一种分层簇状网络结构无线HART通信方案的研究与设计

摘要

HART(Highway Addressable Remote Transducer)是高速可寻址远程变换器协议的简称，它是一种用于现场智能仪表和控制室设备之间的通信协议。自1985年由美国Rosement公司提出以来，由于兼容传统4～20mA模拟系统的HART通信协议具有诸多优点，它迅速的占领了市场，并不断地进行扩大和发展，目前已被世界上三分之二以上的现场设备所采用，成为智能工业控制领域事实上的国际标准。 工业无线技术是继现场总线之后，工业控制和自动化系统领域的又一热点技术，是降低工业测控系统成本、提高工业测控系统应用范围的革命性技术，也是未来几年工业自动化产品新的增长点。现场总线和无线通信技术的结合将使无线通信迅速进入工控领域的现场设备层。随之将带来一系列好处：降低投资成本；节省安装时间，降低使用成本；灵活，易于改造；覆盖有线不可达的区域；易于使用和维护。 针对HART的广泛使用现状和工业无线的需求两方面的考虑，本文提出了一种将HART现场总线与无线通信技术结合的无线HART通信方案。首先介绍了有线HART协议规范，分析了从有线HART过渡到无线HART的网络结构的变化，总结了无线HART通信网络的应用环境特点，分析和比较了无线通信网络常见的拓扑结构，选取了适合现场智能仪表过程控制应用环境的星－网分层簇状网络结构作为无线HART通信的拓扑结构，随之对由通信方式以及网络结构的改变带来的无线HART层次模型变化进行了重新界定，并对各层进行了阐述。接着在前面的基础上对无线HART分层簇状网络结构及网络设备节点进行了详细设计，并以现场设备节点为代表，给出了重要的功能模块电路及接口电路设计。最后给出了无线HART通信方案的软件设计：为增强网络可靠性和鲁棒性，采取了双簇头工作机制，重点对双簇头网络建立过程进行了设计；根据无线HART网络的应用需要，定义了两种通信模式；给出了关键数据结构设计；阐述了数据接收和数据发送的详细流程；给出了分层簇状无线HART网络的一套实现和测试方案。