4协议规范的低功耗、高性能的射频前端芯片，适用于2.4G无线网络应用，高增益模式下输出放大增益为11.4dB，最大输出功率为14dBm，提高无线射频的发射功率和接收灵敏度，增加无线数据通信的传输距离。所述第一转换单元和第二转换单元分别包括第一射频开关U2和第二射频开关U5，其为HWS408射频开关；所述第一射频开关U2的第一管脚与第二射频开关U5的第三管脚连接，第二管脚与所述射频放大芯片CC2590的第四管脚连接，第三管脚与所述射频放大芯片CC2590的第二管脚连接，第四管脚与所述第二链路转换端ANT2连接，第五管脚与所述射频信号传输端RF连接，第六管脚与所述第一链路转换端ANT1连接；所述射频放大芯片CC2590的第五管脚与所述射频放大使能端PAEN连接，第六管脚与所述使能端EN连接，第七管脚与所述高增益模式控制端HGM了连接，第十一管脚与所述第二射频开关U5的第一管脚连接。
[0046] 所述第一射频开关U2和所述射频放大单元U4之间设置有巴伦U3，其为LDB1824G4520C-110，将非平衡的射频信号转换为平衡的射频信号发送至CC2590，所述巴伦U3的第一管脚与所述第一射频开关U2的第三管脚连接，第三管脚与所述第一射频开关U2的第二管脚连接，第四管脚与所述射频放大芯片CC2590的第四管脚连接，第六管脚与所述射频放大芯片CC2590的第二管脚连接，用于射频信号的平衡和非平衡转换。
[0047] 所述射频放大芯片CC2590的第十一管脚与所述第二射频开关U5之间依次连接有电感线圈L2和第一电容C15，所述电感线圈L2和第一电容C15之间一点连接第二电容C21一端，所述第二电容C21另一端接地，第九管脚、第十二管脚和十四管脚接地，第十管脚、十三管脚和第十六管脚连接电源电压VCC，第十五管脚连接有第一电阻R4一端，所述第一电阻R4另一端接地；第三电容C12和第四电容C13设置在所述射频放大芯片CC2590的第十三管脚和第十管脚之间且一端连接第五电容C14一端，另一端接地，所述第五电容C14另一端接地；第六电容C10和第七电容C11设置在所述射频放大芯片CC2590的第十管脚一侧且一端连接第五电容C14一端，另一端接地；所述第二射频开关U5的第二管脚接地；所述第一射频开关U2的第四管脚和所述第二链路转换端ANT2之间一点连接第十三电容C6一端，所述第十三电容C6另一端接地；所述第一射频开关U2的第六管脚与所述第一链路转换端ANT1之间一点连接第十四电容C7一端，所述第十四电容C7另一端接地。
[0048] 如图4所示，所述滤波单元U6包括滤波芯片，其采用MDR774-MT芯片，2.4G带通
滤波器，插入损耗低，对其他
频率干扰信号具有较高抑制，所述滤波芯片MDR774-MT的第一管脚通过第八电容C19与所述第二射频开关U5的第五管脚连接，第二管脚通过第九电容C10与连接器MMCX-JACK连接，第三管脚和第四管脚互相连接并接地。所述第二射频开关U5的第6管脚连接第十五电容C16一端，所述第十五电容C16另一端接地，所述第二射频开关U5的第4管脚连接第十六电容C17一端，所述第十六电容C17另一端接地。
[0049] 如图2所示，所述复位电路包括：第二电阻R1，其一端与所述控制单元U1的第五十一管脚连接，另一端与电源电压VCC连接；第十电容C4，其一端与所述控制单元U1的第五十一管脚连接，另一端接地，模块上电后，MC13224自动复位。
[0050] 如图2所示，所述休眠单元包括：第十一电容C23，其一端与所述控制单元U1的第四十八管脚连接；第十二电容C22，其一端与所述控制单元U1的第四十七管脚连接，另一端与所述第十一电容C23的另一端互相连接并接地；休眠晶振时钟Y2，其两端分别与所述第十一电容C23一端和第十二电容C22一端连接。
[0051] 所述静态存储单元为
现有技术中常用的存储单元，用于掉电保护数据，其电路原理图在此不做赘述。
[0052] 如图5所示，所述用户接口单元包括：采用标准TTL串口(UART)和两条控制线：TXD：串口数据输出端口，模块利用该端口发送数据；RXD：串口数据接收端口，模块利用该端口接收数据；RTS：
请求数据接收指示，低电平有效，模块接收数据时，首先读取该端口状态，端口状态为低时，模块开始接收数据；CD：请求数据发送指示，低电平有效，该端口用于模块的发送数据指示，当模块没有数据发送时，端口保持高电平，模块进行请求数据发送时，模块首先将该端口拉低，直至请求数据发送完成。
[0053] 数据传输模块通过串口电路与仪表卡进行数据通信，仪表卡将用户数据和参数配置发送给无线通信模块，完成无线通信模块入网需要的加入秘钥、网络ID配置和用户数据传输。
[0054] 本发明采用低功耗、高性能的MC13224核心芯片，使用休眠技术，在模块进行数据发送和接收时，模块唤醒，开始正常工作，工作完成后，模块进入休眠，休眠电流只有几微安。基于时间片进行调控，
节点间的所有通信都是在一个特定的时间段执行的。使用FHSS(避免射频干扰)和DSSS(提高编码增益)技术组合，利用伪随机序列在802.15.4规范下制定16个信道进行跳频，使得无线通信不易受到干扰，数据传输具有更高的可靠性。
[0055] 本发明所述的基于Wireless HART的低功耗无线通信模块，以控制单元和射频放大单元为硬件平台，采用开放式的可互操作Wireless HART无线通信标准组建无线通信网络，实时性强、可靠性高、数据传输安全且功耗较低。应用范围广：可以应用过程自动化领域中各种压力、流量、液位、温度、振动、pH测量等各类仪表变送器。功耗低：本发明具有低功耗模式，在休眠状态下静电流只有几微安。高可靠性：本发明模块采用网状网络、跳频和时间同步通信等技术保证了无线抗干扰能力，也可以与其他无线网络的共存成本低：本发明使用无线通信，减少布线和施工成本。安全性高：本发明通过加密、验证、认证等机制保障网络通信的安全性和私密性。
[0056] 尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的
修改，因此在不背离
权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
