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1、WirelessHART在实时工业过程控制中应用的无 线通信技术WirelessHARTlWirelessHART概要lWirelessHART工作原理lWireless HART的架构lWireless HART的构建WirelessHART概要1.1 HART1.1.1HART简介1.1.2 HART的工作原理 1.1.3 HART的特点 1.2 Wireless HART1.2.1 Wireless HART简介1.2.1 Wireless HART技术的组成部分WirelessHART概要v1.1.1 HART简介HART （Highway Addressable Remote Tra
2、nsducer) 可寻址远程传感器高速通道的开放通讯协议,是美国罗斯蒙特公司于 1985 年推出的一种用于现场智能仪表和控制设备之间的通讯协议。是 智能仪器通信的全球标准,其最新版本为7.0。HCF（HART Communication Foundation ） HART通信基金会是一个国际性的、非盈利的会员制组织，它支持 和促进HART通信协议标准和技术的广泛使用。 其成员主要包括 Rosemont、ABB、Emerson、GE、Honeywell、Siemens等公司。WirelessHART概要v1.1.2 HART的工作原理HART协议利用贝尔202频移键控（FSK）标准（频率 为12
3、00Hz的正弦波表示“1”，频率为2200Hz的正弦波表示 “0”）将低电平的数字通信信号叠加在4 - 20mA模拟信号之 上。 HART以1200 bps的速率通信，而不影响4 - 20mA信号 ，并允许一个主机应用程序（主设备），从智能现场设备 每秒获取两次或两次以上的数字更新。由于数字FSK信号 是相位连续的，因而不会对4 - 20mA信号造成干扰。WirelessHART概要Figure1. 频移键控（FSK）WirelessHART概要v1.1.3 HART的特点1、多变量设备 2、实时调整量程 3、实时状态报告 4、在线远程故障诊断 5、通信灵活WirelessHART概要v1.2
4、.1Wireless HART简介无线HART是专门为过程测量和控制应用而设计的第一个 开放的无线通信标准，作为HART7规范的一部分于2007年9 月正式发布。 无线HART协议是一种安全的基于TDMA（Time Division Multiple Access 时分多址）的无线网格网络技术，工作 于2.4GHz的ISM（Industry Science Medicine)频段,采用 直接序列扩频技术（DSSS）和信道跳频技术。WirelessHART概要v1.2.2 Wireless HART技术的组成部分1，网关（Gateway） 2，网络管理器(Network Manager) 3，安
5、全管理器(Security Manager) 4，中继器(Repeater) 5，适配器(Adapter) 6，手持终端(Handheld)WirelessHART工作原理Figure .2 WirelessHART 工作原理图Wireless HART的架构3、 Wireless HART架构 Wireless HART协议栈包括五个层次： 1）物理层 2）数据链路层 3）网络层 4）传输层 5）应用层 另外还包括中央网络管理器和通信调度系统Wireless HART的架构Figure .3 Architecture of HART Communication ProtocolWireles
6、s HART的架构v3.1 物理层无线HART协议物理层主要是依据IEEE STD 802.15.4- 2006的2.4GHz直接序列扩频物理层。这一层定义了无线 电特性，如信令方法，信号强度和设备灵敏度。 正如IEEE 802.15.4标准，无线HART工作在2400- 2483.5MHz无需申请的免费ISM频段，数据传输速率高达 250千比特/秒。其信道的编号从11至26，相邻信道的间隔 为5MHz。Wireless HART的架构v3.2 数据链路层Figure .4 WirelessHART Data Link Layer ArchitectureWireless HART的架构数据链
7、路层主要特征： 1，时间同步数据链路层（time-synchronized DLL）； 2，用超帧（Superframe）的概念表示一组连续的时隙； 3，采用TDMA的MAC协议，每个时隙（slot）长 10ms ，每秒包含100时隙，15个信道； 4，空闲信道评估（Clear Channel Assessment）; 5，信道黑名单（Channel Black Listing） ; 6，按优先级别的信息传输 ; 7，可调整发射功率 。Wireless HART的架构v3.2.1 接口(Interfaces)MAC层和物理层之间的接口描述物理层提供的 服务原语，MAC层和网络层之间的接口定义了
8、网 络层提供的服务原语。Wireless HART的架构v3.2.2 定时器(Timer)定时器是一个基本的Wireless HART模块。它提 供精确的计时系统，以确保系统正确的操作。在 无线HART时隙中对具体时序的要求如图5所示 。Wireless HART的架构Figure 5. WirelessHART Slot TimingWireless HART的架构v3.2.3 通信表(Communication Table)每个网络设备维护一个数据链路层中表的集合。超帧表 和链接表存储网络管理器创建的通信配置；邻居表是一个 该设备可以直接到达的邻居节点的列表，图表用于网络层 和记录路由信息
9、 。Wireless HART的架构v3.2.4 链路调度(Link Scheduler)链路调度的功能是基于超帧表和链接表的通信调度之上 ，以确定下一个被服务的时隙。这些因素，诸如事务优先 级，链路变化，以及启用和禁用超帧都使调度复杂化。每 一事件都可能会影响链路调度从而造成链接表重新评估。Wireless HART的架构v3.2.5 消息处理模块(Message Handling Module)消息处理模块缓冲区将来自网络层和物理层的 包分开。Wireless HART的架构v3.2.6 状态机(State Machine)在数据链路层，状态机由三个主要部分组成：TDMA状 态机，XMIT
10、和RECV引擎。 TDMA状态机负责执行事务和调整定时器时钟。XMIT和 RECV引擎直接与硬件接触，通过无线收发器分别发送和接受数据包。Wireless HART的架构v3.3 网络层和传输层网络层和传输层协同工作，为网络设备提供安全可靠的 端到到的通信。 为了支持网格网的通信技术，每个无线HART设备需要 能够作为路由为其他设备转发数据包。无线HART定义了两种路由协议： 图路由(Graph Routing)源路由(Source Routing)Wireless HART的架构v图路由：图是连接网络节点的路径的集合。每个图中的路 径是由网络管理员明确的创建并下载到每个独立的网络设 备中。为
11、发送一个数据包，源设备在网络开头写入一个特 殊的图号（由目的地决定）。所有的网络设备到目的地的 路径都必须预先配置，它指定了包可能被转发到的邻居节 点。v源路由：源路由是图路由的补充，针对网络诊断。为将包 发送到它的目的地，源设备包含在包头，一个包必须经过 的设备序列。当包被转发，每个路由设备使用列表中下一 个网络设备地址，以确定下一跳，直到到达目标设备。Wireless HART的架构Figure 6. WirelessHART Mesh NetworkingWireless HART的架构v3.4 应用层应用层是无线HART的最高层。它定义了各种设备的命 令，响应，数据类型和状态报告。在无
12、线HART中，设备 和网管之间的通信是基于命令和响应。应用层负责解析消 息内容，提取命令编号，执行指定的命令，并产生响应。 Wireless HART的架构v3.5 安全架构无线HART是一个安全的网络系统。MAC层和网络 层都提供安全服务。MAC层使用MIC（Message integrity code ）提供跳-跳的数据完整性。发送者和 接受者都使用AES-128的CCM*(Counter with CBC- MAC)模式作为根本的区块加密方式以生成和比较 MIC.网络层采用不同的密钥，为端-端的通信提供保密性 和完整性。在安全架构中定义了四种类型的密钥：Wireless HART的架构v
13、公共密钥：被加入设备使用生成MAC层的MIC。v网络密钥：被所有网络设备共享，并且被网络中现有设备 使用来生成MAC层的MIC。v加入密钥：每个网络设备唯一，并在加入过程中由网络管 理器验证加入设备。v会话密钥：由网络管理器生成的在两个网络设备的端端 的连接中是唯一的。提供了端-端的保密性和数据完整性。Wireless HART的架构Figure 7. Keying ModelWireless HART的构建4、 WirelessHART的构建 4.1 硬件平台 4.2计时器和定时器中断 4.3 同步 4.4 状态机的设计 4.5 网络数据模型设计 4.6 安全Wireless HART的构建
14、4.1 硬件平台 freescale MC1321X评估套件。v40MHz 8-bit HCS08 MCUv2.4GHz无线收发器，兼容IEEE802.15.4标准v可编程的60 KB的闪存和4KB RAM内存v多个16位定时器vUSB端口v3轴加速度传感器和温度传感器v4个LED和开关用于显示，监测和控制开关Wireless HART的构建v4.2 计时器和定时器中断无线HART对每个网络设备都有非常严格的时序要求。 一个10ms的时隙又进一步被划分成几个时间间隔。每个 长度从100us到4.5ms不等。我们使用一个单独的16位TPM（定时器/脉宽调制模块 ）模块来实现计时器。TPM模块的输
15、入时钟被设置到总线 时钟（16MHz）。TPM模块包含一个自由运行计数器和一 个比较计数器。每当自由运行计数器等于比较计数器，一 个定时器中断就被触发 。 Wireless HART的构建预分频器设置为16。因此，每个定时器的精度 是1us，已经足够精确满足无线HART的MAC层的 需求 。通过改变TPM模块的内部分频器，我们可以改变 定时器的时钟频率 如下面公式：ftimerclock = fbusclock / prescalerWireless HART的构建v4.3 同步对于每个进入的（DLPDU）数据链路协议数据单元 ，节点都记录了DLPDU的第一位到达的时间。由于严格的 时隙结构，
16、一个节点可以根据接收到的数据链路协议数据 单元推导出下一时隙的起始。依据如下公式： Tnext slot = arrival time + 10ms TsTxOffsetWireless HART的构建v4.4 状态机的设计无线HART的MAC层最主要的部分是一个复杂 的状态机。每个运行的状态机包括以下三个步骤 ：1，呼叫链路调度服务，以确定下一个被服务的时 隙。 2，从定时器接收到“时隙开始”事件，使ASN增加 1。 3，当轮到服务步骤1中的给定的时隙时，执行相 关的事务。Wireless HART的构建大部分状态机中的代码与一个执行的事务相关联。我们 在状态机中定义了六种状态：v加入：在这种状态下，设备尚未得到网络管理器的授权。当成功加入 网络后，它便进入空闲状态。v空闲：当设备成功加入网络，或者结束传递/接收数据包时，它进入这 种状态。v会话：当准备好发送数据包时，状态机进入此状态，并调用XMIT（发 送）引擎。v等待应答：当一个非广播的数据链路协议数据单元成功地传输，状态 机进入这种模式。v监听：此状态下，状态机调用RECV（接受）引擎等待即将传入的数 据
