【技术实现步骤摘要】
一种基于无线HART模块的通信系统及方法
[0001]本专利技术涉及HART通信
，尤其涉及一种基于无线HART模块的通信系统及方法。
技术介绍
[0002]无线HART通信技术是由HART通讯基金会(HCF)发布的第一个开放式的可互操作无线通信标准，用于满足流程工业对于实时工厂应用中可靠、稳定和安全的无线通信的关键需求。并且在正式发布的一年时间内就获得了国际电工委员会可公开获得的规范标准(IEC/PAS)，成为了一种公共可用的通讯规范，也是全球第一个获得国际认证的工业通信技术标准。同时它还兼容了原HART通信和控制系统，只要是基于HART的设备，在工具、应用软件和工作流程上，可以继续保留使用之前的方法和经验。经过长期验证，无线HART通信的可用性和继承性很好。
[0003]无线HART通信网络由三个部分组成：
①
工厂现场的无线设备；
②
连接现场设备到网络，或其他现有通讯网络的网关设备，作为一个网络连接点；
③
负责网络配置、调度、路由和监控的网关软件。管理软件一般和网关、主机应用程序或过程自动化控制器集成到一起。该无线网络协议为无线HART网络协议，工作在2.4GHz ISM频段，采用IEEE802.15.4标准兼容的支持逐个信道跳频的DSSS扩频技术，TDMA同步技术以及网络上设备间的延控通信技术。无线HART设备说明中还定义了具体的五种无线HART设备类型用于搭建无线HART通信网络，分别是现场设备、适配器、网关、手持通讯器和网络管理器。>[0004]无线HART通信技术由HART通讯协议进行描述，这是一种围绕OSI 7层通信模型建立的主
‑
从式通讯协议，现场的通信网络中，HART设备群体属于从属设备，而PC软件和HART手持通讯器分别是这一通信网络中的第一主设备和第二主设备，在通信中起着主导作用，即一般情况下只有当主设备发起请求时，从设备才会产生响应。在搜索网络时，现场的无线HART设备会主动发起入网请求，并通过发送射频信号传送到无线网关中，网关在接收到这一请求时，会为主应用程序提供一个访问现场设备的路径，让主设备进一步请求/接收设备的测量信息和配置信息。
[0005]目前无线HART现场设备的种类和供应的厂商有很多，通过对多数厂商现场无线仪表的研究，在无线HART通信功能开发上，以上采用的技术方案都是通过自研无线协议栈或采用无线适配器的方法进行开发，这两种技术方案都有各自的优势，但同时也存在局限性。
[0006]无线协议栈：协议栈又称协议堆叠，指的是计算机网络协议套件的一个具体的软件实现。这个协议套件指的是多个协议模块，按照OSI通信模型可以理解成其中的上下不同的协议层级，通常包括媒体，传输和应用层，多个层级之间的交互工作构就成了协议栈通信。在实现了无线HART协议栈的开发后，无线HART网络设备就能在自身软硬件的支持下，直接向无线HART网关发送/接收请求，与无线网络建立起通信，这整个过程中独立完成且满足无线HART协议栈的要求。
[0007]无线适配器：为了兼容原来的有线HART设备并且拓展设备的无线通信功能，部分
厂商提供了外接无线适配器的方法进行现场的无线通信。这种无线适配器本身就是一个标准的无线HART网络设备，并自带协议栈功能，只需要将其连接到原有线HART设备的通信接口，依靠其内部的软件功能就能自动获取到设备的测量和配置信息并上传到无线网络，被主站应用程序接收。而当主应用程序通过无线网络下发指令时，数据由无线适配器会自动接收并做相应的处理，然后转发给HART设备。适配器的这种通信中转的功能，能够实现网络设备和网关之间通畅的信息交换，是双方进行无线通信的桥梁。这种通信方法能够直接增加HART协议的无线能力，并且很容易完成HART设备的现场适配。
[0008]以上对现有技术方案的分析，包括了自研协议栈和外挂无线适配器这两种设备无线HART通信的方法，两种方法的根本区别在于是内置还是外置协议栈功能，下面将进一步剖析这两种技术方案的特点。
[0009]①
自研无线协议栈
[0010]自研协议栈技术的方法在产品的设计上体现出较大的优势，例如在硬件设计上，可以采用一体式的板卡设计，提高电路器件的集成度，缩小PCB板卡的结构尺寸，有利于产品的微型化设计和低成本；软件设计上，采用单板单芯片控制，有利于实现通信的时间同步、降低延迟，可经过最短路径到达上层应用层命令处理，通信处理高效及时。在结构设计上，这种电路方案还有利于做低功耗设计，从而优化了供电电池的容量和尺寸，利于设计和利用好设备内部腔体空间，使得内部的结构更紧凑。从这些方面可以看得出，通过自研协议栈模块的通信方法对整体产品的设计有比较多的优势。
[0011]但就无线HART协议栈的开发而言，开发内容涵盖了对无线通信物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层的多个协议层的开发内容，其中各个层级的软件设计内容和相关标准都比较繁琐，短期内很难对各个协议和标准有完整的解读和应用。所以协议栈的开发工作量大，开发任务周期长、具有一定的技术难点。并且在开发完成后需要完成产品的无线功能和协议栈的测试、认证等工作，而在这些补充工作上，仍然需要花费1年以上的时间，产品开发周期太长。目前无线HART通信在国内过程工业控制的推广度其实并不高，综上所述这种自研协议栈的开发在国内环境下还具有较大的局限性。
[0012]②
外挂无线适配器
[0013]外挂无线适配器的通信方法则具有明显的应用优势。在保持现有HART设备、命令和工具能力的基础上，这种直接在有线HART设备上外置协议栈的无线通信方法能够比第一种方案能更加方便快捷地兼容并扩展到原来的有线HART现场设备上，并且不需要对现场的工程做很多的改造就能马上适用，比较符合现场无线通信工程改造的需求。但这种通信方法虽然给现场应用带来了方便和快捷，实际使用的效果来说却没有内置协议栈的效果好。通信时由于需要实现有线通信与无线通信之间的转发，而有线HART通信速率低，即波特率只有1200bps，再加上无线网络本身不可避免的延迟，会导致通信的延迟比较高，信息同步滞后；由于应用在过程工业环境下的绝大部分设备都需要有防爆认证的资质，并且对于适配器这种有源设备的防爆要求更加严格，这就使得适配器的结构和电路设计有更高的要求。适配器电气接口还需要能够支持现场设备的所有电气接口类型。另外，不同厂商提供的适配器可能在设计原理上存在差异，有些适配器需要搭配固定的网关型号才能适配，与不同型号的网关设备间的兼容性较差，这对现场通信的改造会带来困难。
[0014]综上所述，目前开发和测试认证的周期长，具有一定技术难度；通信延迟高，信息
同步缓慢，适配器结构、电路设计要求高，与不同网关之间的兼容性差等，现有技术期望在通信性能和应用便捷性上寻求一个平衡点。
技术实现思路
[0015]本专利技术的目的是提供一种基于无线HART模块的通信系统及方法。
[0016]本专利技术所提供的一种基于无本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于无线HART模块的通信系统，其特征在于，包括：通信模块和主控卡件，所述通信模块设置在主控卡件上；所述通信模块包括：电源单元、射频单元、射频天线、主控单元、通信接口、外部晶振，所述主控单元分别与电源单元、射频单元、通信接口及外部晶振电性连接，所述射频单元分别与所述电源单元、射频天线电性连接；所述通信模块分别与主控卡件和网关通信连接。2.如权利要求1所述的一种基于无线HART模块的通信系统，其特征在于，所述无线通信模块和主控卡件通过PCB板间的高速串口进行通信，所述无线通信模块和网关之间通过调制解调2.4GHz射频信号进行通信，两个通信接口均采用HART协议的数据链路进行数据传输；所述主控单元和射频单元上设有屏蔽层，在射频芯片和MCU区域内设计金属屏蔽层。3.如权利要求1所述的一种基于无线HART模块的通信系统，其特征在于，所述主控单元采用NXP
‑
MKW21D512VHA5无线收发芯片；所述射频单元采用TI
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CC2590芯片。4.如权利要求1所述的一种基于无线HART模块的通信系统，其特征在于，所述无线HART通信模块还包括通信协议栈，所述通信协议栈基于OSI
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7层通信模型，应用于通信应用层、传输层、网络层、链路层和物理层，其中，物理层用于进行无线信号的收发调度；链路层用于对收到的信息进行处理拆分、设备链路同步和上线的工作，对网络层下发的数据进行地址信息匹配、选择路径并打包进行发送；网络层用于接收或传输给应用层HART命令，处理链路层上传的数据以及应用层回复的数据，然后下发回给链路层，再经由物理层发送出去；应用层用于将模块通过UART串口直接传输命数据令到应用层，在处理完数据将通过UART串口传输命令数据。5.如权利要求1所述的一种基于无线HART模块的通信系统，其特征在于，所述HART通讯形式包括：模块和主控卡间串口通信，HART无线通信和有线通信。6.如权利要求5所述的一种基于无线HART模块的通信系统，其特征在于，模块和主控卡间串口通讯协议包括：串口设置，包括通讯波特率、数据起始位、数据位、校验方式、停止位及帧校验；链路数据格式，包括分隔符位、地址位、扩展字节位、命令位、数据字节数、数据位及检验字节；应用协议，对支持HART应用层的HART命令进行定义...
【专利技术属性】
技术研发人员：陈耀清，佟志权，孙建，林盛，丁鑫，刘文斌，郭飚，
申请(专利权)人：浙江中控传感技术有限公司，
类型：发明
国别省市：
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