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HART无线适配器的研究与设计

作　者: 韩军清
导　师: 范铠
学　校: 华东理工大学
专　业: 控制科学与工程
关键词: 无线适配器低功耗 IEEE 802.15.4 TDMA
分类号: TN915.05
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

工业无线通信方式是近几年新提出来的工业通信概念,目前只有国外有基于WirelessHART的产品研制和应用,而国内还没有成熟产品出现。为使现有的有线HART仪表接入无线网络,本文研究并设计了HART无线适配器,用来升级传统HART仪表,实现无线方式通信。HART无线适配器从4-20mA回路中取电,所能获得的电能很有限,因此对功耗十分敏感。HART无线适配器在电源部分采用DC-DC升压并用大电容储存电能,选用低功耗器件,让MCU和无线通信模块都采用休眠/唤醒机制间歇性工作以降低功耗。无线通信协议采用IEEE 802.15.4协议的物理层和MAC层,并在MAC层之上设计TDMA子层,实现时分复用(即TDMA机制)。本课题对HART无线适配器的低功耗做了研究,设计的HART无线适配器可以实现现场仪表的测量信息和状态信息通过无线网络到上层系统的转发,并将采集的模拟回路电流通过有线/无线数字通信的方式进行输出。本课题初步设计的HART无线适配器有着很低的功耗,无线通信方式采用TDMA机制,不仅有效地降低了功耗,还提高了无线通信的实时性和可靠性。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-11
第1章绪论  11-18
  1.1 研究背景  11-12
  1.2 工业无线通信技术  12-16
    1.2.1 WirelessHART协议  13-14
    1.2.2 WIA-PA协议  14-16
  1.3 课题研究的目的和意义  16-17
  1.4 课题研究的主要内容和论文章节安排  17-18
    1.4.1 课题研究的主要内容  17
    1.4.2 论文章节安排  17-18
第2章 HART无线适配器结构  18-31
  2.1 总体结构  18-23
    2.1.1 HART无线适配器结构  19-20
    2.1.2 HART无线适配器软件总体结构  20-23
    2.1.3 无线网关结构  23
  2.2 短距离低速无线通信  23-24
  2.3 几种短距离低速无线通信协议对比  24-26
  2.4 IEEE 802.15.4协议简介  26-28
  2.5 协议模型及网络结构  28-30
  2.6 小结  30-31
第3章 HART无线适配器硬件  31-42
  3.1 无线通信模块硬件选择  31-34
  3.2 主MCU和A/D转换  34-35
  3.3 电源模块  35-39
  3.4 有线HART通信模块  39-40
  3.5 主MCU与无线通信模块硬件连接  40-41
  3.6 小结  41-42
第4章 HART无线适配器软件  42-73
  4.1 系统任务流程  42-46
    4.1.1 空闲仟务流程  42-43
    4.1.2 回路电流测量功能  43-45
    4.1.3 HART主站功能  45
    4.1.4 HART从站功能  45-46
  4.2 超帧设置  46-51
    4.2.1 TDMA机制  46-47
    4.2.2 超帧结构和数据传输方式  47-51
  4.3 物理层和MAC层  51-54
    4.3.1 PHY及MAC层的接口服务  52-53
    4.3.2 PHY层和MAC层报文帧格式  53-54
  4.4 TDMA子层  54-65
    4.4.1 时间同步位置  54-55
    4.4.2 时间同步算法分类  55-56
    4.4.3 TDMA子层时间同步方法  56-58
    4.4.4 TDMA子层的接口服务  58-60
    4.4.5 TDMA子层的帧格式  60-61
    4.4.6 TDMA子层主要服务流程  61-65
  4.5 网络层  65-67
  4.6 应用层  67
  4.7 无线通信模块与主MCU接口  67-72
    4.7.1 数据收发流程  68-70
    4.7.2 数据格式  70-72
  4.8 小结  72-73
第5章结语与展望  73-75
  5.1 结语  73
  5.2 工作展望  73-75
参考文献  75-79
致谢  79

HART无线适配器的研究与设计

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