基于WirelessHART協議的無線適配器設計*

何明軍，王 凱，孫佳郡

(1.上海理工大學光電信息與計算機工程學院，上海200093;2.上海理工大學工業過程自動化國家工程研究中心，上海200093;3.上海出版印刷高等專科學校，上海200093)

0 引言

在工業過程控制領域中，傳統的儀表主要輸出4～20 mA直流信號，不具備數字信號輸出的能力。HART(Highway Addressable Remote Transducer)協議的誕生，促進了儀表向智能化和數字化方向發展。由于HART的數字信號是疊加在傳統的4～20 mA模擬信號回路中的正弦電流信號，具有相位連續的特點，其平均值為零，既不影響傳統的模擬回路，又能進行數字通信，因此，越來越多的HART儀表投入使用。據統計，現今全球范圍內安裝的具有HART通信功能的儀表已經超過3 000萬臺［1］，但是在實際應用中，大部分的HART儀表僅僅是輸出4～20 mA模擬量信號，儀表內大量的診斷、校準和設備組態等數字信息沒有得到有效利用，這不僅浪費了智能儀表的資源，也嚴重限制工廠的自動化水平。但如果對現有的有線測控系統進行改裝升級以實現HART數字通信，則需要改裝硬件和原有測控系統的軟件，將耗費大量的物力和財力。文中提出一種基于WirelessHART協議的無線適配器，能將有線HART儀表升級為具有WirelessHART通信功能的儀表，將儀表的數字信息以無線的方式及時傳回控制系統，同時也可接收控制系統傳來的命令，并對命令進行解析后執行，實現控制系統和儀表之間的雙向通信功能。

1 WirelessHART協議概述

1.1 工業無線通信的現狀分析

近些年來，無線通信技術在工業過程控制領域引起了廣泛的關注。相比于有線網絡，無線技術具有易于安裝和調試、全數字化通信、維護成本低和良好的互操作性等特點［2］。

目前，主要的無線網絡技術有ZigBee、Wi－Fi技術、藍牙技術和WirelessHART技術。在ISM頻段內，ZigBee只選擇其中一個信道進行通信，一旦此信道出現擁塞或者干擾，通信將被延遲甚至中斷，這極大地降低了通信的實時性和可靠性。此外，ZigBee采用信標同步機制，在信標同步過程中，網絡中的設備必須都處于監聽狀態，功耗較高［3］。對于電池供電的設備，不利于長期可靠運行。對于藍牙，網絡的基本單元是由piconets組成的，piconets之間進行互相連接，以此來擴展整個網絡的覆蓋范圍，但其樹形結構限制了網絡的大小，且藍牙使用快速跳頻機制(信道切換速度高達1 600次/s)，每比特所消耗的能量較高，難以實現低功耗，因此不適用于苛刻的工業環境［4－5］。Wi－Fi技術因功耗太高，也不適用于工業環境。

WirelessHART協議是首個開放式工業無線網絡協議，具有實時性高、可靠性好、安全等級高和使用簡單的特點，適用于過程控制工業的無線通信應用，可為過程控制工業提供方便可靠的實時監測診斷和后臺控制等任務，對降低工業過程自動化的成本，提高生產效率具有重要意義。WirelessHART通信協議采用全球通用免許可證的2.4 GHz的ISM頻段，兼容 IEEE802.15.4無線通信協議，采用 Mesh網狀網絡結構，運用直接序列擴頻技術(DSSS)、跳頻技術和時分多址技術(TDMA)來增強系統的抗干擾能力和魯棒性。WirelessHART網絡采用AES－128加密算法，保證網絡通信數據的安全性。

參照OSI 7層協議模型，WirelessHART協議可劃分為5層，即物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層和應用層［6］。ISO、HART 和 WirelessHART 層次模型的對比如圖1所示。

圖1 WirelessHART網絡體系結構Fig.1 WirelessHART network architecture

物理層:定義了WirelessHART網絡的射頻特征，包括信號方式、信號強度和設備靈敏度等。WirelessHART采用 IEEE802.15.4協議標準，發射功率定義為10 dBm;

數據鏈路層:主要特征是運用時間同步技術對整個網絡進行同步，并負責維護通信表、進行鏈路調度、管理狀態機等工作;數據鏈路層的通信被嚴格劃分為以時隙為單位的通信，網絡中設備之間的每次通信，都必須在一個時隙(10 ms)內完成;

網絡層:負責功耗優化，并維護路由表，提供冗余的路徑，為網絡設備提供安全、可靠的通信，實現自愈合的無線網狀網絡;

傳輸層:對大塊數據進行自動分割傳送，保證可靠的數據流傳輸;

應用層:是WirelessHART標準的最頂層，它定義了各種設備命令、響應、數據類型和狀態報告等，主要負責解析報文內容、提取命令號、執行命令和產生響應。

1.2 WirelessHART網絡拓撲結構

WirelessHART網絡主要包括WirelessHART現場設備(包括裝有WirelessHART適配器的其它現場設備)、手持設備、網關、網絡管理器和安全管理器。通常，網關、網絡管理器和安全管理器可集成在同一個設備中，其網絡拓撲結構如圖2所示。

圖2 WirelessHART網絡拓撲結構Fig.2 WirelessHART network Topology

WirelessHART現場設備:無線現場設備包括WirelessHART現場設備和配有WirelessHART適配器的有線HART設備，是實現現場感知或執行功能的基本單元。

手持設備:手持設備可分為兩種，一種是用于添加新設備的DD或者DOF文件的標準HART FSK配置單元，另一種是用于讀取過程變量或診斷(PV)［7］。

WirelessHART網關:通過有線方式與高速骨干網或主機相連接，是現場設備和高速骨干網的連接樞紐。WirelessHART無線網關可通過以太網、RS－485等通信協議與骨干網或主機進行通信。

網絡管理器:網絡管理器是WirelessHART網的核心部件，負責配置網絡、調度通信、評估和規劃路由路徑和監測網絡的健康狀況等任務。網絡管理器能提供冗余的傳輸路徑，在信息傳輸失敗時，網絡管理器則會重新評估整個網絡并將此信息路由到一條良好的路徑，以保證信息傳輸的可靠性。

安全管理器:主要負責安全密鑰的產生、管理和密鑰的定時更換。WirelessHART參考模型中，數據鏈路層和網絡層使用了加密技術。

WirelessHART適配器:是一個同時具有使用WirelessHART通信協議和HART通信協議進行通信的設備，與現場具有HART功能的設備一起構成WirelessHART節點。此適配器主要是為HART設備提供一種低成本的WirelessHART解決方案。

無線接入點(WAP):位于WirelessHART網關和WirelessHART網絡之間的網絡設備，在 WirelessHART網絡覆蓋較大范圍時，可使用無線接入點來轉發現場設備的數據，起到數據中繼的作用。WirelessHART接入點直接與WirelessHART網關通信，可提高WirelessHART網絡的有效吞吐量和可靠性，并實現網絡冗余，增加網絡的魯棒性。

WirelessHART路由設備:通常，網絡中的設備都支持路由功能，所以WirelessHART獨立路由器并不是必須的，但它可以改善網絡性能，如擴展網絡和節省網絡中WirelessHART現場設備的能耗。

2 適配器的硬件結構及工作原理

傳統的測控系統不具備HART數字信號傳輸的能力，安裝在其中的HART儀表只是傳送4～20 mA主變量，儀表的功能和傳統模擬儀表無異，儀表的安裝也是使用傳統的電纜線連接;經過WirelessHART適配器改裝升級后，儀表相當于一個具有WirelessHART通信功能的無線節點，除了原有的4～20 mA電纜線連接之外，還可以通過適配器和網關進行通信，傳送4～20 mA主變量和HART數字信息，使控制系統更可靠，更完善。

2.1 適配器設計的關鍵問題

適配器將有線 HART儀表升級成WirelessHART儀表，需要解決以下兩個關鍵性的問題。第一，適配器必須兼容HART通信和WirelessHART通信。適配器必須能識別和處理所有的無線和有線HART命令，如使用不同的命令來檢索信息等。第二，低功耗設計。適配器采用電池供電，為降低更換電池頻率，延長電池使用壽命，適配器的功耗需要受到嚴格控制。因此，適配器需要具備良好的休眠喚醒機制才能保證數據傳輸的實時性、可靠性和實現低功耗。

2.2 適配器的結構框圖

WirelessHART適配器主要由 MCU、XDM2510無線收發模塊、HART信號調制解調模塊、電源模塊和電池電量管理模塊組成。其結構框圖如圖3所示。

圖3 WirelessHART適配器結構框Fig.3 Structure diagram of WirelessHART adapter

MCU選擇ADI公司生產的ADuCM360處理器，無線收發模塊選擇RFM公司的XDM2510H模塊，FSK調制解調器選擇ADI公司的AD5700，電池電量管理模塊選用TI公司的BQ20Z45芯片。

ADuCM360是ADI公司推出的基于Cortex－M3內核的32位超低功耗處理器，片內集成了24位Σ－Δ型模數轉換器(ADC)，具有豐富的通信接口，如SPI、I2C、UART，且都可以和DMA控制器協同工作，實現高速數據傳輸［8］?？刂破鲀群丝膳渲脼槠胀üぷ髂Ｊ剑藭r功耗為190 μA/MHz，且在外設都工作時，其功耗為1 mA;處理器也可以進入休眠模式，此時功耗僅為4 μA。

在接收模式下，ADuCM360主要的工作是通過UART接口讀取無線發送模塊和FSK調制解調模塊的指令，并進行解碼，然后按照指令要求執行指令;在發送模式下，ADuCM360主要負責將FSK調制解調模塊獲得的數據進行打包，發送給無線收發模塊。

2.3 信號合成/分離及HART調制解調

HART信號是疊加在4～20 mA電流上的正弦電流信號，分別用1 200 kHz表示數字1(即傳號)，2 200 kHz表示數字0(即空號)，也就是頻移鍵控(FSK)，電流幅值為 ±0.5 mA。WirelessHART適配器需要對FSK信號進行調制解調。系統選用ADI公司生產的HART調制解調芯片AD5700，該芯片內部集成了所有必要的帶通濾波器、信號檢測、調制、解調和信號生成功能，采用標準的UART接口，可單獨使能或禁止調制器和解調器，且功耗低，是專應用于HART通信的單芯片解決方案［9］。

信號合成和分離模塊主要是將4～20 mA信號和HART數字信號進行分離和合成，如圖4所示。當RTS信號為高電平的時候，內部FSK解調器被使能，模擬開關K斷開，HART信號通過150 kΩ電阻和300 pF電容耦合至HART_IN引腳，進入內部的帶通濾波器，之后由FSK解調器將HART信號解調。當RTS信號為低電平的時候，模擬開關K閉合，內部的FSK調制器使能，輸出引腳HART_OUT將輸出標準的HART信號，再由22 Ω電阻和2.2 uF電容耦合至4～20 mA回路中。環路中接有250 Ω的標準負載，當環路電流流過250 Ω電阻時，其壓降為1～5 V，再通過電阻分壓網絡，將電壓降低到0.5～2.5 V，進入MCU內部的AD轉換器。

圖4 HART通信電路示意Fig.4 HART communication circuit schematic

2.4 WirelessHART 模塊——XDM2510

XDM2510 WirelessHART無線收發模塊是基于DUST Network的SmartMesh IA－510(H)技術，該模塊兼容WirelessHART網絡，多個模塊能組成Mesh網狀網絡且具有自組織、自愈合功能，每個XDM2510都是一個WirelessHART節點并且都具有路由功能。XDM2510有多種工作模式，通信速率固定為9 600 b/s，其自身具有休眠功能，同時具備喚醒MCU的功能，與微處理器之間采用標準的UART接口進行通信，如圖5所示。微處理器可以使用命令任意修改 XDM2510內部的參數配置，如設備MAC地址、功耗等級等。

圖5 XDM2510電路示意Fig.5 XDM2510 circuit schematic

此外，WirelessHART網絡中，節點的電量是數據傳輸可靠性的一項重要參數，如有命令號“778”就是專門用于讀取設備電池壽命的。在通信時，網絡管理器會優先將信息路由到能量較強的路徑，保證數據可靠傳輸。本系統中，電池電量管理使用TI公司的BQ20Z45芯片，該芯片采用阻抗追蹤技術(Impedance TrackTM)，支持 SBS V1.1，采用 SMBus總線通信，能同時檢測4節串聯鋰電池的電量，且具有電池平衡功能。系統主要讀取電池容量、電池剩余電量、電壓、電流、剩余工作時間等參數。

3 無線適配器軟件結構

適配器主要任務是響應上位機發來的命令和定時報告設備的狀態。軟件流程圖如圖6所示。

圖6 WirelessHART適配器軟件流程Fig.6 WirelessHART adapter software flow chart

當適配器上電后，首先進行初始化配置，此時MCU將初始化串口、開定時器中斷、清發送/接收緩存區、設置調制解調器的工作方式以及初始化UART、SMBus通信及定時器模塊等工作。同時，XDM2510H模塊也進入Boot階段，并自動開始初始化和搜索WirelessHART網絡，確認Network ID后與網關進行握手連接。初始化完成后，適配器進入信道監聽狀態，與此同時，用于定時報告的計數器開始計時，一旦計時時間到或者是上位機有命令發來，則喚醒節點，進入工作狀態。如此時接收到上位機發來的數據，首先對數據進行解析，獲取命令，然后執行命令;若是因為定時中斷喚醒節點，則喚醒HART調制解調模塊和AD轉換模塊，獲取測量值和儀表的狀態，并將數據打包加密，送入發送緩沖區，若此時鏈路建立成功，則啟動數據傳輸。當所有工作完成后，節點再次進入休眠模式，以降低功耗。

為降低功耗，適配器設置了多種休眠和喚醒機制。主要分為模塊級休眠喚醒和系統級休眠喚醒。當工作在模塊級休眠喚醒狀態時，系統只喚醒與本次任務相關聯的模塊，當本次任務完成之后，該模塊立即進入休眠狀態;系統級休眠喚醒則需要適配器整個系統中的所有模塊同時被喚醒，并且當所有工作完成之后，整個系統才能進入休眠狀態。任何一種休眠模式下，系統都至少會保留一個定時計數器工作，保證系統能定時報告設備狀態。適配器的喚醒信號可以是內部中斷信號、無線收發模塊XDM2510的MT_RTS信號和來自HART調制解調器的中斷信號。設置靈活的休眠喚醒機制，保證適配器能在多種情況下實現低功耗。

4 測試結果

測試時選取RFM公司開發的XDM2510HDK開發套件，網絡由上位機、網關、3個無線HART節點組成，當 WirelessHART適配器成功加入 WirelessHART網絡后，利用Admin Toolset可在上位機上獲得網絡的拓撲結構圖，各節點用MIC地址來標識。測試時，設置WirelessHART適配器的MIC地址為:00－17－0D－00－00－19－3E－56，上位機獲得的拓撲結構如圖7所示，其中最右邊的節點則表示新加入的WirelessHART適配器。

圖7 WirelessHART適配器拓撲圖測試Fig.7 WirelessHART adapter topological graph test

當WirelessHART適配器加入網絡后，可以自主地向網關發送數據和接受網關發來的命令，經解析后執行。測試時使用測試字符串“WirelessHART A-dapter Number 1”來測試與網關的通訊，當網關接受到測試字符串后，則返回數字字符“11 22 33 44 55 66”，測試結果如圖8和圖9所示。

圖8 WirelessHART適配器數據發送測試Fig.8 WirelessHART adapter data transmission test

圖9 WirelessHART適配器數據接收測試Fig.9 WirelessHART adapter data receiving test

5 結語

在現今大量安裝具有HART功能儀表的大環境下，WirelessHART適配器為升級現有有線測控系統提供了一種靈活的、低成本的解決方案。文中詳細描述了WirelessHART適配器的工作原理，闡述了其硬件設計方案和軟件工作流程，最后給出了WirelessHART適配器開發原型的測試結果。

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