引言

随着科技的不断发展和创新，IT技术已渗透到社会的各个领域，信息化程度无疑成为衡量一个企业核心竞争力的重要因素。在工控领域中，由于自动化水平的不断提高，工业控制对信息的需求已不再仅仅局限于过程变量。设备运行状况及自检信息的重要性日益凸显，如何有效利用这些信息，对提高设备利用率、预防意外停机、最大限度规避生产风险意义重大。统计数字显示，由于传统模拟系统的限制，在现有已投入运行的有线HART设备中，只有不到25%的HART设备能将数字信息（包括诊断信息等）传回控制系统或设备管理系统中，单靠传统的人工现场巡检已无法满足对设备（尤其是重要设备）的有效监控。本文提出一种无线HART适配器，将滞留在有线HART仪表中的数字信息（包括诊断信息等）及时传回控制系统或设备管理系统，为上层决策提供重要依据。

1 无线HART介绍

如图1所示，与HART协议相比，无线HART协议将HART协议中保留的4～20 mA模拟信号也完全由数字信号代替，在向下完全兼容HART协议的基础上添加了网络层，使用了OSI参考模型中的1、2、3、7层。其中物理层主要实现信道编码级RF硬件驱动，数据链路层主要实现MAC协议，网络层主要实现路由算法及资源分配，应用层实现人机交互界面，为上层操作提供接口。

图1 无线HART体系结构

1.1 无线HART的技术要点

为了满足工控领域对信息传输的要求，无线HART协议在IEEE802.15.4标准的基础上，针对工厂复杂环境，提供公共频段（全球通用免许可证的2.4 GHz ISM频段）下的高可靠无线网络通信技术，其主要技术要点有：

跳频技术——无线HART协议在DSSS的基础上引入了FHSS，采用基于信道状态的自适应跳频机制，从而可以有效抑制信号在传输过程中的突发性干扰，消除频率选择性衰减。

时间同步——将CSMA和TDMA相结合，充分发挥TDMA和CSMA各自的优点，弥补二者缺点。因此无线HART可以在支持工业自动化周期性通信和非周期性通信的同时满足实时和低能耗的要求。

可靠Mesh网——在网络层采用了智能Mesh网络技术，设备加入网络后，可以自主选择由网管分配的多条数据传输路径。当一条路径由于干扰被中断时，设备可以自动切换到其他通信质量较好的路径。无线HART在传输层采用了面向连接的数据传输技术，通过端到端的重传机制保证数据传输的高可靠性。

智能网关——采用智能网管技术，监控网络中设备的状态，将设备和网络的异常信息报告给用户，使用户可以根据这些诊断信息来调整和优化网络中的资源分配，从而适应动态变化的环境和应用需求。

1.2 无线HART网络的组成

无线HART网络的组成如图2所示。

图2 无线HART网络

无线现场设备：可以是具有无线HART类型的现场设备，也可以是“有线HART+无线HART适配器”类型的现场设备，后者主要是从工控领域现状出发，提供的一种低成本的无线HART方案。

网关：提供现场设备与高速骨干网或其他现有工厂通信网络的主机应用程序通信。

网络管理器：负责配置网络、调度设备之间的通信、管理邮件路径以及检测网络状态等。当信息无法通过一条路径到达其目的地时，网络管理器则会自动重新路由到已知良好的冗余路径，避免了数据的丢失，从而保证数据的可靠传输。无线现场设备、网关和网络管理器是无线HART规定的3种主要网络组成要素。

安全管理器：负责管理和分配安全加密密钥。其中，网关、网络管理器和安全管理器可以集中在一台服务主机中。

中继器：主要是为了扩大无线HART网络的范围，在网络较小的情况下可以不用使用中继器。

适配器：是一个插入现有的具有HART功能的仪表的设备，通过无线HART网络将仪表中的数据传输给主机。

手持终端：可有两个版本。在第一种情况下，手持终端将是一个标准的HART FSK配置单元（只添加新设备的DD或DOF文件），就像日常任务如日常维护和校准检查中所使用的一样。对于无线支持的情况，手持终端用来将新仪器加入到现有的无线HART网络。在第二种情况下，手持终端到网关、然后再到仪器的无线HART连接，可用于读取过程变量（PV）或诊断之用。

1.3 无线HART与HART的比较

易于安装和调试：与有线HART设备相比，无线HART设备安装方便，省去了繁杂的布线操作，降低了安装和布线成本；大大降低了调试或诊断时的工作量，调试人员不用亲临现场，在控制室便可实现对设备的在线调试和诊断工作；可与其他无线网络共存，并支持星形或网状拓扑结构，可有多种电源选项。

全数字化通信：无线HART中数字信号完全取代了传统的4～20 mA模拟信号，实现了全网数字化通信。

网络鲁棒性好：无线HART网络具有很好的自我组织和修复能力，可以根据新设备加入或基础设施的改变而进行自动调整；采用网状网，提供多个接入点，消除网络瓶颈，能及时监控路径退化从而进行自我修复。

网络可靠性高：遵循IEEE802.15.42006标准，工作于全球通用且无需许可证的2.4 GHz频段；采用信道跳频技术，避免干扰，对可用频道进行“清晰频道评估”测试从而避开常用频道；利用时间同步，准时传输信息；能及时调整通信路径以获取最佳性能，并能在中间节点出现故障时寻找替代路径，绕过障碍，从而确保信息的顺利传输。

多种安全策略：采用强大的安全性措施，时刻保护网络和数据。设备加入网络需使用轮流的加密密钥，每条消息都有唯一的加密密钥，采用业界标准的128位AES加密算法对信息进行加密；采用信道跳频、调节发射功率、多级安全密钥及报告消息完整性检测等措施来保护无线网络，具有抵抗来自WiFi型因特网攻击的安全性。

良好的互操作性：无线HART协议强制所有的兼容设备必须支持可互操作性。也就是说，不通过制造商提供的无线HART仪表和设备，无需进行系统操作，就能实现互换，即连即用。而且无线HART要向后兼容与HART的核心技术，如HART的命令结构和设备描述语言DDL，所有的HART设备都应支持DDL。

2 硬件设计

如图3所示，硬件设计主要由数据收发模块、微处理器和信号分离/合成模块组成。其中微处理器选用MSP430双串口系列单片机，无线收发模块选用TI公司的第二代ZigBee/IEEE 802.15.4 RF收发器CC2520；信号分离模块主要完成HART数字信号的分离。

图3 硬件框图

2.1 信号分离/合成模块介绍

如图4所示，信号分离/合成模块主要由HT2012调制解调器、D/A转换器、滤波器及其辅助电路组成。其中低通滤波器完成FSK信号从4～20 mA线路上的分离，经波形整形电路进入调制解调器，再由调制解调器将数字信号送至MCU处理。

图4 信号分离/合成模块

调制解调器选用SMAR公司生产的符合Bell 202标准的CMOS微功耗FSK半双工调制解调器HT2012。该芯片是设计过程控制仪器检测和其他低功率装备中提供HART通信功能的专用芯片，由时钟频率、解调器、调制器和载波检测4个主要功能模块组成，需要460.8 kHz外时钟输入，3～5 V供电，使用1200/2200 Hz Bell 202信号频率，CMOS、TTL兼容，16引脚DIP和28引脚PLCC封装，5 V供电时工作电流80 μA，HT2012与MCU交换数字信号，同AD421作模拟信号接口。一方面与MCU的异步串行通信接口进行串行通信，一方面将输入的不归零数字信号调制成FSK信号，再经AD421叠加在4～20 mA回路上输出，或将回路中信号经带通滤波、放大整型电路后取出FSK信号解调位数字信号，通过无线发送给上位机。

为将数字频率信号转换为±0.5 mA的频率信号，叠加在两线的4～20 mA电流环上，还需要附加耦合电路，ADI公司的AD421是专为HART协议智能仪表设计的，包括4～20 mA电流环的16位D/A转换器。它与HART协议兼容，其开关电流源和滤波器功能块，可由HART电压信号向±0.5 mA电流信号的转换。

2.2 微处理器及无线模块选型

微处理器选用美国德州仪器生产的MSP430双串口系列单片机，该单片机是一种16位超低功耗、具有精简指令集的混合信号处理器，并能很好地满足超低功耗以及高复杂度处理的要求。

无线模块选用TI公司第二代ZigBee/IEEE802.15.4 RF收发器CC2520，主要用于2.4 GHz的ISM频段，性能满足本设计的需求。

3 软件设计

3.1 适配器工作流程

适配器的主要工作是定时自检，定时向上位机发送HART设备的数字信息和响应由上位机发来的命令，如图5所示。当适配器上电或看门狗复位后，首先进行初始化，如波特率设定、串口工作方式、清通信缓冲区、开中断等。

图5 适配器工作流程

图5为适配器的基本工作流程，在初始化成功后适配器便开始监听信道，一旦上位机有命令发来，HT2012的载波检测口OCD变为低电平，触发中断，启动接收，程序就进入接收部分。然后完成主机命令的解释，并根据命令去执行相应的操作。最后按一定的格式生成应答帧并送入通信缓冲区，启动发送，完成后关闭SCI。

数据传输完毕，微处理器进入休眠状态，当有数据需要处理或定时时间到时，节点将被唤醒进行相应的处理，根据具体情况判断是否需要发送数据。如果需要则启动无线模块进行数据传输（在设备定期自检正常的情况下是不需要与上位机通信的），传输完成后继续进入休眠状态，直至下一个定时时间到或被新的中断唤醒。传输失败则在一定次数内重试发送，若失败次数超限，则启动异常处理程序。

3.2 软件节能策略设计

为了最大限度地降低能耗，适配器节点的设计均采用低功耗元件。MSP430系列单片机的多种低功耗模式，为软件编程提供了极大的灵活度和选择空间，可以根据具体情况通过软硬件相结合的手段使适配器中未用到的元件断电。适配器的主要工作是提供HART设备相关的诊断信息、设备状况和状态信息、设备的调试及校准信息、读取设备所提供的额外测量值等数字信息。这些信息并不需要实时监控，定时的读取即可满足设备维护的需求。而这些信息的读取主要是由信号分离模块来完成的，可以通过软件编程结合硬件电路来灵活地使能该模块，在需要提取数字信息的时候使该模块上电工作，不需要的时候则可令其休眠。在软硬件设计过程中必须遵循节能和模块化设计的原则，只有在用到某一功能时才由微处理器使能相应模块并使其工作。

结语

伴随着工控领域的数字化进程和无线技术的日趋成熟，无线技术进入工控领域已经毫无疑问，两者的结合必将为工控领域带来新的利益增长点。而将嵌入式系统与无线网络技术结合起来，能大大改善工业中数据传输的局限性，也可以降低现场设备安装以及线路的铺设成本，更是未来工业中数据传输的一大发展趋势。但同时也应该认识到，无线和有线并不是一种取代和被取代的关系，应该把无线通信看成是现有有线通信的一种发展和重要补充，而绝非一种替代，只有这样才能各取所长，更好地服务于实际应用。