1 引言
電廠的一個重要組成系統(tǒng)是輸煤系統(tǒng)，目前我國的輸煤系統(tǒng)一般都采用plc、dcs系統(tǒng)，輸煤系統(tǒng)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(shè)備組成，其中皮帶系統(tǒng)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(lián)鎖以及皮帶電機的電流信號控制，皮帶系統(tǒng)的仿真是輸煤系統(tǒng)仿真中的一個重要方面，我們必須建立皮帶系統(tǒng)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(yè)現(xiàn)場的模擬，并可以用仿真系統(tǒng)實現(xiàn)模擬工業(yè)現(xiàn)場，調(diào)試輸煤系統(tǒng)的目的。
就目前的情況看仿真系統(tǒng)一般為有線系統(tǒng)，在很大程度上限制了運用仿真系統(tǒng)在不同的地點對輸煤系統(tǒng)進行調(diào)試，而目前出現(xiàn)的無線控制網(wǎng)絡是用一些無線模塊搭建的可移動的網(wǎng)絡系統(tǒng)，可以實現(xiàn)一點對多點或者多點對多點的通信功能，而在工業(yè)現(xiàn)場中，我們需要有很多分散的控制模塊，這樣，利用無線網(wǎng)絡，可以很好的實現(xiàn)輸煤系統(tǒng)或者是其他較分散的系統(tǒng)的仿真。
項目選擇了現(xiàn)在比較可靠的無線模塊ptr8000作為建立無線網(wǎng)絡的基本模塊，主要建立一個輸煤仿真系統(tǒng)，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(fā)模塊，無線收發(fā)模塊的作用是實現(xiàn)上位仿真機與dcs系統(tǒng)的通信。另外，我們還將開發(fā)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(fā)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(tǒng)中的ao、do、ai、di模塊連接。利用這套系統(tǒng)，我們可以很好的完成皮帶系統(tǒng)的模擬，對工業(yè)現(xiàn)場進行仿真。整個系統(tǒng)如圖1所示。
2 無線網(wǎng)絡
2.1無線局域網(wǎng)技術(shù)和標準
無線網(wǎng)絡作為有線網(wǎng)的擴展和補充，在有線設(shè)施使用受限的場合發(fā)揮著無可替代的作用。由于ism（industry/scientific/medical）頻段的開放，經(jīng)營者和用戶不用申請受權(quán)就可以自由使用這些頻段，從而促進了無線數(shù)據(jù)通信技術(shù)的發(fā)展。無線數(shù)字傳輸常用的調(diào)制方法有窄帶數(shù)字調(diào)制和擴展頻譜調(diào)制，目前以擴頻調(diào)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(wǎng)（wireless lan）出現(xiàn)在20世紀90年代，隨著wlan市場的急劇增長，出現(xiàn)了多種無線局域網(wǎng)技術(shù)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(xié)議（shared wireless access protocol，swap）；
（3）藍牙特別興趣小組（bsig）提出的藍牙系統(tǒng)；
（4）lmds（local multipoint distribution service）寬帶固定無線接入技術(shù)，即本地多點分配業(yè)務系統(tǒng)；
（5）超寬帶無線通信技術(shù)（uwb）。802.11標準是ieee（institute of electrical and electronics engineers）推出的無線互連協(xié)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(chǎn)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(shè)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(nèi)置完整的數(shù)據(jù)通信協(xié)議和crc檢錯，只需通過spi即可完成所有的無線收發(fā)傳輸，無亂碼輸出。體積較小，內(nèi)置環(huán)行天線，性能穩(wěn)定且不容易受外界影響，對電源不敏感。它的最大發(fā)射功率為+10dbm，高抗干擾gfsk調(diào)制，可跳頻，獨特的載波監(jiān)測輸出，地址匹配輸出，數(shù)據(jù)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(yè)現(xiàn)場作為工業(yè)局域網(wǎng)的基本無線模塊。
（2）其他組成模塊介紹。我們設(shè)計的模塊是帶di（開關(guān)量輸入），do（開關(guān)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(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場的di，do，ai，ao功能，并考慮工業(yè)現(xiàn)場的干擾較多，所以在設(shè)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(xiàn)與無線模塊ptr8000通信。另外，在與上位計算機連接時，我們還設(shè)計了專門與計算機連接的m68hc12為核心的收發(fā)模塊。
di發(fā)送模塊：主要是連接dcs設(shè)備上的do模塊，其作用是采集由dcs的do模塊發(fā)送的數(shù)字量，經(jīng)過一系列處理后，通過編碼的方式傳送給無線發(fā)送模塊，再按照一定的協(xié)議，發(fā)送出去。
do接收模塊：主要是連接dcs設(shè)備上的di模塊，其作用是將無線接收模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)，經(jīng)過一系列解碼處理后，以數(shù)字兩的形式傳送到dcs設(shè)備上的ai模塊。
ai發(fā)送模塊：主要是連接dcs設(shè)備上的ao模塊，其作用是采集由dcs的ao模塊發(fā)送的模擬量，經(jīng)過一系列處理后，通過編碼的方式傳送給無線發(fā)送模塊，再按照一定的協(xié)議，發(fā)送出去。
ao接收模塊：主要是連接dcs設(shè)備上的ai模塊，其作用是將無線接收模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)，經(jīng)過一系列解碼處理后，以模擬量的形式傳送到dcs設(shè)備上的ai模塊。
這樣，五大模塊組成了整個仿真系統(tǒng)的硬件無線網(wǎng)絡部分，構(gòu)成了一個無線局域網(wǎng)絡，我們可以利用很多這樣的模塊實現(xiàn)一個大的輸煤仿真系統(tǒng)。
3無線網(wǎng)絡軟件實現(xiàn)
3.1 原理設(shè)計
由于與rf協(xié)議相關(guān)的高速信號處理部分已經(jīng)嵌入在模塊內(nèi)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(shè)定的接口速度決定。在rx模式中，地址匹配（am）和數(shù)據(jù)準備就緒（dr）信號通知mcu一個有效的地址和數(shù)據(jù)包已經(jīng)各自接收完成，微處理器即可通過spi讀取接收的數(shù)據(jù)。在tx模式中，ptr8000自動產(chǎn)生前導碼和crc校驗碼，數(shù)據(jù)準備就緒（dr）信號通知mcu數(shù)據(jù)傳輸已經(jīng)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(shè)為配置模式，mcu通過spi將配置數(shù)據(jù)移入ptr8000模塊；在掉電和待機模式工作后，配置內(nèi)容仍然有效。配置數(shù)據(jù)只有當電源撤除后才會消失。
（2）發(fā)射模式：當mcu有數(shù)據(jù)需要發(fā)往規(guī)定節(jié)點時，接收節(jié)點的地址（tx-address）和有效數(shù)據(jù)（tx-payload）通過spi接口傳送給ptr8000.應用協(xié)議或mcu設(shè)置接口速度。mcu設(shè)置trx_ce、tx_en為高來啟動輸。ptr8000內(nèi)部處理無線系統(tǒng)自動上電，數(shù)據(jù)包完成（前加導碼和crc校驗碼），數(shù)據(jù)包發(fā)送（100kbps，gfsk，曼切斯特編碼）。如果auto_retran被設(shè)置為高，ptr8000將連續(xù)地發(fā)送數(shù)據(jù)包，直到trx_ce被設(shè)置為低。當trx_ce被設(shè)置為低時，ptr8000結(jié)束數(shù)據(jù)傳輸并將自己設(shè)置成待機模式。
（3）接收模式：通過設(shè)置trx_ce高，tx_en低來選擇rx模式。650us后，ptr8000監(jiān)測空中的信息。當ptr8000監(jiān)測到頻率相同的載波時，載波監(jiān)測（cd）被設(shè)置為高。當ptr8000接收到有有效的地址時，地址匹配（am）被設(shè)置為高。ptr8000將接收有效的數(shù)據(jù)包（crc校驗正確）時，ptr8000去掉前導碼、地址和crc位，數(shù)據(jù)準備就緒（dr）被設(shè)置為高。mcu設(shè)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(shù)據(jù)。當所有有效數(shù)據(jù)被讀出后，ptr8000將am和dr設(shè)置為低。
3.2無線網(wǎng)絡mcu主程序
在無線傳輸網(wǎng)絡系統(tǒng)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(xiàn)原理如下：網(wǎng)絡一建立，就產(chǎn)生一令牌，該令牌在網(wǎng)上傳輸。當一個站收到令牌，則說明該站具有傳輸信息的權(quán)利，然后進行信息傳輸，傳輸完之后，再將令牌發(fā)往下一站。如果該站沒有信息傳輸，則直接將令牌發(fā)往下一站。下一站獲得令牌進行信息傳輸，再將令牌發(fā)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(xiàn)全網(wǎng)信息傳輸。要保證可靠接收，環(huán)中任意兩站之間要限制距離，并保證環(huán)路初始建立時不出現(xiàn)隱蔽結(jié)點。在無線環(huán)網(wǎng)中采用幀交換方式，在環(huán)網(wǎng)的方式下，主要解決以下幾個問題。
（1）系統(tǒng)初始化（令牌產(chǎn)生）。系統(tǒng)初始化需要解決令牌產(chǎn)生的問題。當無線網(wǎng)絡安裝好以后，各站均有責任產(chǎn)生令牌，但在整個網(wǎng)絡中，僅有一個令牌。產(chǎn)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(huán)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(fā)送“征求一后繼者”幀，再監(jiān)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(fā)響應幀。若在則發(fā)“設(shè)置一后繼者”響應幀。當原發(fā)站收到“設(shè)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(shè)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?jīng)]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(fā)送令牌，這樣邏輯環(huán)就初步建立了。
（3）邏輯環(huán)的管理。初始化建立了邏輯環(huán)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(tài)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(huán)、退出邏輯環(huán)。
4 結(jié)束語
在輸煤仿真系統(tǒng)中，我們利用了無線現(xiàn)場
總線技術(shù)，將模塊分散化，具有可移動性，能夠滿足工業(yè)現(xiàn)場的需要，為仿真調(diào)試帶來了方便，同時也為無線現(xiàn)場總線網(wǎng)絡的實現(xiàn)找到了一定的事實依據(jù)。(e
