摘 要: 輸煤系統是電廠的一個重要系統，而皮帶系統是輸煤系統的一個重要部分。我們運用無線現場總線技術，利用無線模塊，可以仿真輸煤系統，為輸煤系統的現場調試帶來方便，并為進一步研究無線現場總線網絡找到了一定的事實依據。 關鍵字: 無線局域網；現場總線網絡；無線模塊令牌 1 引言 　　電廠的一個重要組成系統是輸煤系統，目前我國的輸煤系統一般都采用plc、dcs系統，輸煤系統主要由翻車機給料帶、輪斗機、皮帶、犁煤器、碎煤機、除鐵器等一系列設備組成，其中皮帶系統占了重要組成部分，皮帶的控制又可分為啟動皮帶、停止皮帶、皮帶跑偏報警、上下級皮帶的聯鎖以及皮帶電機的電流信號控制，皮帶系統的仿真是輸煤系統仿真中的一個重要方面，我們必須建立皮帶系統的模型，利用此模型，可以做一些皮帶正常啟停，皮帶故障的模擬，從而達到對工業現場的模擬，并可以用仿真系統實現模擬工業現場,調試輸煤系統的目的。 　　就目前的情況看仿真系統一般為有線系統，在很大程度上限制了運用仿真系統在不同的地點對輸煤系統進行調試，而目前出現的無線控制網絡是用一些無線模塊搭建的可移動的網絡系統，可以實現一 　　點對多點或者多點對多點的通信功能，而在工業現場中,我們需要有很多分散的控制模塊，這樣，利用無線網絡，可以很好的實現輸煤系統或者是其他較分散的系統的仿真。 　　項目選擇了現在比較可靠的無線模塊ptr8000作為建立無線網絡的基本模塊，主要建立一個輸煤仿真系統，其組成為：一臺計算機，在計算機上模擬輸煤皮帶的界面，利用opc server，通過串口連接無線收發模塊，無線收發模塊的作用是實現上位仿真機與dcs系統的通信。另外，我們還將開發分別帶ai、ao、di、do接口的無線模塊，其中帶ai、di模塊的無線模塊是無線發送模塊，帶ao、do的無線模塊是無線接收模塊，它們分別與dcs系統中的ao、do、ai、di模塊連接。利用這套系統，我們可以很好的完成皮帶系統的模擬,對工業現場進行仿真。整個系統如圖1所示。 2 無線網絡 　　2.1 無線局域網技術和標準 　　無線網絡作為有線網的擴展和補充，在有線設施使用受限的場合發揮著無可替代的作用。由于ism（industry/scientific/medical）頻段的開放，經營者和用戶不用申請受權就可以自由使用這些頻段，從而促進了無線數據通信技術的發展。無線數字傳輸常用的調制方法有窄帶數字調制和擴展頻譜調制，目前以擴頻調制方式居多，主要包括直接序列（direct sequence，ds）擴頻、跳頻（frequency hopping，fh）擴頻、跳時（time hopping，th）擴頻、線性跳頻擴頻及其組合等。 　　無線局域網（wireless lan）出現在20世紀90年代，隨著wlan市場的急劇增長，出現了多種無線局域網技術和標準，其中包括： 　　（1）以無線lan（local area network）為典型應用的、ieee 802.11和hiperlan; 　　（2）由家用射頻工作組（home radio frequency working group,hrfwg）提出的以家庭應用為主要背景的共享無線訪問協議（shared wireless access protocol,swap）; 　　（3）藍牙特別興趣小組（bsig）提出的藍牙系統; 　　（4）lmds（local multipoint distribution service）寬帶固定無線接入技術，即本地多點分配業務系統; 　　（5）超寬帶無線通信技術（uwb）。802.11標準是ieee（institute of electrical and electronics engineers）推出的無線互連協議，包括802.11a和802.11b兩種變體，其中802.11b的速率達到了11mbps。802.11標準使各種不同廠商的無線產品得以互連。 　　2.2 無線模塊 　　（1）ptr8000模塊介紹。ptr8000是專門為點對多點無線通信設計的一塊高性能嵌入式無線模塊，多頻道多頻段，低功耗模塊。內置完整的數據通信協議和crc檢錯，只需通過spi即可完成所有的無線收發傳輸，無亂碼輸出。體積較小，內置環行天線，性能穩定且不容易受外界影響，對電源不敏感。它的最大發射功率為+10dbm，高抗干擾gfsk調制，可跳頻，獨特的載波監測輸出，地址匹配輸出，數據就緒輸出。由于具有以上特點，這塊無線模塊適合運用在工業現場作為工業局域網的基本無線模塊。 　　（2）其他組成模塊介紹。我們設計的模塊是帶di（開關量輸入），do（開關量輸出），ai（模擬量輸入），ao（模擬量輸出）模塊的無線模塊，主要利用m68hc12單片機作為模塊的核心單元，外圍的電路分別實現工業現場的di，do，ai，ao功能，并考慮工業現場的干擾較多，所以在設計時加上外圍的抗干擾電路，例如di模塊的rc濾波電路，光電隔離電路等。利用m68hc12單片機的spi接口，我們可以很容易的實現與無線模塊ptr8000通信。另外，在與上位計算機連接時，我們還設計了專門與計算機連接的m68hc12為核心的收發模塊。 　　di發送模塊：主要是連接dcs設備上的do模塊，其作用是采集由dcs的do模塊發送的數字量，經過一系列處理后，通過編碼的方式傳送給無線發送模塊，再按照一定的協議，發送出去。 　　do接收模塊：主要是連接dcs設備上的di模塊，其作用是將無線接收模塊發送的數據，經過一系列解碼處理后，以數字兩的形式傳送到dcs設備上的ai模塊。 　　ai發送模塊：主要是連接dcs設備上的ao模塊，其作用是采集由dcs的ao模塊發送的模擬量，經過一系列處理后，通過編碼的方式傳送給無線發送模塊，再按照一定的協議，發送出去。 　　ao接收模塊：主要是連接dcs設備上的ai模塊，其作用是將無線接收模塊發送的數據，經過一系列解 　　碼處理后，以模擬量的形式傳送到dcs設備上的ai模塊。 　　這樣，五大模塊組成了整個仿真系統的硬件無線網絡部分，構成了一個無線局域網絡，我們可以利用很多這樣的模塊實現一個大的輸煤仿真系統。 3 無線網絡軟件實現 　　3.1 原理設計 　　由于與rf協議相關的高速信號處理部分已經嵌入在模塊內部，ptr8000可與各種低成本單片機配合使用，也可以與dsp等高速度處理器配合使用;ptr8000提供了一個spi接口，速率由微處理器自己設定的接口速度決定.在rx模式中，地址匹配（am）和數據準備就緒（dr）信號通知mcu一個有效的地址和數據包已經各自接收完成，微處理器即可通過spi讀取接收的數據.在tx模式中，ptr8000自動產生前導碼和crc校驗碼，數據準備就緒（dr）信號通知mcu數據傳輸已經完成。 　　ptr8000有以下三種模式： 　　（1）配置編程：上電后mcu首先配置ptr8000模塊.先將pwr、txen、trx_ce設為配置模式，mcu通過spi將配置數據移入ptr8000模塊;在掉電和待機模式工作后,配置內容仍然有效.配置數據只有當電源撤除后才會消失。 　　（2）發射模式：當mcu有數據需要發往規定節點時，接收節點的地址（tx-address）和有效數據（tx-payload）通過spi接口傳送給ptr8000.應用協議或mcu設置接口速度。mcu設置trx_ce、tx_en為高來啟動輸。ptr8000內部處理無線系統自動上電，數據包完成（前加導碼和crc校驗碼），數據包發送（100kbps，gfsk，曼切斯特編碼）。如果auto_retran被設置為高，ptr8000將連續地發送數據包，直到trx_ce被設置為低。當trx_ce被設置為低時，ptr8000結束數據傳輸并將自己設置成待機模式。 　　（3）接收模式：通過設置trx_ce高，tx_en低來選擇rx模式。650us后，ptr8000監測空中的信息。當ptr8000監測到頻率相同的載波時，載波監測（cd）被設置為高。當ptr8000接收到有有效的地址時，地址匹配（am）被設置為高。ptr8000將接收有效的數據包（crc校驗正確）時，ptr8000去掉前導碼、地址和crc位，數據準備就緒（dr）被設置為高。mcu設置trx_ce為低，接收完成，進入待機模式，mcu可以以合適的速率通過spi接口讀出有效數據。當所有有效數據被讀出后，ptr8000將am和dr設置為低。 　　3.2 無線網絡mcu主程序 　　在無線傳輸網絡系統中，如果信息傳輸量很多，任務飽滿，可采用令牌方式。此種傳播方式比其它方式有更好的吞吐率。其實現原理如下：網絡一建立，就產生一令牌，該令牌在網上傳輸。當一個站收到令牌，則說明該站具有傳輸信息的權利，然后進行信息傳輸，傳輸完之后，再將令牌發往下一站。如果該站沒有信息傳輸，則直接將令牌發往下一站。下一站獲得令牌進行信息傳輸，再將令牌發往再下一站。以此類推，直到所有站傳遞完之后再回到頭，周而復始，實現全網信息傳輸。 　　要保證可靠接收，環中任意兩站之間要限制距離，并保證環路初始建立時不出現隱蔽結點。在無線環網中采用幀交換方式，在環網的方式下，主要解決以下幾個問題。 　　（1）系統初始化（令牌產生）。系統初始化需要解決令牌產生的問題。當無線網絡安裝好以后，各站均有責任產生令牌，但在整個網絡中，僅有一個令牌。產生令牌的原則是:按地址大小排序，具有最小地址站最有資格作為令牌的起始站。 　　（2）邏輯環的建立。初次擁有令牌的站，將本站地址填入“征求—后繼者”幀中，然后發送“征求一后繼者”幀，再監聽信道上有無響應幀。當各接收站收到“征求—后繼者”幀時，則將征求者站地址按地址大小排序填入資源表中（重復的不填），再檢查本地址是否在征求者所需覆蓋的地址范圍，若不在，不發響應幀。若在則發“設置一后繼者”響應幀。當原發站收到“設置—后繼者”幀時，建立或修改本站中的后繼者地址，并向后繼者傳送令牌。當有多個響應站“設置—后繼者”幀時，則只能通過仲裁算法來確定唯一的響應者作為后繼者。后繼者得到令牌之后，再征求后繼者，直到沒有響應為止，然后將資源表中的第一個站點作為自己的后繼站發送令牌，這樣邏輯環就初步建立了。 　　（3）邏輯環的管理。初始化建立了邏輯環之后，還存在著令牌的維護，新站的加入和老站的退出事務處理。這些管理是很復雜的，因具有動態的過程，下面分成4 個部分：令牌傳送、正常操作過程、新站加入邏輯環、退出邏輯環。 4 結束語 　　在輸煤仿真系統中，我們利用了無線現場總線技術，將模塊分散化，具有可移動性，能夠滿足工業現場的需要，為仿真調試帶來了方便，同時也為無線現場總線網絡的實現找到了一定的事實依據。