基于5G無線網絡的數據采集及控制裝置設計

韋善學　姜召文　劉意

摘要：傳統無線網絡存在網絡速率低、延遲高、容量低和通信不可靠的問題，設計基于5G無線網絡的數據采集及控制裝置，對工業現場的開關量、模擬量進行采集，并通過繼電器控制現場設備的工作狀態，數據和指令的交互均通過5G無線網絡實現，具有高速率、低延遲、大容量和通信可靠的優點。

關鍵詞：5G;數據采集;SIM8202E;STM32

引言

工業現場存在大量的電氣設備，很多現場的工作環境惡劣，對這些設備的工作狀態和環境的監測和控制是至關重要的。由于現場環境復雜，有線通信不能滿足實際需求，無線網絡就成了解決設備和環境參數監控的關鍵。傳統的基于GPRS的監控設備存在速率低、延遲高、帶寬低和通信不可靠的問題，不能及時監測設備及環境參數，無法及時、可靠的接收控制命令，導致安全事故發生。

5G是最新一代的無線通信網絡，依托于4G的技術構架，實現更高速、更大容量、更低延遲和更可靠的通信。5G的頻段分為兩個范圍：FR1和FR2，FR1的頻率范圍在450MHz～6GHz，也稱為Sub6G;而FR2的頻段為24GHz～52GHz，其波長基本都是毫米級，因而稱為毫米波。頻率越高，意味著可用的頻帶越寬，也就是容量會更大。頻率越高，電磁波的繞射能力越差，傳播距離越近，使用大規模天線陣列技術和波束成形技術實現波束追蹤，解決高頻通信的傳播問題。5G的延遲一般為幾個毫秒，延遲降低的主要來源有物理層共享信道，核心網和接入網間關系的簡化，整個網絡的扁平化，終端狀態機簡化等。

基于上述5G高速率、低延遲、大容量和高可靠性的特點，為解決工業現場數據采集和控制存在的問題，本文提出一種基于5G無線網絡的數據采集及控制裝置的設計方法。

1 功能需求分析

該裝置能連續采集工業現場的設備和環境參數，并能對設備進行實時控制。同時，需要具備低延遲、大帶寬和可靠的無線通信，以便于工業現場的安裝和維護。因此，該裝置需要具備模擬量、數字量的輸入輸出功能，還需要具有5G無線通信模塊進行數據的交互。為了使該裝置正常工作，還需要有多個直流電源，因此還需要具備DC-DC降壓穩壓功能。

2 基于5G無線網絡的數據采集及控制裝置的設計

為滿足上述功能需求，本設計的總體設計框圖如圖 1所示，STM32主控電路通過模擬輸入調理電路和數字輸入調理電路采集外部設備和環境的參數，經過數字信號處理后通過5G無線模塊發送至上位機，上位機的控制命令由5G無線模塊接收并發送至STM32主控電路，STM32主控電路通過引腳控制繼電器輸出電路控制外部設備的工作狀態。

2.1 5G無線模塊

5G模塊選用SIMCom公司的SIM8202E，該模塊在5G NR模式下的上行和下行速度可達2.4Gbps和500Mbps，滿足現場數據和指令的傳輸。該模塊支持PCIe、I2C、USB和UART等主流通信接口，便于和主控芯片連接。該模塊采用3.3V供電，睡眠模式下的功耗僅為5mA，適合于無線通信系統的應用。

為便于使用AT指令管理5G通信過程，SIM8202E模塊與STM32之間使用UART接口連接。為適配雙方的電平，使用TXS0104EPWR芯片將SIM8202E的UART引腳的1.8V電平轉化為3.3V電平。

為保證5G網絡正常使用，降低系統復雜度，僅使用SIM8202E的0號和3號天線即可。

2.2 STM32主控電路

該裝置具有8路輸入和8路輸出，并且需要具有UART接口和ADC接口，數據采集速率較高，因此選用STM32F405RGT6作為主控芯片。該芯片采用ARM Cortex-M4內核，其最高CPU頻率為168MHz，具有1MB閃存和192KB RAM，具有3個片內ADC和6個支持10.5 Mbps波特率的串口，滿足系統需求。

STM32主控電路的BOOT0引腳接地，使應用程序從閃存內的引導程序啟動。外部晶振采用無源8MHz石英晶體振蕩器，保證系統工作頻率穩定。通過內部的PLL電路將CPU主頻鎖定在168MHz。下載接口使用SWD接口，節約引腳資源。ADC輸入引腳與GND之間并聯10nF電容，以降低外部信號的高頻毛刺。STM32的電源輸入引腳和ADC參考電壓輸入引腳均接3.3V，并且外接100nF的去耦電容，降低電源紋波。

2.3 模擬輸入調理電路

模擬輸入調理電路主要功能是進行阻抗匹配，以降低STM32內部的ADC輸入阻抗對外部信號的影響。調理電路采用OP37運算放大器，其單位增益帶寬高達63MHz，輸入失調電壓僅為10uV。由OP37運算方法器搭建電壓跟隨電路，以降低信源的輸出阻抗。

2.4 數字輸入調理電路

不同系統的數字信號的高、低電平不一致，為解決這個問題，采用光耦進行輸入信號的隔離和電壓轉換。選用TLP521光耦合器件，其功耗僅為150mW，隔離電壓為2500 Vrms，可有效隔離前后級，保護主控芯片引腳。在主控電路側，光耦的開漏極輸出引腳通過4.7KΩ的電阻上拉至3.3V，將外部數字電平轉化為0V或3.3V，以便于主控芯片讀取。

2.5 繼電器輸出電路

選用歐姆龍的G5SB-14-12VDC繼電器，其輸出容量為250VAC/5A，線圈電壓為12V。使用NPN三極管S8050放大主控芯片引腳的輸出電流。將線圈連接在12V電源和S8050的集電極之間，S8050的基極通過4.7KΩ的電阻連接在STM32的GPIO上，S8050的發射極接地，這樣微弱的基極電流經過三極管的放大即可驅動線圈產生吸合力，使繼電器正常工作。繼電器輸出一組常開/常閉觸點。

2.6 DC-DC電源電路

該裝置工作電壓為12V，以滿足繼電器的正常工作。5G模塊和主控電路需要3.3V電壓，運算放大器需要±5V電源供電，因此采用12V轉5V，5V轉3.3V和5V轉-5V的DC-DC電源方案。12V轉5V采用LM2596S-5V芯片，可提供最大3A的輸出電流。5V轉3.3V采用AMS1117-3.3，該芯片最大提供1A的輸出電流，可滿足5G模塊和STM32主控電路供電。由于-5V僅作為運算放大器的負電源，對輸出電流要求不高，因此，5V轉-5V選用HT7660芯片，可提供最大20mA的輸出電流。

3 結束語

本文針對基于5G無線網絡的數據采集及控制裝置進行研究，結合5G通信特點，確定了整體設計方案，闡明了各部分電路設計的要點，分析了主要電子器件的核心問題，為基于無線網絡的工業設備和環境參數采集及控制裝置的研究提供了有價值的參考。

參考文獻

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作者簡介：韋善學（1984.10-）男，壯族，廣西東蘭縣人，本科，中國鐵塔股份有限公司河池市分公司，研究方向：通信領域。