基于WirelessHART協(xié)議的無線適配器設(shè)計(jì)*

何明軍，王 凱，孫佳郡

(1.上海理工大學(xué)光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海200093;2.上海理工大學(xué)工業(yè)過程自動(dòng)化國家工程研究中心，上海200093;3.上海出版印刷高等專科學(xué)校，上海200093)

0 引言

在工業(yè)過程控制領(lǐng)域中，傳統(tǒng)的儀表主要輸出4～20 mA直流信號，不具備數(shù)字信號輸出的能力。HART(Highway Addressable Remote Transducer)協(xié)議的誕生，促進(jìn)了儀表向智能化和數(shù)字化方向發(fā)展。由于HART的數(shù)字信號是疊加在傳統(tǒng)的4～20 mA模擬信號回路中的正弦電流信號，具有相位連續(xù)的特點(diǎn)，其平均值為零，既不影響傳統(tǒng)的模擬回路，又能進(jìn)行數(shù)字通信，因此，越來越多的HART儀表投入使用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，現(xiàn)今全球范圍內(nèi)安裝的具有HART通信功能的儀表已經(jīng)超過3 000萬臺(tái)［1］，但是在實(shí)際應(yīng)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(nèi)大量的診斷、校準(zhǔn)和設(shè)備組態(tài)等數(shù)字信息沒有得到有效利用，這不僅浪費(fèi)了智能儀表的資源，也嚴(yán)重限制工廠的自動(dòng)化水平。但如果對現(xiàn)有的有線測控系統(tǒng)進(jìn)行改裝升級以實(shí)現(xiàn)HART數(shù)字通信，則需要改裝硬件和原有測控系統(tǒng)的軟件，將耗費(fèi)大量的物力和財(cái)力。文中提出一種基于WirelessHART協(xié)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(shù)字信息以無線的方式及時(shí)傳回控制系統(tǒng)，同時(shí)也可接收控制系統(tǒng)傳來的命令，并對命令進(jìn)行解析后執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)和儀表之間的雙向通信功能。

1 WirelessHART協(xié)議概述

1.1 工業(yè)無線通信的現(xiàn)狀分析

近些年來，無線通信技術(shù)在工業(yè)過程控制領(lǐng)域引起了廣泛的關(guān)注。相比于有線網(wǎng)絡(luò)，無線技術(shù)具有易于安裝和調(diào)試、全數(shù)字化通信、維護(hù)成本低和良好的互操作性等特點(diǎn)［2］。

目前，主要的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有ZigBee、Wi－Fi技術(shù)、藍(lán)牙技術(shù)和WirelessHART技術(shù)。在ISM頻段內(nèi)，ZigBee只選擇其中一個(gè)信道進(jìn)行通信，一旦此信道出現(xiàn)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(shí)時(shí)性和可靠性。此外，ZigBee采用信標(biāo)同步機(jī)制，在信標(biāo)同步過程中，網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備必須都處于監(jiān)聽狀態(tài)，功耗較高［3］。對于電池供電的設(shè)備，不利于長期可靠運(yùn)行。對于藍(lán)牙，網(wǎng)絡(luò)的基本單元是由piconets組成的，piconets之間進(jìn)行互相連接，以此來擴(kuò)展整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，但其樹形結(jié)構(gòu)限制了網(wǎng)絡(luò)的大小，且藍(lán)牙使用快速跳頻機(jī)制(信道切換速度高達(dá)1 600次/s)，每比特所消耗的能量較高，難以實(shí)現(xiàn)低功耗，因此不適用于苛刻的工業(yè)環(huán)境［4－5］。Wi－Fi技術(shù)因功耗太高，也不適用于工業(yè)環(huán)境。

WirelessHART協(xié)議是首個(gè)開放式工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，具有實(shí)時(shí)性高、可靠性好、安全等級高和使用簡單的特點(diǎn)，適用于過程控制工業(yè)的無線通信應(yīng)用，可為過程控制工業(yè)提供方便可靠的實(shí)時(shí)監(jiān)測診斷和后臺(tái)控制等任務(wù)，對降低工業(yè)過程自動(dòng)化的成本，提高生產(chǎn)效率具有重要意義。WirelessHART通信協(xié)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(xié)議，采用 Mesh網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，運(yùn)用直接序列擴(kuò)頻技術(shù)(DSSS)、跳頻技術(shù)和時(shí)分多址技術(shù)(TDMA)來增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力和魯棒性。WirelessHART網(wǎng)絡(luò)采用AES－128加密算法，保證網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)的安全性。

參照OSI 7層協(xié)議模型，WirelessHART協(xié)議可劃分為5層，即物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層［6］。ISO、HART 和 WirelessHART 層次模型的對比如圖1所示。

圖1 WirelessHART網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)Fig.1 WirelessHART network architecture

物理層:定義了WirelessHART網(wǎng)絡(luò)的射頻特征，包括信號方式、信號強(qiáng)度和設(shè)備靈敏度等。WirelessHART采用 IEEE802.15.4協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)射功率定義為10 dBm;

數(shù)據(jù)鏈路層:主要特征是運(yùn)用時(shí)間同步技術(shù)對整個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行同步，并負(fù)責(zé)維護(hù)通信表、進(jìn)行鏈路調(diào)度、管理狀態(tài)機(jī)等工作;數(shù)據(jù)鏈路層的通信被嚴(yán)格劃分為以時(shí)隙為單位的通信，網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備之間的每次通信，都必須在一個(gè)時(shí)隙(10 ms)內(nèi)完成;

網(wǎng)絡(luò)層:負(fù)責(zé)功耗優(yōu)化，并維護(hù)路由表，提供冗余的路徑，為網(wǎng)絡(luò)設(shè)備提供安全、可靠的通信，實(shí)現(xiàn)自愈合的無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò);

傳輸層:對大塊數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)分割傳送，保證可靠的數(shù)據(jù)流傳輸;

應(yīng)用層:是WirelessHART標(biāo)準(zhǔn)的最頂層，它定義了各種設(shè)備命令、響應(yīng)、數(shù)據(jù)類型和狀態(tài)報(bào)告等，主要負(fù)責(zé)解析報(bào)文內(nèi)容、提取命令號、執(zhí)行命令和產(chǎn)生響應(yīng)。

1.2 WirelessHART網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

WirelessHART網(wǎng)絡(luò)主要包括WirelessHART現(xiàn)場設(shè)備(包括裝有WirelessHART適配器的其它現(xiàn)場設(shè)備)、手持設(shè)備、網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)絡(luò)管理器和安全管理器。通常，網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)絡(luò)管理器和安全管理器可集成在同一個(gè)設(shè)備中，其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 WirelessHART網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.2 WirelessHART network Topology

WirelessHART現(xiàn)場設(shè)備:無線現(xiàn)場設(shè)備包括WirelessHART現(xiàn)場設(shè)備和配有WirelessHART適配器的有線HART設(shè)備，是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場感知或執(zhí)行功能的基本單元。

手持設(shè)備:手持設(shè)備可分為兩種，一種是用于添加新設(shè)備的DD或者DOF文件的標(biāo)準(zhǔn)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(wǎng)關(guān):通過有線方式與高速骨干網(wǎng)或主機(jī)相連接，是現(xiàn)場設(shè)備和高速骨干網(wǎng)的連接樞紐。WirelessHART無線網(wǎng)關(guān)可通過以太網(wǎng)、RS－485等通信協(xié)議與骨干網(wǎng)或主機(jī)進(jìn)行通信。

網(wǎng)絡(luò)管理器:網(wǎng)絡(luò)管理器是WirelessHART網(wǎng)的核心部件，負(fù)責(zé)配置網(wǎng)絡(luò)、調(diào)度通信、評估和規(guī)劃路由路徑和監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的健康狀況等任務(wù)。網(wǎng)絡(luò)管理器能提供冗余的傳輸路徑，在信息傳輸失敗時(shí)，網(wǎng)絡(luò)管理器則會(huì)重新評估整個(gè)網(wǎng)絡(luò)并將此信息路由到一條良好的路徑，以保證信息傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

安全管理器:主要負(fù)責(zé)安全密鑰的產(chǎn)生、管理和密鑰的定時(shí)更換。WirelessHART參考模型中，數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層使用了加密技術(shù)。

WirelessHART適配器:是一個(gè)同時(shí)具有使用WirelessHART通信協(xié)議和HART通信協(xié)議進(jìn)行通信的設(shè)備，與現(xiàn)場具有HART功能的設(shè)備一起構(gòu)成WirelessHART節(jié)點(diǎn)。此適配器主要是為HART設(shè)備提供一種低成本的WirelessHART解決方案。

無線接入點(diǎn)(WAP):位于WirelessHART網(wǎng)關(guān)和WirelessHART網(wǎng)絡(luò)之間的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，在 WirelessHART網(wǎng)絡(luò)覆蓋較大范圍時(shí)，可使用無線接入點(diǎn)來轉(zhuǎn)發(fā)現(xiàn)場設(shè)備的數(shù)據(jù)，起到數(shù)據(jù)中繼的作用。WirelessHART接入點(diǎn)直接與WirelessHART網(wǎng)關(guān)通信，可提高WirelessHART網(wǎng)絡(luò)的有效吞吐量和可靠性，并實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)冗余，增加網(wǎng)絡(luò)的魯棒性。

WirelessHART路由設(shè)備:通常，網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備都支持路由功能，所以WirelessHART獨(dú)立路由器并不是必須的，但它可以改善網(wǎng)絡(luò)性能，如擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)和節(jié)省網(wǎng)絡(luò)中WirelessHART現(xiàn)場設(shè)備的能耗。

2 適配器的硬件結(jié)構(gòu)及工作原理

傳統(tǒng)的測控系統(tǒng)不具備HART數(shù)字信號傳輸?shù)哪芰Γ惭b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(tǒng)模擬儀表無異，儀表的安裝也是使用傳統(tǒng)的電纜線連接;經(jīng)過WirelessHART適配器改裝升級后，儀表相當(dāng)于一個(gè)具有WirelessHART通信功能的無線節(jié)點(diǎn)，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(wǎng)關(guān)進(jìn)行通信，傳送4～20 mA主變量和HART數(shù)字信息，使控制系統(tǒng)更可靠，更完善。

2.1 適配器設(shè)計(jì)的關(guān)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(gè)關(guān)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(shè)計(jì)。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(yán)格控制。因此，適配器需要具備良好的休眠喚醒機(jī)制才能保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性、可靠性和實(shí)現(xiàn)低功耗。

2.2 適配器的結(jié)構(gòu)框圖

WirelessHART適配器主要由 MCU、XDM2510無線收發(fā)模塊、HART信號調(diào)制解調(diào)模塊、電源模塊和電池電量管理模塊組成。其結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 WirelessHART適配器結(jié)構(gòu)框Fig.3 Structure diagram of WirelessHART adapter

MCU選擇ADI公司生產(chǎn)的ADuCM360處理器，無線收發(fā)模塊選擇RFM公司的XDM2510H模塊，F(xiàn)SK調(diào)制解調(diào)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(nèi)核的32位超低功耗處理器，片內(nèi)集成了24位Σ－Δ型模數(shù)轉(zhuǎn)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(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸［8］?？刂破鲀?nèi)核可配置為普通工作模式，此時(shí)功耗為190 μA/MHz，且在外設(shè)都工作時(shí)，其功耗為1 mA;處理器也可以進(jìn)入休眠模式，此時(shí)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(fā)送模塊和FSK調(diào)制解調(diào)模塊的指令，并進(jìn)行解碼，然后按照指令要求執(zhí)行指令;在發(fā)送模式下，ADuCM360主要負(fù)責(zé)將FSK調(diào)制解調(diào)模塊獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行打包，發(fā)送給無線收發(fā)模塊。

2.3 信號合成/分離及HART調(diào)制解調(diào)

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(shù)字1(即傳號)，2 200 kHz表示數(shù)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(jìn)行調(diào)制解調(diào)。系統(tǒng)選用ADI公司生產(chǎn)的HART調(diào)制解調(diào)芯片AD5700，該芯片內(nèi)部集成了所有必要的帶通濾波器、信號檢測、調(diào)制、解調(diào)和信號生成功能，采用標(biāo)準(zhǔn)的UART接口，可單獨(dú)使能或禁止調(diào)制器和解調(diào)器，且功耗低，是專應(yīng)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(shù)字信號進(jìn)行分離和合成，如圖4所示。當(dāng)RTS信號為高電平的時(shí)候，內(nèi)部FSK解調(diào)器被使能，模擬開關(guān)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(jìn)入內(nèi)部的帶通濾波器，之后由FSK解調(diào)器將HART信號解調(diào)。當(dāng)RTS信號為低電平的時(shí)候，模擬開關(guān)K閉合，內(nèi)部的FSK調(diào)制器使能，輸出引腳HART_OUT將輸出標(biāo)準(zhǔn)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(huán)路中接有250 Ω的標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載，當(dāng)環(huán)路電流流過250 Ω電阻時(shí)，其壓降為1～5 V，再通過電阻分壓網(wǎng)絡(luò)，將電壓降低到0.5～2.5 V，進(jìn)入MCU內(nèi)部的AD轉(zhuǎn)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(fā)模塊是基于DUST Network的SmartMesh IA－510(H)技術(shù)，該模塊兼容WirelessHART網(wǎng)絡(luò)，多個(gè)模塊能組成Mesh網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)且具有自組織、自愈合功能，每個(gè)XDM2510都是一個(gè)WirelessHART節(jié)點(diǎn)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(shí)具備喚醒MCU的功能，與微處理器之間采用標(biāo)準(zhǔn)的UART接口進(jìn)行通信，如圖5所示。微處理器可以使用命令任意修改 XDM2510內(nèi)部的參數(shù)配置，如設(shè)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(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)的電量是數(shù)據(jù)傳輸可靠性的一項(xiàng)重要參數(shù)，如有命令號“778”就是專門用于讀取設(shè)備電池壽命的。在通信時(shí)，網(wǎng)絡(luò)管理器會(huì)優(yōu)先將信息路由到能量較強(qiáng)的路徑，保證數(shù)據(jù)可靠傳輸。本系統(tǒng)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(shù)(Impedance TrackTM)，支持 SBS V1.1，采用 SMBus總線通信，能同時(shí)檢測4節(jié)串聯(lián)鋰電池的電量，且具有電池平衡功能。系統(tǒng)主要讀取電池容量、電池剩余電量、電壓、電流、剩余工作時(shí)間等參數(shù)。

3 無線適配器軟件結(jié)構(gòu)

適配器主要任務(wù)是響應(yīng)上位機(jī)發(fā)來的命令和定時(shí)報(bào)告設(shè)備的狀態(tài)。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(dāng)適配器上電后，首先進(jìn)行初始化配置，此時(shí)MCU將初始化串口、開定時(shí)器中斷、清發(fā)送/接收緩存區(qū)、設(shè)置調(diào)制解調(diào)器的工作方式以及初始化UART、SMBus通信及定時(shí)器模塊等工作。同時(shí)，XDM2510H模塊也進(jìn)入Boot階段，并自動(dòng)開始初始化和搜索WirelessHART網(wǎng)絡(luò)，確認(rèn)Network ID后與網(wǎng)關(guān)進(jìn)行握手連接。初始化完成后，適配器進(jìn)入信道監(jiān)聽狀態(tài)，與此同時(shí)，用于定時(shí)報(bào)告的計(jì)數(shù)器開始計(jì)時(shí)，一旦計(jì)時(shí)時(shí)間到或者是上位機(jī)有命令發(fā)來，則喚醒節(jié)點(diǎn)，進(jìn)入工作狀態(tài)。如此時(shí)接收到上位機(jī)發(fā)來的數(shù)據(jù)，首先對數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，獲取命令，然后執(zhí)行命令;若是因?yàn)槎〞r(shí)中斷喚醒節(jié)點(diǎn)，則喚醒HART調(diào)制解調(diào)模塊和AD轉(zhuǎn)換模塊，獲取測量值和儀表的狀態(tài)，并將數(shù)據(jù)打包加密，送入發(fā)送緩沖區(qū)，若此時(shí)鏈路建立成功，則啟動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)所有工作完成后，節(jié)點(diǎn)再次進(jìn)入休眠模式，以降低功耗。

為降低功耗，適配器設(shè)置了多種休眠和喚醒機(jī)制。主要分為模塊級休眠喚醒和系統(tǒng)級休眠喚醒。當(dāng)工作在模塊級休眠喚醒狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)只喚醒與本次任務(wù)相關(guān)聯(lián)的模塊，當(dāng)本次任務(wù)完成之后，該模塊立即進(jìn)入休眠狀態(tài);系統(tǒng)級休眠喚醒則需要適配器整個(gè)系統(tǒng)中的所有模塊同時(shí)被喚醒，并且當(dāng)所有工作完成之后，整個(gè)系統(tǒng)才能進(jìn)入休眠狀態(tài)。任何一種休眠模式下，系統(tǒng)都至少會(huì)保留一個(gè)定時(shí)計(jì)數(shù)器工作，保證系統(tǒng)能定時(shí)報(bào)告設(shè)備狀態(tài)。適配器的喚醒信號可以是內(nèi)部中斷信號、無線收發(fā)模塊XDM2510的MT_RTS信號和來自HART調(diào)制解調(diào)器的中斷信號。設(shè)置靈活的休眠喚醒機(jī)制，保證適配器能在多種情況下實(shí)現(xiàn)低功耗。

4 測試結(jié)果

測試時(shí)選取RFM公司開發(fā)的XDM2510HDK開發(fā)套件，網(wǎng)絡(luò)由上位機(jī)、網(wǎng)關(guān)、3個(gè)無線HART節(jié)點(diǎn)組成，當(dāng) WirelessHART適配器成功加入 WirelessHART網(wǎng)絡(luò)后，利用Admin Toolset可在上位機(jī)上獲得網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，各節(jié)點(diǎn)用MIC地址來標(biāo)識。測試時(shí)，設(shè)置WirelessHART適配器的MIC地址為:00－17－0D－00－00－19－3E－56，上位機(jī)獲得的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖7所示，其中最右邊的節(jié)點(diǎn)則表示新加入的WirelessHART適配器。

圖7 WirelessHART適配器拓?fù)鋱D測試Fig.7 WirelessHART adapter topological graph test

當(dāng)WirelessHART適配器加入網(wǎng)絡(luò)后，可以自主地向網(wǎng)關(guān)發(fā)送數(shù)據(jù)和接受網(wǎng)關(guān)發(fā)來的命令，經(jīng)解析后執(zhí)行。測試時(shí)使用測試字符串“WirelessHART A-dapter Number 1”來測試與網(wǎng)關(guān)的通訊，當(dāng)網(wǎng)關(guān)接受到測試字符串后，則返回?cái)?shù)字字符“11 22 33 44 55 66”，測試結(jié)果如圖8和圖9所示。

圖8 WirelessHART適配器數(shù)據(jù)發(fā)送測試Fig.8 WirelessHART adapter data transmission test

圖9 WirelessHART適配器數(shù)據(jù)接收測試Fig.9 WirelessHART adapter data receiving test

5 結(jié)語

在現(xiàn)今大量安裝具有HART功能儀表的大環(huán)境下，WirelessHART適配器為升級現(xiàn)有有線測控系統(tǒng)提供了一種靈活的、低成本的解決方案。文中詳細(xì)描述了WirelessHART適配器的工作原理，闡述了其硬件設(shè)計(jì)方案和軟件工作流程，最后給出了WirelessHART適配器開發(fā)原型的測試結(jié)果。

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