本發(fā)明涉及工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)WIA-PA無(wú)線通信領(lǐng)域，具體地說(shuō)是一種基于工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)WIA-PA無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)的監(jiān)聽(tīng)系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

隨著我國(guó)物聯(lián)網(wǎng)事業(yè)的蓬勃發(fā)展，短距離的工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)WIA-PA無(wú)線通信系統(tǒng)設(shè)備數(shù)量大大增加。尤其是工業(yè)控制系統(tǒng)的完善，逐步增加了各種WIA-PA無(wú)線儀表及控制設(shè)備。

然而在大量使用這種無(wú)線儀表及設(shè)備時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備無(wú)線網(wǎng)絡(luò)在未知的狀態(tài)下，新增無(wú)線設(shè)備將會(huì)對(duì)已有設(shè)備造成干擾，或?qū)π略鲈O(shè)備造成干擾，容易使其發(fā)生同頻干擾及鄰頻干擾，最終導(dǎo)致通信失敗。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種基于工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)WIA-PA無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)的用于監(jiān)控工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)WIA-PA無(wú)線設(shè)備通信狀態(tài)的監(jiān)聽(tīng)系統(tǒng)及方法。

本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述目的所采用的技術(shù)方案是：

一種基于工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)WIA-PA無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)的監(jiān)聽(tīng)系統(tǒng)，RS232接口及通信電路與USB接口及通信電路連接到通信接口共存電路，將接收到的信號(hào)發(fā)送到通信接口共存電路；

所述通信接口共存電路通過(guò)通信接口轉(zhuǎn)換電路和接口電路連接到MCU，將信號(hào)通過(guò)轉(zhuǎn)換后發(fā)送到MCU進(jìn)行控制；

所述MCU依次連接射頻收發(fā)器和功率放大器，功率放大器的另一端連接有天線接口；

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器連接MCU，接收MCU發(fā)送的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行存儲(chǔ)。

所述RS232接口及通信電路為帶有自動(dòng)功耗模式的接口電路，且在端口設(shè)有端口防護(hù)器件。

所述USB接口及通信電路在端口設(shè)有端口防護(hù)器件。

所述通信接口共存電路包括兩個(gè)三極管，其發(fā)射極均連接USB接口電路，集電極連接通信接口轉(zhuǎn)換電路，基極通過(guò)電阻連接分壓電路。

所述通信接口轉(zhuǎn)換電路為雙刀切換開(kāi)關(guān)，其中TXD腳和RXD連接通信接口共存電路，D-TXD腳和D-RXD腳連接接口電路的低速串口，G-TXD腳和G-RXD腳連接接口電路的高速串口。

一種基于工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)WIA-PA無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)的監(jiān)聽(tīng)方法，系統(tǒng)上電后，從數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀取配置參數(shù)，初始化射頻收發(fā)器的信道和MCU串口波特率，開(kāi)始監(jiān)聽(tīng)該信道上的所有數(shù)據(jù)和MCU串口的數(shù)據(jù)；

當(dāng)射頻收發(fā)器接收到空間的射頻數(shù)據(jù)時(shí)，將接收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到MCU串口，然后繼續(xù)監(jiān)聽(tīng)射頻接收和MCU串口接收；

當(dāng)MCU串口接收到計(jì)算機(jī)串口數(shù)據(jù)時(shí)，分析是配置命令還是數(shù)據(jù)命令，接收到配置命令時(shí)，修改相應(yīng)參數(shù)，并存儲(chǔ)該參數(shù)到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；

當(dāng)MCU串口接收到數(shù)據(jù)命令時(shí)，直接發(fā)送到射頻收發(fā)器；然后繼續(xù)監(jiān)聽(tīng)射頻收發(fā)器的射頻接收和MCU的串口接收。

本發(fā)明具有以下有益效果及優(yōu)點(diǎn)：

1、本發(fā)明為小型化設(shè)計(jì)，體積小能夠方便攜帶，便于使用節(jié)省空間。

2、本發(fā)明為使用高強(qiáng)度呂材質(zhì)殼體，殼體開(kāi)模一次性加工而成，具有IP65防護(hù)等級(jí)室內(nèi)室外使用均可。

3、本發(fā)明可對(duì)工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)WIA-PA的26個(gè)通信信道進(jìn)行逐一監(jiān)測(cè)，可監(jiān)測(cè)信道內(nèi)的協(xié)議數(shù)據(jù)、設(shè)備信息、網(wǎng)絡(luò)信息、網(wǎng)絡(luò)廣播、健康報(bào)文等。

4、本發(fā)明使用USB接口供電及通信大幅減少外部連接器件，支持熱插拔達(dá)到即插即用效果。使用非常方便靈活。

5、本發(fā)明可對(duì)工作于工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)WIA-PA的26個(gè)通信信道內(nèi)的設(shè)備進(jìn)行單獨(dú)控制，可配置無(wú)線設(shè)備的基礎(chǔ)信息、傳感器信息、網(wǎng)絡(luò)信息等。

6、本發(fā)明預(yù)留了RS232接口，可將監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)通過(guò)RS232接口傳輸至其他監(jiān)視或存儲(chǔ)設(shè)備便于數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。

7、本發(fā)明可脫機(jī)使用，可使用電池供電，電池可使用普通電池5號(hào)1.5V*3供電，也可選用鋰-亞硫酰氯電池5號(hào)3.6V*2供電。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的硬件原理框圖；

圖2為本發(fā)明的RS232接口及通信電路原理圖；

圖3為本發(fā)明的USB接口及通信電路原理圖；

圖4為本發(fā)明的通信接口共存電路原理圖；

圖5為本發(fā)明的通信接口轉(zhuǎn)換電路原理圖；

圖6為本發(fā)明的無(wú)線通信接口電路原理圖；

圖7為本發(fā)明的MCU電路原理圖；

圖8為本發(fā)明的射頻收發(fā)器電路原理圖；

圖9為本發(fā)明的功率放大器電路原理圖；

圖10為本發(fā)明的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存器電路原理圖；

圖11為本發(fā)明的工作原理流程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。

如圖1所示為本發(fā)明的硬件原理框圖，主要將WIA無(wú)線監(jiān)聽(tīng)工具的功能劃分為的幾個(gè)模塊。其中包括：電源模塊、USB通信接口模塊、RS232通信接口模塊、指示模塊、通信接口切換模塊、射頻收發(fā)模塊、功率收發(fā)放大模塊、無(wú)線主控模塊、存儲(chǔ)模塊、接口模塊等。無(wú)線主控制器電路是整個(gè)電路板的控制核心，用以完成數(shù)據(jù)通信的轉(zhuǎn)換，它與射頻收發(fā)模塊相結(jié)合后實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)至射頻信號(hào)的轉(zhuǎn)換或?qū)⑸漕l信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。

如圖2所示為本發(fā)明的RS232接口及通信電路原理圖，其中圖2(a)的R1、R2一端連接至RS232通信接口，另一端連接至瞬態(tài)抑制二極管D2、D3，同時(shí) 連接至圖2(b)的RS232通信電平轉(zhuǎn)換芯片。D2、D3另一端連接至GND，用以完成電壓及電流的釋放。這樣D2、D3、R1、R2就組成RS232通信接口的防護(hù)電路，避免誤操作或引入的高電壓浪涌進(jìn)行抑制，防止損壞RS232芯片。如圖2(b)所示RS232通信電平轉(zhuǎn)換芯片使用TI的SN65C3221芯片，此芯片工作溫度范圍為+85℃至-40℃，且ESD為±15KV。芯片處于掛起狀態(tài)使靜態(tài)功耗僅為1uA。此監(jiān)聽(tīng)工具通過(guò)R6一端連接至VCC一端連接至SN65C3221芯片的16腳給予3.3V電平，R10一端連接至GND一端連接至SN65C3221芯片的12腳給予0V電平，此時(shí)將此芯片設(shè)計(jì)為自動(dòng)功耗模式且默認(rèn)處于長(zhǎng)接收狀態(tài)，此狀態(tài)下實(shí)測(cè)靜態(tài)功耗為20uA,發(fā)送電流為3mA，可大大延長(zhǎng)電池使用壽命。

如圖3所示為本發(fā)明的USB接口及通信電路原理圖，本電路使用USB接口進(jìn)行整體供電，如圖3(a)所示U6使用TI的LDO穩(wěn)壓芯片，此LDO穩(wěn)壓芯片電源紋波極低可穩(wěn)定的提供TUSB3410芯片的工作電壓。U6芯片1腳為電源輸入端此引腳直接連接至USB接口J5，5腳為電壓輸出端，此引腳通過(guò)C12、C13兩顆電容濾波后給予TUSB3410芯片提供穩(wěn)定的工作電壓。USB通信電路使用TI的高穩(wěn)定性的USB轉(zhuǎn)串口TUSB3410芯片如圖3(b)所示，此芯片為專為工業(yè)控制開(kāi)發(fā)的高溫度使用范圍芯片，本監(jiān)聽(tīng)工具選用的TUSB3410芯片工作溫度范圍為+85℃至-40℃，以適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用環(huán)境。USB接口至TUSB3410芯片電路布局采用差分布線，濾除干擾使信號(hào)傳輸穩(wěn)定可靠。此電路還用了端口防護(hù)器件如圖3(a)U8，此芯片一端連接至GND，另一端連接至R24、R25、C15、C16及USB通信芯片的6、7腳，R24、R25另一端連接至USB接口。R24、R25、C15、C16、U6組成了USB端口保護(hù)電路可有效防止USB接口在頻繁插拔過(guò)程中產(chǎn)生的浪涌電壓，避免對(duì)TUSB3410的USB端口造成損傷或損換。

如圖4所示為本發(fā)明的通信接口共存電路原理圖，圖中Q1的2腳連接至tusb3410的19腳，3腳連接至通信接口轉(zhuǎn)換電路。Q2的3腳連接至tusb3410的17腳，2腳連接至通信接口轉(zhuǎn)換電路。Q1、Q2的1腳分別通過(guò)R19、R20連接至由R17、R16組成的分壓電路。Q1、Q2在此電路中起著通信隔離信號(hào)的 作用當(dāng)USB未插入時(shí)設(shè)備使用電池供電，Q1、Q2截止通信接口轉(zhuǎn)為RS232接口通信，當(dāng)USB插入時(shí)設(shè)備轉(zhuǎn)換為USB接口供電，此時(shí)USB電壓通過(guò)圖2的R17、R16分壓后得到2.5V電壓分別通過(guò)R19、R20電阻送至Q1、Q2基極使Q1、Q2處于導(dǎo)通狀態(tài)，此時(shí)切換為USB通信狀態(tài)，此電路發(fā)明點(diǎn)在于使用單片機(jī)同一串口能使USB通信與RS232通信共存。

如圖5所示為本發(fā)明的通信接口轉(zhuǎn)換電路原理圖，此設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于通信轉(zhuǎn)換即圖中S2為切換開(kāi)關(guān)，此開(kāi)關(guān)2、5腳連接至通信接口共存電路，1、6腳連接至無(wú)線接口的低速串口2、3引腳，3、4腳連接至無(wú)線接口的高速串口11、12引腳。本電路通過(guò)簡(jiǎn)單的雙刀開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)高低速串口的切換，用以實(shí)現(xiàn)同一串口可與高速串口通信或與低速串口通信，根據(jù)使用需求可自由切換。圖中D4、D5為收發(fā)指示燈，用以提示操作人員是否正常收發(fā)數(shù)據(jù)。D6為電池電量顯示指示燈，提示操作人員電池供電是否正?；蚴Ｓ嚯娏渴欠裾?。

如圖6為本發(fā)明的無(wú)線通信接口電路；圖6中J1、J2為無(wú)線通信電路的對(duì)外接口，便于外部二次開(kāi)發(fā)。進(jìn)入模塊的電源接口處放置C210uF、C3100nF、C415pF的電容做電源濾波防止電源線上的傳導(dǎo)干擾。

如圖7所示為本發(fā)明的MCU電路原理圖，圖中U1與Y1、Y2、電源、復(fù)位電路構(gòu)成EFM32G230F256單片機(jī)的最小系統(tǒng)，用于控制射頻收發(fā)器及射頻功率放大器，并完成與計(jì)算機(jī)上位機(jī)的數(shù)據(jù)通信功能。此單片機(jī)選用了新華龍電子有限公司的EFM32G230F256微控制器，EFM32微控制器是世界上最節(jié)能的微控制器之一。其采用一個(gè)強(qiáng)大的32位ARM Cortex-M3內(nèi)核，依靠創(chuàng)新的低能源技術(shù)，短暫的節(jié)能模式時(shí)間喚醒，和各種可選擇的外圍設(shè)備，使得EFM32G230F256微控制器非常適合此監(jiān)聽(tīng)無(wú)線系統(tǒng)。對(duì)于MCU的外部接口容易受到干擾的情況，在硬件電路上沒(méi)有做處理，采用芯片內(nèi)置的濾波器進(jìn)行濾除，濾波頻率范圍20MHz-100MHz，具體EFM32LG230F256datasheet TABLE 3.8GPIO。同時(shí)GPIO內(nèi)部具有ESD防護(hù)、可以滿足ESD防護(hù)要求。EFM32LG230F256MCU的電源管腳VCC處放置100nF的電源去耦電容，MCU 的AD供電管腳AVDD按照廠家推薦電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，VCC電源通過(guò)串聯(lián)磁珠、1R電阻以及放置10uF、100nF電容進(jìn)行濾波，防止傳導(dǎo)干擾。

2.4GHz無(wú)線收發(fā)功能電路需要包括一個(gè)2.4GHz的高性能無(wú)線收發(fā)芯片；直流濾波電容；高精度內(nèi)部基準(zhǔn)電阻；數(shù)字信號(hào)上拉、下拉電阻；電容、電阻構(gòu)成的RC上電復(fù)位；32MHz的晶體及負(fù)載電容構(gòu)成外部振蕩源。功能主要對(duì)符合IEEE802.15.4的2.4GHz頻段信號(hào)進(jìn)行無(wú)線收發(fā)、基帶調(diào)制解調(diào)、MAC處理等。本發(fā)明的2.4GHz的高性無(wú)線收發(fā)芯片為T(mén)i公司的CC2520芯片，如圖8所示為本發(fā)明的射頻收發(fā)器電路原理圖。2.4GHz頻段信號(hào)通過(guò)Balun轉(zhuǎn)換電路進(jìn)入CC2520芯片后通過(guò)射頻信號(hào)處理、解調(diào)、MAC處理后通過(guò)SPI接口直接將數(shù)據(jù)傳輸給MCU處理控制電路進(jìn)行處理控制，相反MCU處理控制電路可以將數(shù)據(jù)通過(guò)SPI接口傳輸給CC2520芯片然后經(jīng)過(guò)MAC處理、調(diào)制、射頻信號(hào)處理后通過(guò)Balun轉(zhuǎn)換電路進(jìn)入發(fā)射通路內(nèi)進(jìn)行無(wú)線發(fā)射；同時(shí)MCU處理控制電路可以通過(guò)IO對(duì)CC2520進(jìn)行開(kāi)關(guān)、休眠、數(shù)據(jù)讀寫(xiě)等功能操作。CC2520芯片的供電采用廠家推薦的電路設(shè)計(jì)，VCC通過(guò)串聯(lián)磁珠L(zhǎng)2和放置C181uF、C17100nF的電容進(jìn)行濾波，防止傳導(dǎo)干擾，同時(shí)CC2520的DVDD管腳對(duì)地放置100nF的去耦電容。Balun轉(zhuǎn)換電路由C22、C23、C30、C37、C33、C31及微帶線構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)2.4GHz頻段信號(hào)進(jìn)行差分對(duì)信號(hào)與單端信號(hào)的相互轉(zhuǎn)換，為RFIC芯片提供差分對(duì)信號(hào)，為其他電路提供單端信號(hào)。CC2520較CC2420的Balun電路有很大的差距，CC2520采用了微帶的電感代替分立的電感元件，屬于PCB敏感元件。在設(shè)計(jì)PCB電路時(shí)應(yīng)按照CC2520的參考設(shè)計(jì)進(jìn)行。為了減少CC2520的雜散發(fā)射、降低無(wú)用無(wú)線電信號(hào)對(duì)接收機(jī)的影響，采用了兩級(jí)射頻濾波電路，第一級(jí)CC2520的廠家推薦電路π型LC濾波電路主要用于濾除CC2520的高次諧波，第二級(jí)帶通濾波器，主要用于濾除CC2520發(fā)射的信號(hào)經(jīng)RF2401C放大后的高次諧波，濾除對(duì)于接收機(jī)無(wú)用的帶外信號(hào)，防止信號(hào)阻塞，屬于電磁兼容設(shè)計(jì)。CC2520、RF2401C、BPF主要射頻器件進(jìn)行屏蔽設(shè)計(jì)、采用18*12*2.75mm的洋白銅屏蔽殼并接地,有效避免電磁干擾、電磁輻射、靜電。 PCB走線第一層和第三層為射頻走線層，其中阻抗線有三種、微帶電感8mil寬的阻抗線為110歐姆阻抗線參考地平面為第三層，第一層0.67mm的阻抗線為50歐姆阻抗線，參考地平面為第二層，第三層0.29mm的阻抗線為50歐姆阻抗線，參考平面為第二層和第四層。

如圖9所示為本發(fā)明的功率放大器電路原理圖，為了滿足發(fā)射功率為19dBm此射頻放大電路采用RFX2410C進(jìn)行功率放大。RFX2401C是一款性能優(yōu)越的射頻前端芯片，它以3*3*0.5的封裝尺寸，集成了PA，LNA以及RFswitch。

RFX2401C采用VCC串聯(lián)磁珠L(zhǎng)3和放置C201uF、C1115pF電容進(jìn)行濾波，防止傳導(dǎo)干擾。RFX2401C的5、6腳既RFswitch通過(guò)電阻R9、R10連接到單片機(jī)的控制管腳同時(shí)連接至CC2520的收發(fā)控制管腳，使其工作在發(fā)送模式或接收模式。

如圖10所示為本發(fā)明的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存器電路原理圖。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器包括Flash等存儲(chǔ)器。圖10中U5芯片為MCU的外部存儲(chǔ)器電路，用于存儲(chǔ)用戶的設(shè)定數(shù)據(jù)。

如圖11所示為本發(fā)明的工作原理流程圖，設(shè)備上電后，從Flash讀取配置參數(shù)，初始化射頻接口的信道和串口波特率，開(kāi)始監(jiān)聽(tīng)該信道上的所有數(shù)據(jù)和串口的數(shù)據(jù)。當(dāng)接收到射頻數(shù)據(jù)時(shí)，將接收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到串口，然后繼續(xù)監(jiān)聽(tīng)射頻接收和串口接收。當(dāng)接收到串口數(shù)據(jù)時(shí)，分析是配置命令還是數(shù)據(jù)命令，接收到配置命令時(shí)，修改相應(yīng)參數(shù)，如廣播信道、PAID等，并存儲(chǔ)該參數(shù)到Flash；接收到數(shù)據(jù)命令時(shí)，直接發(fā)送到射頻；然后繼續(xù)監(jiān)聽(tīng)射頻接收和串口接收。