李庆勇;周辉;王洪君
【摘 要】针对现场已有HART仪表设备,实现无线化成本高的问题.基于WirelessHART网络协议,提出并设计一种低成本、低功耗的无线HART适配器设计方案对现场HART设备进行无线升级.该设备通过支持有线HART技术和WirelessHART协议,将HART设备接入到WirelessHART网络中.硬件部分主要包括微处理器模块、无线收发模块、HART信号调制与解调模块以及电源模块.软件设计是基于WirelessHART网络协议,采用μC/OS-II作为其操作系统.并对适配器进行实际的入网测试,实验表明所设计的适配器能够加入WirelessHART网络进行无线数据通信并具有低功耗特性,可以应用于实际现场对HART设备无线升级.%Due to the high expense for wirelessly updating HART instruments,a wireless HART adapter which is low cost and low power consumption was presented based on WirelessHART protocol.This adapter supports wire HART technology and WirelessHART protocol and can connect HART instruments into WirelessHART network.The hardware design included micropro-cessor module,wireless transmission module,HART modulation and demodulation module
and power module.Software design was based on WirelessHART protocol,using μC/OS-II as its operating system.The test result shows that the designed WirelessHART adapter can join in WirelessHART network to communicate and has the low power consumption property,so it can be used to up-date HART instruments wirelessly.
bigbang胜利【期刊名称】《仪表技术与传感器》
【年(卷),期】2018(000)001
【总页数】5页(P56-59,75)
【关键词】HART仪表;WirelessHART;网络协议;适配器;调制与解调
【作 者】进入注册表命令李庆勇;周辉;王洪君
【作者单位】山东大学青岛校区公共(创新)实验教学中心,山东青岛 266237;山东大学教学促进与教师发展中心,山东青岛 266237;山东大学信息科学与工程学院,山东济南 250100
【正文语种】中 文
【中图分类】TP299
佟丽娅结婚伴娘是谁0 引言
随着现代科技网络的发展，传统的网络逐渐被取代，以HART发展最为典型，HART通讯协议主要是使用通信标准的FSK技术，在原先的4～20 mA模拟信号的基础上迭加FSK信号，通过逻辑1和0分别代表1.2 kHz、2.2 kHz的信号[1]，通过这种协议方式可以使模拟信号与数字信号之间相互通讯。HART无线适配器可以与配套的网管设备实现现场有线HART仪表通过报文无线转发的方式与上位机系统建立连接，从而实现现场设备的远程访问和智能操作[2]。但是在工业现场铺设线路繁琐，后期维护成本高，并且随着无线技术，尤其是工业无线短程网络的发展，HART基金会提出了wirelessHART通信协议，所以需要对现场HART设备进行无线升级[3]。
而将现有的大量HART设备进行改装或重新布置，将会需要大量财力。所以本文设计了wirelessHART设配器，其通过有线和现场已有HART设备进行连接，然后通过无线接入WirelessHART无线网络。
感恩母亲节的句子1 WirelessHART网络
基于IEEE802.15.4协议的WirelessHART网络，是一种集中管理的无线网络，且采用2.4 GHz宽带信道[3]的工作频率，2.4 GHz的工频可以使用直接序列扩频技术和跳频扩频技术，用此方法来保证网络的安全性和可靠性等性能，并采用时分多址的同步、隐式报文控制通信技术进行网络设备通信[4]。WirelessHART的通讯协议必须能够实现对传统的HART硬件的升级以及无故障的应用。
图1是WirelessHART网络系统图，由图1可知，无线现场设备、适配器和无线网关[5]是构成整个网络系统的主要硬件设备，其中无线现场设备在实际应用中主要是工作的应用设备，在此设备中必须是具有WirelessHART功能的设备或者是升级过具有WirelessHART适配器的传统HART。在WirelessHART网络中，网关由无线接入点、网络管理器和网关接口3部分组成，负责配置、连接和管理网络并与主机连接。
图1 WirelessHART网络系统图
2 系统适配器的硬件设计
本系统所设计的适配器是为了适应市场的需求，针对传统的有线HART仪表，将其系统地
改为WirelessHART仪表，使其能够接入WirelessHART网络中。因此当给系统升级的时候，系统中的适配器一定要能够兼容HART和WirelessHART两种通信，且能对HART命令[6]进行相应的设置和处理，又因为适配器不是一直处于工作状态且采用的是干电池供电，为了延长电池使用时间，适配器必须进行低功耗设计。所以，必须选择具有低功耗和具有睡眠模式的硬件设计。
2.1 系统的结构框图
WirelessHART的硬件部分主要组成部分包括CPU处理模块、无线收发模块、调制解调模块和电源模块等。如图2所示为本系统的结构框图，由图2可知CPU采用的是主控芯片EFM32GG230F512，主要负责系统数据的处理和存储。本文的无线模块采用AT86RF233作为收发器，FSK调制解调器选择AD5700。电源模块以充电管理芯片TP4057和稳压芯片XC6206对锂充电电池进行管理。
图2 适配器设计结构框图
2.2 处理器和无线收发模块
陪护证明主控芯片EFM32GG230F512是一款的32位的ARM Cortex-M3构架微控制器，系统采用48 MHz的外部时钟，该微处理器具有多种外扩设备接口和灵活的系统能耗管理能力。其是全球最低功耗32位微控制器，在关断模式下功耗为20 nA/MHz，在停止模式下为0.8 μA/MHz，睡眠模式下为80 μA/MHz，正常模式下为219 μA/MHz。其超低功耗的特性非常适合电池供电的无线HART适配器。
AT86RF233是低功耗射频芯片，在2.4 GHz频段产生的功耗较其他芯片相对较低，它支持多种通讯协议：IEEE 802.15.4、ZigBee、WirelessHART等。AT86RF233的SRAM具有128字节缓存空间，灵敏度在-101 dBm，工作电压为1.8～3.6 V；数据传输率最大可达到2 Mb/s，且AT86RF233在深度睡眠时的最低功耗为仅有0.02 μA。
图3为处理器模块和无线收发模块连接原理图。处理器通过引脚PE10～PE13以及引脚PC12～PC15分别与AT86RF233的SPI接口和控制口相连。AT86RF233需要外部电压电源和石英晶振，系统通过巴伦电路(Balun)将AT86RF233的RFP与RFN引脚的差分RF信号转换为单端RF信号。
灭菌图3 处理器与无线收发模块原理图
图4 HART信号调制解调设计原理图
2.3 HART信号调制解调模块
本文采用的调制解调芯片是AD5700，是一款高度集成的芯片，具有检测、调制、解调和信号生成功能，通讯采用标准的串口通讯，可以独立使用，也可以禁止调制器和解调器，被广泛使用在HART通讯方案中。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CD引脚为高电平时。表示检测到有效载波，此时*RTS置为高电平，内部FSK解调器被使能，开关断开，HART信号通过外部带通滤波电路(R6、R7、C17、C18)进入ADC_IP引脚，此时有效的载波信号将被解调。当*RTS为低电平时，内部集成的FSK调制器被使能，开关闭合，HART_OUT引脚输出标准的通讯信号，然后再经过R11，C14耦合到4～20 mA回路中。
2.4 电源模块设计
整个适配器采用3.7 V/4 000 mAh锂充电电池供电。图5是其充电电路和电源稳压电路。充电管理芯片TP4057和稳压芯片XC6206能够提供稳定的3 V电压。XC6206是一款高精度、
低功耗、高电压、正电压调整芯片。其失稳电压只有160 mV，所以非常适用于将3.7～4.2 V的电池电压转成3 V的电压[7]。
图5 适配器电源模块设计原理图
3 系统的软件设计
本系统的软件主要是以WirelessHART的传输协议和μC/OS-Ⅱ操作系统[8]作为本文的软件设计基础，该操作系统相对于其他操作系统具有源代码开源、移植方便、操作简单且实用性强的特点。由于操作系统相对于裸机而言提高了系统的运行速度且代码编辑思路清晰易于查问题，所以提高了整个设计的开发效率。
系统的软件主要根据实际应用中的功能特点设计而成，主要分2个模块：一是根据无线HART底层的通讯协议，实现系统无线HART的通信功能；二是与传统HART的通讯功能，实现系统与传统HART设备的通信以实现数据的交换。
图6为适配器软件设计流程图，适配器上电后，首先进行硬件初始化配置，包括配置串口、清接收/发送缓存区，并通过串口对无线收发模块和HART信号调制解调信号模块进行控制
和信号传输。同时，进行WirelessHART协议初始化，并通过AT86RF233无线收发模块开始搜索WirelessHART网络，确认Network ID后与网关进行握手连接。当适配器加入网络后，为节省用电，适配器进入睡眠模式。在睡眠模式时，适配器监听信道和载波信号。当有无线信号时，唤醒适配器，读取缓冲区的数据然后解析获得命令号，并根据命令号执行相关操作。同样如果检测到有效载波，适配器也被唤醒，然后开始解调HART信号，并将数据包打包，然后通过无线模块建立数据链路进行无线发送[9]。
图6 适配器软件设计流程图
4 测试结果
适配器的入网测试使用的是AwiaTech公司开发的网关套件和上位机程序。测试内容为测试所设计的WirelessHART适配器能否加入WirelessHART网络并进行数据传输。首先是运行上位机软件并通过路由器将网关与PC机连接，如图7所示，PC机与WirelessHART网关是有线连接，网关的IP地址为“192.168.1.100”。
图7 WirelessHART网关与PC机连接示意图
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