基于WirelessHART协议的无线适配器设计*

何明军，王 凯，孙佳郡

(1.上海理工大学光电信息与计算机工程学院，上海200093;2.上海理工大学工业过程自动化国家工程研究中心，上海200093;3.上海出版印刷高等专科学校，上海200093)

0 引言

在工业过程控制领域中，传统的仪表主要输出4～20 mA直流信号，不具备数字信号输出的能力。HART(Highway Addressable Remote Transducer)协议的诞生，促进了仪表向智能化和数字化方向发展。由于HART的数字信号是叠加在传统的4～20 mA模拟信号回路中的正弦电流信号，具有相位连续的特点，其平均值为零，既不影响传统的模拟回路，又能进行数字通信，因此，越来越多的HART仪表投入使用。据统计，现今全球范围内安装的具有HART通信功能的仪表已经超过3 000万台［1］，但是在实际应用中，大部分的HART仪表仅仅是输出4～20 mA模拟量信号，仪表内大量的诊断、校准和设备组态等数字信息没有得到有效利用，这不仅浪费了智能仪表的资源，也严重限制工厂的自动化水平。但如果对现有的有线测控系统进行改装升级以实现HART数字通信，则需要改装硬件和原有测控系统的软件，将耗费大量的物力和财力。文中提出一种基于WirelessHART协议的无线适配器，能将有线HART仪表升级为具有WirelessHART通信功能的仪表，将仪表的数字信息以无线的方式及时传回控制系统，同时也可接收控制系统传来的命令，并对命令进行解析后执行，实现控制系统和仪表之间的双向通信功能。

1 WirelessHART协议概述

1.1 工业无线通信的现状分析

近些年来，无线通信技术在工业过程控制领域引起了广泛的关注。相比于有线网络，无线技术具有易于安装和调试、全数字化通信、维护成本低和良好的互操作性等特点［2］。

目前，主要的无线网络技术有ZigBee、Wi－Fi技术、蓝牙技术和WirelessHART技术。在ISM频段内，ZigBee只选择其中一个信道进行通信，一旦此信道出现拥塞或者干扰，通信将被延迟甚至中断，这极大地降低了通信的实时性和可靠性。此外，ZigBee采用信标同步机制，在信标同步过程中，网络中的设备必须都处于监听状态，功耗较高［3］。对于电池供电的设备，不利于长期可靠运行。对于蓝牙，网络的基本单元是由piconets组成的，piconets之间进行互相连接，以此来扩展整个网络的覆盖范围，但其树形结构限制了网络的大小，且蓝牙使用快速跳频机制(信道切换速度高达1 600次/s)，每比特所消耗的能量较高，难以实现低功耗，因此不适用于苛刻的工业环境［4－5］。Wi－Fi技术因功耗太高，也不适用于工业环境。

WirelessHART协议是首个开放式工业无线网络协议，具有实时性高、可靠性好、安全等级高和使用简单的特点，适用于过程控制工业的无线通信应用，可为过程控制工业提供方便可靠的实时监测诊断和后台控制等任务，对降低工业过程自动化的成本，提高生产效率具有重要意义。WirelessHART通信协议采用全球通用免许可证的2.4 GHz的ISM频段，兼容 IEEE802.15.4无线通信协议，采用 Mesh网状网络结构，运用直接序列扩频技术(DSSS)、跳频技术和时分多址技术(TDMA)来增强系统的抗干扰能力和鲁棒性。WirelessHART网络采用AES－128加密算法，保证网络通信数据的安全性。

参照OSI 7层协议模型，WirelessHART协议可划分为5层，即物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层［6］。ISO、HART 和 WirelessHART 层次模型的对比如图1所示。

图1 WirelessHART网络体系结构Fig.1 WirelessHART network architecture

物理层:定义了WirelessHART网络的射频特征，包括信号方式、信号强度和设备灵敏度等。WirelessHART采用 IEEE802.15.4协议标准，发射功率定义为10 dBm;

数据链路层:主要特征是运用时间同步技术对整个网络进行同步，并负责维护通信表、进行链路调度、管理状态机等工作;数据链路层的通信被严格划分为以时隙为单位的通信，网络中设备之间的每次通信，都必须在一个时隙(10 ms)内完成;

网络层:负责功耗优化，并维护路由表，提供冗余的路径，为网络设备提供安全、可靠的通信，实现自愈合的无线网状网络;

传输层:对大块数据进行自动分割传送，保证可靠的数据流传输;

应用层:是WirelessHART标准的最顶层，它定义了各种设备命令、响应、数据类型和状态报告等，主要负责解析报文内容、提取命令号、执行命令和产生响应。

1.2 WirelessHART网络拓扑结构

WirelessHART网络主要包括WirelessHART现场设备(包括装有WirelessHART适配器的其它现场设备)、手持设备、网关、网络管理器和安全管理器。通常，网关、网络管理器和安全管理器可集成在同一个设备中，其网络拓扑结构如图2所示。

图2 WirelessHART网络拓扑结构Fig.2 WirelessHART network Topology

WirelessHART现场设备:无线现场设备包括WirelessHART现场设备和配有WirelessHART适配器的有线HART设备，是实现现场感知或执行功能的基本单元。

手持设备:手持设备可分为两种，一种是用于添加新设备的DD或者DOF文件的标准HART FSK配置单元，另一种是用于读取过程变量或诊断(PV)［7］。

WirelessHART网关:通过有线方式与高速骨干网或主机相连接，是现场设备和高速骨干网的连接枢纽。WirelessHART无线网关可通过以太网、RS－485等通信协议与骨干网或主机进行通信。

网络管理器:网络管理器是WirelessHART网的核心部件，负责配置网络、调度通信、评估和规划路由路径和监测网络的健康状况等任务。网络管理器能提供冗余的传输路径，在信息传输失败时，网络管理器则会重新评估整个网络并将此信息路由到一条良好的路径，以保证信息传输的可靠性。

安全管理器:主要负责安全密钥的产生、管理和密钥的定时更换。WirelessHART参考模型中，数据链路层和网络层使用了加密技术。

WirelessHART适配器:是一个同时具有使用WirelessHART通信协议和HART通信协议进行通信的设备，与现场具有HART功能的设备一起构成WirelessHART节点。此适配器主要是为HART设备提供一种低成本的WirelessHART解决方案。

无线接入点(WAP):位于WirelessHART网关和WirelessHART网络之间的网络设备，在 WirelessHART网络覆盖较大范围时，可使用无线接入点来转发现场设备的数据，起到数据中继的作用。WirelessHART接入点直接与WirelessHART网关通信，可提高WirelessHART网络的有效吞吐量和可靠性，并实现网络冗余，增加网络的鲁棒性。

WirelessHART路由设备:通常，网络中的设备都支持路由功能，所以WirelessHART独立路由器并不是必须的，但它可以改善网络性能，如扩展网络和节省网络中WirelessHART现场设备的能耗。

2 适配器的硬件结构及工作原理

传统的测控系统不具备HART数字信号传输的能力，安装在其中的HART仪表只是传送4～20 mA主变量，仪表的功能和传统模拟仪表无异，仪表的安装也是使用传统的电缆线连接;经过WirelessHART适配器改装升级后，仪表相当于一个具有WirelessHART通信功能的无线节点，除了原有的4～20 mA电缆线连接之外，还可以通过适配器和网关进行通信，传送4～20 mA主变量和HART数字信息，使控制系统更可靠，更完善。

2.1 适配器设计的关键问题

适配器将有线 HART仪表升级成WirelessHART仪表，需要解决以下两个关键性的问题。第一，适配器必须兼容HART通信和WirelessHART通信。适配器必须能识别和处理所有的无线和有线HART命令，如使用不同的命令来检索信息等。第二，低功耗设计。适配器采用电池供电，为降低更换电池频率，延长电池使用寿命，适配器的功耗需要受到严格控制。因此，适配器需要具备良好的休眠唤醒机制才能保证数据传输的实时性、可靠性和实现低功耗。

2.2 适配器的结构框图

WirelessHART适配器主要由 MCU、XDM2510无线收发模块、HART信号调制解调模块、电源模块和电池电量管理模块组成。其结构框图如图3所示。

图3 WirelessHART适配器结构框Fig.3 Structure diagram of WirelessHART adapter

MCU选择ADI公司生产的ADuCM360处理器，无线收发模块选择RFM公司的XDM2510H模块，FSK调制解调器选择ADI公司的AD5700，电池电量管理模块选用TI公司的BQ20Z45芯片。

ADuCM360是ADI公司推出的基于Cortex－M3内核的32位超低功耗处理器，片内集成了24位Σ－Δ型模数转换器(ADC)，具有丰富的通信接口，如SPI、I2C、UART，且都可以和DMA控制器协同工作，实现高速数据传输［8］。控制器内核可配置为普通工作模式，此时功耗为190 μA/MHz，且在外设都工作时，其功耗为1 mA;处理器也可以进入休眠模式，此时功耗仅为4 μA。

在接收模式下，ADuCM360主要的工作是通过UART接口读取无线发送模块和FSK调制解调模块的指令，并进行解码，然后按照指令要求执行指令;在发送模式下，ADuCM360主要负责将FSK调制解调模块获得的数据进行打包，发送给无线收发模块。

2.3 信号合成/分离及HART调制解调

HART信号是叠加在4～20 mA电流上的正弦电流信号，分别用1 200 kHz表示数字1(即传号)，2 200 kHz表示数字0(即空号)，也就是频移键控(FSK)，电流幅值为 ±0.5 mA。WirelessHART适配器需要对FSK信号进行调制解调。系统选用ADI公司生产的HART调制解调芯片AD5700，该芯片内部集成了所有必要的带通滤波器、信号检测、调制、解调和信号生成功能，采用标准的UART接口，可单独使能或禁止调制器和解调器，且功耗低，是专应用于HART通信的单芯片解决方案［9］。

信号合成和分离模块主要是将4～20 mA信号和HART数字信号进行分离和合成，如图4所示。当RTS信号为高电平的时候，内部FSK解调器被使能，模拟开关K断开，HART信号通过150 kΩ电阻和300 pF电容耦合至HART_IN引脚，进入内部的带通滤波器，之后由FSK解调器将HART信号解调。当RTS信号为低电平的时候，模拟开关K闭合，内部的FSK调制器使能，输出引脚HART_OUT将输出标准的HART信号，再由22 Ω电阻和2.2 uF电容耦合至4～20 mA回路中。环路中接有250 Ω的标准负载，当环路电流流过250 Ω电阻时，其压降为1～5 V，再通过电阻分压网络，将电压降低到0.5～2.5 V，进入MCU内部的AD转换器。

图4 HART通信电路示意Fig.4 HART communication circuit schematic

2.4 WirelessHART 模块——XDM2510

XDM2510 WirelessHART无线收发模块是基于DUST Network的SmartMesh IA－510(H)技术，该模块兼容WirelessHART网络，多个模块能组成Mesh网状网络且具有自组织、自愈合功能，每个XDM2510都是一个WirelessHART节点并且都具有路由功能。XDM2510有多种工作模式，通信速率固定为9 600 b/s，其自身具有休眠功能，同时具备唤醒MCU的功能，与微处理器之间采用标准的UART接口进行通信，如图5所示。微处理器可以使用命令任意修改 XDM2510内部的参数配置，如设备MAC地址、功耗等级等。

图5 XDM2510电路示意Fig.5 XDM2510 circuit schematic

此外，WirelessHART网络中，节点的电量是数据传输可靠性的一项重要参数，如有命令号“778”就是专门用于读取设备电池寿命的。在通信时，网络管理器会优先将信息路由到能量较强的路径，保证数据可靠传输。本系统中，电池电量管理使用TI公司的BQ20Z45芯片，该芯片采用阻抗追踪技术(Impedance TrackTM)，支持 SBS V1.1，采用 SMBus总线通信，能同时检测4节串联锂电池的电量，且具有电池平衡功能。系统主要读取电池容量、电池剩余电量、电压、电流、剩余工作时间等参数。

3 无线适配器软件结构

适配器主要任务是响应上位机发来的命令和定时报告设备的状态。软件流程图如图6所示。

图6 WirelessHART适配器软件流程Fig.6 WirelessHART adapter software flow chart

当适配器上电后，首先进行初始化配置，此时MCU将初始化串口、开定时器中断、清发送/接收缓存区、设置调制解调器的工作方式以及初始化UART、SMBus通信及定时器模块等工作。同时，XDM2510H模块也进入Boot阶段，并自动开始初始化和搜索WirelessHART网络，确认Network ID后与网关进行握手连接。初始化完成后，适配器进入信道监听状态，与此同时，用于定时报告的计数器开始计时，一旦计时时间到或者是上位机有命令发来，则唤醒节点，进入工作状态。如此时接收到上位机发来的数据，首先对数据进行解析，获取命令，然后执行命令;若是因为定时中断唤醒节点，则唤醒HART调制解调模块和AD转换模块，获取测量值和仪表的状态，并将数据打包加密，送入发送缓冲区，若此时链路建立成功，则启动数据传输。当所有工作完成后，节点再次进入休眠模式，以降低功耗。

为降低功耗，适配器设置了多种休眠和唤醒机制。主要分为模块级休眠唤醒和系统级休眠唤醒。当工作在模块级休眠唤醒状态时，系统只唤醒与本次任务相关联的模块，当本次任务完成之后，该模块立即进入休眠状态;系统级休眠唤醒则需要适配器整个系统中的所有模块同时被唤醒，并且当所有工作完成之后，整个系统才能进入休眠状态。任何一种休眠模式下，系统都至少会保留一个定时计数器工作，保证系统能定时报告设备状态。适配器的唤醒信号可以是内部中断信号、无线收发模块XDM2510的MT_RTS信号和来自HART调制解调器的中断信号。设置灵活的休眠唤醒机制，保证适配器能在多种情况下实现低功耗。

4 测试结果

测试时选取RFM公司开发的XDM2510HDK开发套件，网络由上位机、网关、3个无线HART节点组成，当 WirelessHART适配器成功加入 WirelessHART网络后，利用Admin Toolset可在上位机上获得网络的拓扑结构图，各节点用MIC地址来标识。测试时，设置WirelessHART适配器的MIC地址为:00－17－0D－00－00－19－3E－56，上位机获得的拓扑结构如图7所示，其中最右边的节点则表示新加入的WirelessHART适配器。

图7 WirelessHART适配器拓扑图测试Fig.7 WirelessHART adapter topological graph test

当WirelessHART适配器加入网络后，可以自主地向网关发送数据和接受网关发来的命令，经解析后执行。测试时使用测试字符串“WirelessHART A-dapter Number 1”来测试与网关的通讯，当网关接受到测试字符串后，则返回数字字符“11 22 33 44 55 66”，测试结果如图8和图9所示。

图8 WirelessHART适配器数据发送测试Fig.8 WirelessHART adapter data transmission test

图9 WirelessHART适配器数据接收测试Fig.9 WirelessHART adapter data receiving test

5 结语

在现今大量安装具有HART功能仪表的大环境下，WirelessHART适配器为升级现有有线测控系统提供了一种灵活的、低成本的解决方案。文中详细描述了WirelessHART适配器的工作原理，阐述了其硬件设计方案和软件工作流程，最后给出了WirelessHART适配器开发原型的测试结果。

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