CN110545553B - 树形/网状双层架构的无线hart网络和时间同步方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种树形/网状双层架构的无线HART网络和时间同步方法。网络由无线HART现场设备、网关和唯一的网络管理器组成；借鉴超级计算机的集群架构，提出树形/网状的双层架构；上层树形网络包括无线HART网络管理器和网关，遵循选取的通信协议；下层网状网络包括网关和现场设备，遵循无线HART协议。树形/网状架构具有高可靠性；时间同步层次减少，提高了同步精度。BD授时时间同步时，树形蜕变为星形，进一步提高了同步精度。TPSN时间同步时，收/发报文的提取/填写时间戳均在MAC层，且只在分配的时隙槽内启动同步，降低了收发和访问时延的不确定性，又提高了同步精度。非同步时刻的时间同步校正，克服同步精度随时间推移下降的缺陷，再次提高了同步精度。

Description

树形/网状双层架构的无线HART网络和时间同步方法
技术领域
本发明属无线网络的技术范畴。特别是指上层为树形结构，下层为网状结构，即树形/网状双层架构的无线HART网络和时间同步方法。
背景技术
1985年，Rosemen公司推出现场仪表和控制室设备之间的HART通信协议。HART采用频移键控FSK技术，在4～20mA模拟信号上调制叠加幅度0.5mA的数字信号，实现双向数字通信；属模数信号转变过程中的过渡性产品。HART应用统一设备描述语言DDL，兼容当时主流的模拟系统，故具备优异的市场竞争力；2001年，HART通信协议成为IEC61158第四版现场总线标准第20种类型的现场总线。2013年12月，工业现场投运的HART设备≥3000万台。
在流程和制造工业的自动化领域，无线技术的渗透非常缓慢；追根溯源指向使用环境恶历，服务对象苛刻使然。工业现场存在复杂、多变的电磁干扰，干扰损害了无线信道的效能；现场金属设备反射和高湿环境亦造成无线信号的随机衰落。同时工控要求无线传输高可靠可用，而消费领域卓有成效的无线技术在工业现场却差強人意。因此，克隆消费领域无线技术不可行，需另辟蹊径。经业界不懈的努力，无线技术终于成功进入工业现场；标志性成果是工业无线网络的三大标准：无线HART、ISA100和WIA-PA。市场份额最大的无线HART是专为过程控制设计的低成本、低传输速率、兼容有线HAR的解决方案，是有线HART在无线领域的延伸；2008年9月，无线HART获IEC规范编号IEC/RAS62591Ed.l。
无线HART网络由无线HART现场设备、无线HART网关和唯一的无线HART网络管理器组成，现场设备和网关内置无线HART通信模块；有线HART经无线HART适配器融入无线HART，现倾向将适配器归入网关。现场设备或通过传感器采集数据、经通信模块和网关至网络管理器，或接受网络管理器经网关和通信模块下达的指令、通过执行器控制设备。网络管理器负责时隙安排，网络拓扑管理，网络路由建立和维护，通信资源分配和回收；属集中控制双层网状网络。上层网状网络包括网络管理器和网关，下层由网关和现场设备构成；现场设备均具有路由转发数据包功能；网状拓扑是冗余路径传输数据的必要条件。
无线HART采用跳频(freguercy-hopping spread specturm，FHSS)和直接序列扩频(direct sequence spread spectrum，DSSS)组合的无线传输技术，数据链路层接入则借助时分多址技术(Time Division Multiple Access，TDMA)；频段位于ISM2400～2483.3MHz，速率250kbit/s，信道的频间距5MHz，共计16条信道。无线HART将时间分割成周期性帧，帧又细分成若干时隙，节点在分配的时隙槽内进行理论上无冲突的理想通信，是无线通信高可靠可用的基石；时间槽缺省值＝10ms。跳频使用多信道，因而能规避外界环境的时变干扰，削弱多径衰落效应；扩频通过扩频编码调制信号，调制输出的宽频谱信号拥有更好的干扰抑制特性；跳频扩频技术进一步提高了无线HART的可靠可用性，以及抗干扰的能力。无线HART遵循时间同步网状网络协议(time synchronized mesh protocol，TSMP)，网状网络具有自组织和自愈特点，即动态组网和冗余路径传输数据的功能；显然，无线HART的可靠可用性再次得到提升。
无线HART网络的时间同步至关重要。TDMA规定，无线HART现场设备当且仅当在其分配的时隙槽内、允许按约定的严格时序通信，这有助于消除因信道竞争导致的时间不确定性。设备的周期睡眠与唤醒、同步测量等都要求设备间的时间同步，即各设备时钟必须运行在可容忍的时间差内：无线HART时间同步周期30S时，最大时间偏差1000～1200us。两因素影响设备的时间同步：硬件时钟漂移--设备时钟源不可避免的晶振频偏和相偏，不同设备时钟漂移不同，同一设备在不同环境下时钟漂移也不同；以及数据传输中的时间延迟。网络时间同步有NTP、TPSN和RBS三种算法，NTP用于计算机网络，选取计算机或卫星作为网络基准时钟，同步精确、计算量大能耗高，不适合电池供电的设备。Elson提出接收节点同步接收节点的RBS法，基于大量信息交换的同步原理制约了其在无线HART中的应用。2003年11月，Ganeriwal提出发送-接收算法(Timing-sync Protocol for Sensor Networks，TPSN)，接收设备通过数据包到达时间的误差补偿实现同步：算法的第一步建立网络等级层次，每个节点根据物理位置被分配到相应层，网络时钟服务器属第0层，且第0层只有时钟服务器节点；第二步非0层节点的时钟同步，节点通过与上层节点同步、实现与网络时钟服务器同步。无线HART时间同步较有代表性的知识产权成果综述如下：
·发明专利“基于预测补偿的工业无线网络高精度时间同步方法”(ZL201210172061.7)，提出组建IEEE 802.11单跳服务集BSS结构的星型网络，按节点类型设置主/从时钟，通过双向时间戳信息交互，计算同步周期的时间偏差值；利用当前同步周期的时间偏差值预测下一个同步周期的时间偏差值。
·发明专利“基于TDMA的工厂自动化无线网络时间同步方法”(申请号201110442033.8)，提出硬件打时戳，统计收发时戳值，消除协议栈处理延迟、物理层接口到无线媒介接口延迟以及信息在空气中传播延迟带来的时间偏差。
·发明专利“一种分布式自适应工业无线网络节能方法”(ZL200810070003.7)，提出将设备分为节点设备、能量管理器和网关；能量管理器负责数据收发，自适应调整节点设备的休眠时间和报文信息量，减少通信能耗。
上述有益探索，聚焦时间同步和节能。专利1改造网状网络至“单跳服务集BSS结构的星型网络”；压缩时间同步层次提高了精度，代价是丧失网络冗余传输路径和可靠性下降，网络结构多样性和规模受损。专利2的硬件打时戳消除协议栈处理等延迟，提高了同步精度；负面是硬件复杂度增加。专利3附设能量管理器，调整节点设备的休眠时间和报文信息量，减少能耗。探索有参考价值，但成果存在局限。有必要在时间同步研究成果的基础上，立足无线HART网状网络架构，结合工业现场的供电实际，探索提高时间同步精度的新途径。
从电能获取视角考量，分为电池供电的无线HART现场设备，外部电源或大容量电池供电的网关和网络管理器；无线HART适配器就近从回路取电，不存在供电问题。借鉴超级计算机的集群架构，HART上层网状结构简化、改进为树形结构，同时保留下层网状结构的高可靠可用性；减少时间同步的层次，时间同步的精度得到提高。北斗卫星(BD)授时，BD与网络管理器、网关形成星形架构；实施时间同步。运行时的树形+网状架构，时间同步时蜕变为星形+网状的架构，时间同步层次再次减少，时间同步精度进一步提高。TPSN算法假设收发双方时延相等，同步数据从发送节点应用层到接收节点应用层，数据传输时延共有发送、访问、传输、传播、接收和处理延迟；其中发送和访问的时延不确定性较大。若时间同步时的发报文填写时间戳、收报文提取时间戳均在MAC层，且只在分配的时隙槽内启动同步，可减少发送和访问时延的不确定性，再度提高时间同步精度。鉴于网络节点同步时刻的精度高，非同步时刻的精度随时间推移下降；非同步时刻引入时间同步偏差校正，将大大提升网络整体的时间同步精度。因此，时间同步解决方案由同步时刻的卫星授时+TPSN的时间同步，非同步时刻的时间同步偏差校正组成。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种树形/网状双层架构的无线HART网络和时间同步方法。
树形/网状双层架构的无线HART网络，该无线HART网络由无线HART现场设备、无线HART网关和唯一的无线HART网络管理器组成，有线HART经无线HART适配器接入无线HART网关；无线HART现场设备包括无线HART传感器类现场设备，以及无线HART执行器类现场设备；无线HART现场设备、无线HART适配器、无线HART网关、无线HART网络管理器均内置无线HART通信模块；在不引起歧义的情况下，无线HART适配器可纳入广义无线HART网关，广义无线HART网关和无线HART网关统称无线HART网关；
借鉴超级计算机的集群架构，无线HART网络采用集中控制的集群架构，将HART上层的网状结构改进为树形结构，同时保留HART下层的网状结构；上层树形网络包括无线HART网络管理器和无线HART网关，二者根据按需选取的通信协议交换信息；下层网状网络包括无线HART网关和无线HART现场设备，无线HART现场设备均具有路由转发数据包功能，下层网状网络遵循无线HART协议交换信息；无线HART网络管理器负责时隙安排，网络拓扑管理，网络路由建立和维护，通信资源分配和回收；
无线HART网络的时间同步涉及时间同步时刻的时间同步，以及非时间同步时刻的时间同步偏差校正；时间同步时刻的时间同步采用BD授时+TPSN的时间同步算法：BD授时进行时间同步时，上层树形网络蜕变为星形网络；TPSN进行时间同步时，收/发报文的提取/填写时间戳均在MAC层，且只在分配的时隙槽内启动同步；非同步时刻的时间同步偏差校正，借助时间同步偏差校正多项式实现。
上述技术方案中的各模块可以采用如下具体方式实现。
所述的无线HART现场设备包括无线HART传感器类现场设备，以及无线HART执行器类现场设备；无线HART传感器类现场设备由传感器模块、传感器主控模块、无线HART模块组成，无线HART执行器类现场设备由执行器模块、执行器主控模块、无线HART模块组成，传感器模块经传感器主控模块与无线HART模块相连，执行器模块经执行器主控模块与无线HART模块相连；传感器模块以DS18B20芯片为核心，执行器模块以220D02交流固态继电器为核心，传感器主控模块和执行器主控模块以STM32F407ZET7芯片为核心，无线HART模块以XDM2510H芯片为核心；
无线HART传感器类现场设备中：温度传感器DS18B20的脚1接地、脚3接VCC，电阻R111的两端并接在脚2和脚3，DS18B20芯片的脚2与传感器主控模块STM32F407ZET7芯片的脚99相连；STM32F407ZET7的脚35、脚34、脚91、脚96、脚97、脚92、脚98分别与无线HART模块XDM2510H芯片的脚5、脚6、脚7、脚10、脚11、脚12、脚17相连；XDM2510H芯片的脚8、脚1、脚15、脚16、脚28、脚30接地，脚14、VCC和电阻R131的一端相连，R131的另一端经发光二极管D131接XDM2510H的脚18；
无线HART执行器类现场设备中：市电AC的L端与交流固态继电器220D02的交流端1相连，交流端2经端子2、电阻式加热丝L211与市电AC的N端相连，交流固态继电器220D02的直流“+”端接24V，直流“-”端与三极管Q211集电极相连，三极管Q211发射极经R211接地，三极管Q211基极经R212与执行器主控模块STM32F407ZET7芯片的脚100相连；执行器主控模块STM32F407ZET7芯片与无线HART模块XDM2510H芯片相连，连接方式与无线HART传感器类现场设备相同；
无线HART传感器类现场设备中：DS18B20芯片采集现场温度，STM32F407ZET7芯片处理DS18B20芯片输出的数据，经XDM2510H芯片上传至无线HART网关和无线HART网络管理器；无线HART执行器类现场设备中：无线HART网络管理器下达的指令经无线HART网关、XDM2510H芯片至STM32F407ZET7芯片，STM32F407ZET7芯片处理无线HART网络管理器下达的指令，通过交流固态继电器220D02控制电阻式加热丝L211的通断。
所述的无线HART网关由卫星BD模块、工业以太网模块、网关主控模块、无线HART模块组成，卫星BD模块、工业以太网模块、无线HART模块分别与网关主控模块相连；卫星BD模块以SKG12D芯片为核心，工业以太网模块以LAN9252芯片为核心，无线HART模块以XDM2510H芯片为核心，网关主控模块以STM32F407ZET7芯片为核心；
无线HART网关和无线HART网络管理器均配置卫星BD模块，接收与转换北斗卫星BD发送的授时信号进行时间同步；SKG12D芯片的脚11与BD天线相连，脚23接3V3电源，脚10、脚12、脚13、脚24接地；SKG12D芯片的脚20、脚21分别与STM32F407ZET7芯片的脚113、脚116相连，实现卫星BD模块和网关主控模块的UART通信；网关主控模块STM32F407ZET7芯片与无线HART模块XDM2510H芯片相连，连接方式与无线HART传感器类现场设备相同；STM32F407VET6芯片采用存储器拓展技术FSMC与LAN9252芯片进行高速数据传输，STM32F407VET6芯片的脚127、脚118、脚119、脚10和脚137、脚26、脚29、脚27分别与LAN9252芯片的脚28、脚31、脚30、脚25、脚44、脚54、脚55相连，STM32F407VET6芯片与LAN9252芯片的16位数字量I/O并行接口相连，LAN9252芯片借助2个RJ45接口，经标准的100BASE-TX网线接入EtherCAT总线。
一种使用上述无线HART网络的时间同步方法，所述的无线HART网络的时间同步流程由时间同步时刻的时间同步流程，以及非时间同步时刻的时间同步偏差校正流程组成；时间同步时刻的时间同步流程包括BD对无线HART网络管理器、无线HART网关授时的时间同步，无线HART网关与无线HART现场设备、或无线HART现场设备与无线HART现场设备的TPSN时间同步算法流程；无线HART网关和无线HART网络管理器借助内嵌的卫星BD模块SKG12D，在无线HART网络的时间同步时刻接收BD的授时信号，作为无线HART网络的高精度时间同步基准，进行无线HART上层星形网络的时间同步；
TPSN的时间同步算法变量表如下：
Time_Sync_Source，表示时间同步源，初值＝BD授时值
Time_Low_Send，表示下层发送时间
Time_Upper_Receive，表示上层接收时间
Time_Upper_Send，表示上层发送时间
Time_Low_Receive，表示下层接收时间
Time_Deviation，表示时间偏差
Time_Deviation_Formation[N,3]，表示时间偏差队列表，N＝无线HART网关下属的无线HART现场设备数，时间偏差的数据存储深度＝3
t，表示待TPSN算法修正的、无线HART现场设备的时间
TPSN的时间同步算法中：算法包括2个循环，外循环从时间同步网络的第1层循序递增至底层；外循环内部嵌套内循环，内循环从同层第1件无线HART现场设备循序递增至末尾件；无线HART网关的BD授时作为初始时间同步源、同步第1层的无线HART现场设备，第1层无线HART现场设备同步后的时间作为时间同步源、同步第2层各自下属的无线HART现场设备，照此类推，同步无线HART网关下属的全部无线HART现场设备；当且仅当处在无线HART现场设备分配的时隙槽时启动时间同步，时隙通信开始之前，发送方完成报文的格式化，并在链路层打发送时戳，接收方亦在链路层打接收时戳；考虑表述的简洁又不失一般性，算法中省略了双循环的内循环描述；
无线HART网关与无线HART现场设备TPSN的时间同步算法流程如下：0、建立时间同步的网络拓扑等级层次：
无线HART网关定义为第0层；
无线HART现场设备根据物理位置分层；
建立无线HART现场设备的上下层拓扑；
建立时间偏差队列表，Time_Deviation_Formation[N,3]；
时间同步源赋初值，Time_sync source＝BD授时值；
1、网络拓扑等级层次有效性判断：
1-1、网络拓扑等级层次无效，转“0”；
1-2、网络拓扑等级层次有效，TPSN的时间同步；
2、TPSN的时间同步：
2-1、上层无线HART网关/现场设备发送同步启动报文；
2-2、下层无线HART现场设备响应启动报文，发送同步请求报文，打时戳Time_Low_Send；
2-3、上层无线HART网关/现场设备接收请求报文，打时戳Time_Upper_Receive；
上层无线HART网关/现场设备发送应答报文，打时戳Time_Upper_Send；2-4、下层无线HART现场设备接收应答报文，打时戳Time_Low_Receive；
2-5、计算Time_Deviation＝[(Time_Upper_Receive－Time_Low_Send)+(Time_Upper_Send－Time_Low_Receive)]÷2；
2-6、同步下层无线HART现场设备的时间t＝t+Time_Deviation；
Time_Deviation上传无线HART网关；
非时间同步时刻的时间同步偏差校正算法说明：时间同步周期＝30S，无线HART现场设备30S计时归零后重新计时，其间借助校正多项式修正无线HART现场设备的时间；
非时间同步时刻的时间同步偏差校正流程如下：
0、初始化：
计算编号ID无线HART现场设备3次时间同步时刻的时间：
t1＝30+Time_Deviation_Formation[ID,1]
t2＝30+Time_Deviation_Formation[ID,2]
t3＝30+Time_Deviation_Formation[ID,3]
1、构建时间同步偏差校正多项式：
30＝a0+a1t1+a2t1 2
30＝a0+a1t2+a2t2 2
30＝a0+a1t3+a2t3 2
通过拟合计算系数a0、a1、a2构成的列向量A：
A＝T-1(30 30 30)T
式中T为t1、t2、t3的0次至2次幂组成的矩阵；
2、编号ID无线HART现场设备的计数时间t校正为t/：
t/＝a0+a1t+a2t2。
本发明与背景技术相比，具有的有益效果是：
借鉴超级计算机的集群架构，HART上层网状结构简化改进为树形结构，同时保留下层网状结构的高可靠；树形/网状双层架构减少了时间同步的层次，提高了无线HART网络的时间同步精度。无线HART网络的时间同步包括时间同步时刻的时间同步，非时间同步时刻的时间同步偏差校正。时间同步时刻的同步，采用BD授时+TPSN的时间同步算法。BD授时时间同步时，树形网络蜕变为星形网络，时间同步层次减少，进一步提高了时间同步精度。TPSN时间同步时，收/发报文的提取/填写时间戳均在MAC层，且只在分配的时隙槽内启动同步，降低了收发和访问时延的不确定性，又提高了时间同步精度。非同步时刻的时间同步偏差校正，克服了同步精度随时间推移下降的缺陷，时间同步精度再次得到提升。
附图说明
图1是树形/网状双层架构的无线HART网络结构图；
图2(a)是无线HART传感器类现场设备的原理框图；
图2(b)是无线HART执行器类现场设备的原理框图；
图2(c)是无线HART传感器类现场设备的电路图；
图2(d)是无线HART执行器类现场设备的电路图；
图3(a)是无线HART网关的原理图；
图3(b)是无线HART网关的电路图；
图4(a)是无线HART网络的时间同步流程；
图4(b)是时间同步时刻的时间同步流程；
图4(c)是时间同步时刻的TPSN时间同步算法流程；
图4(d)是非时间同步时刻的时间同步偏差校正流程。
具体实施方式
如图1所示，树形/网状双层架构的无线HART网络由无线HART现场设备、无线HART网关和唯一的无线HART网络管理器组成，有线HART经无线HART适配器接入无线HART网关；无线HART现场设备包括无线HART传感器类现场设备，以及无线HART执行器类现场设备；无线HART现场设备、无线HART适配器、无线HART网关、无线HART网络管理器均内置无线HART通信模块；在不引起歧义的情况下，无线HART适配器可纳入广义无线HART网关，广义无线HART网关和无线HART网关统称无线HART网关；
借鉴超级计算机的集群架构，无线HART网络采用集中控制的集群架构，将HART上层的网状结构简化改进为树形结构，同时保留HART下层的网状结构；上层树形网络包括无线HART网络管理器和无线HART网关，二者根据按需选取的通信协议交换信息；下层网状网络包括无线HART网关和无线HART现场设备，无线HART现场设备均具有路由转发数据包功能，下层网状网络遵循无线HART协议交换信息；无线HART网络管理器负责时隙安排，网络拓扑管理，网络路由建立和维护，通信资源分配和回收；
无线HART网络的时间同步涉及时间同步时刻的时间同步，以及非时间同步时刻的时间同步偏差校正；时间同步时刻的时间同步采用BD授时+TPSN的时间同步算法：BD授时进行时间同步时，上层树形网络蜕变为星形网络；TPSN进行时间同步时，收/发报文的提取/填写时间戳均在MAC层，且只在分配的时隙槽内启动同步；非同步时刻的时间同步偏差校正，借助时间同步偏差校正多项式实现。
说明1：图中采用虚/实线表征无/有线通信。不失一般性，本发明的无线HART网络管理器和网关采用工业以太网协议交换信息。无线HART网络进行时间同步时，北斗卫星(BD)对网络管理器和网关授时；BD授时进行时间同步时，无线HART网络架构有别于运行时的集群架构--HART上层树形结构蜕变为BD对网络管理器、对网关的星形结构。无线HART网络管理器和适配器属公知知识范畴，本发明仅提及，但不展开描述；图中用虚线框标示加以区分。
如图2(a)、图2(b)、图2(c)、图2(d)所示，无线HART现场设备包括无线HART传感器类现场设备，以及无线HART执行器类现场设备；无线HART传感器类现场设备由传感器模块、传感器主控模块、无线HART模块组成，无线HART执行器类现场设备由执行器模块、执行器主控模块、无线HART模块组成，传感器模块经传感器主控模块与无线HART模块相连，执行器模块经执行器主控模块与无线HART模块相连；传感器模块以DS18B20芯片为核心，执行器模块以220D02交流固态继电器为核心，传感器主控模块和执行器主控模块以STM32F407ZET7芯片为核心，无线HART模块以XDM2510H芯片为核心；
无线HART传感器类现场设备中：温度传感器DS18B20的脚1接地、脚3接VCC，电阻R111的两端并接在脚2和脚3，DS18B20芯片的脚2与传感器主控模块STM32F407ZET7芯片的脚99相连；STM32F407ZET7的脚35、脚34、脚91、脚96、脚97、脚92、脚98分别与无线HART模块XDM2510H芯片的脚5、脚6、脚7、脚10、脚11、脚12、脚17相连；XDM2510H芯片的脚8、脚1、脚15、脚16、脚28、脚30接地，脚14、VCC和电阻R131的一端相连，R131的另一端经发光二极管D131接XDM2510H的脚18；
无线HART执行器类现场设备中：市电AC的L端与交流固态继电器220D02的交流端1相连，交流端2经端子2、电阻式加热丝L211与市电AC的N端相连，交流固态继电器220D02的直流“+”端接24V，直流“-”端与三极管Q211集电极相连，三极管Q211发射极经R211接地，三极管Q211基极经R212与执行器主控模块STM32F407ZET7芯片的脚100相连；执行器主控模块STM32F407ZET7芯片与无线HART模块XDM2510H芯片相连，连接方式与无线HART传感器类现场设备相同；
无线HART传感器类现场设备中：DS18B20芯片采集现场温度，STM32F407ZET7芯片处理DS18B20芯片输出的数据，经XDM2510H芯片上传至无线HART网关和无线HART网络管理器；无线HART执行器类现场设备中：无线HART网络管理器下达的指令经无线HART网关、XDM2510H芯片至STM32F407ZET7芯片，STM32F407ZET7芯片处理无线HART网络管理器下达的指令，通过交流固态继电器220D02控制电阻式加热丝L211的通断。
说明2：鉴于直观易读的考量，无线HART传感器类现场设备以温度传感器DS18B20为例；无线HART执行器类现场设备，则以交流固态继电器220D02控制电阻式加热丝的通断为例。
如图3(a)、图3(b)所示，无线HART网关由卫星BD模块、工业以太网模块、网关主控模块、无线HART模块组成，卫星BD模块、工业以太网模块、无线HART模块分别与网关主控模块相连；卫星BD模块以SKG12D芯片为核心，工业以太网模块以LAN9252芯片为核心，无线HART模块以XDM2510H芯片为核心，网关主控模块以STM32F407ZET7芯片为核心；
无线HART网关和无线HART网络管理器均配置卫星BD模块，接收与转换北斗卫星BD发送的授时信号进行时间同步；SKG12D芯片的脚11与BD天线相连，脚23接3V3电源，脚10、脚12、脚13、脚24接地；SKG12D芯片的脚20、脚21分别与STM32F407ZET7芯片的脚113、脚116相连，实现卫星BD模块和网关主控模块的UART通信；网关主控模块STM32F407ZET7芯片与无线HART模块XDM2510H芯片相连，连接方式与无线HART传感器类现场设备相同；STM32F407VET6芯片采用存储器拓展技术FSMC与LAN9252芯片进行高速数据传输，STM32F407VET6芯片的脚127、脚118、脚119、脚10和脚137、脚26、脚29、脚27分别与LAN9252芯片的脚28、脚31、脚30、脚25、脚44、脚54、脚55相连，STM32F407VET6芯片与LAN9252芯片的16位数字量I/O并行接口相连，LAN9252芯片借助2个RJ45接口，经标准的100BASE-TX网线接入EtherCAT总线。
说明3：本发明的无线HART网络管理器和无线HART网关采用工业以太网协议交换信息。若增设无线HART网关中继器，或无线HART网络的空间距离有限时，无线HART网络管理器和无线HART网关亦可设计成基于无线HART协议交换信息。
如图4(a)、图4(b)、图1、图4(c)、图4(d)所示，无线HART网络的时间同步流程由时间同步时刻的时间同步流程，以及非时间同步时刻的时间同步偏差校正流程组成；时间同步时刻的时间同步流程包括BD对无线HART网络管理器、无线HART网关授时的时间同步，无线HART网关与无线HART现场设备、或无线HART现场设备与无线HART现场设备的TPSN时间同步算法流程；无线HART网关和无线HART网络管理器借助内嵌的卫星BD模块SKG12D，在无线HART网络的时间同步时刻接收BD的授时信号，作为无线HART网络的高精度时间同步基准，进行无线HART上层星形网络的时间同步；
TPSN的时间同步算法变量表如下：
Time_Sync_Source，表示时间同步源，初值＝BD授时值
Time_Low_Send，表示下层发送时间
Time_Upper_Receive，表示上层接收时间
Time_Upper_Send，表示上层发送时间
Time_Low_Receive，表示下层接收时间
Time_Deviation，表示时间偏差
Time_Deviation_Formation[N,3]，表示时间偏差队列表，N＝无线HART网关下属的无线HART现场设备数，时间偏差的数据存储深度＝3
t，表示待TPSN算法修正的、无线HART现场设备的时间
TPSN的时间同步算法中：算法包括2个循环，外循环从时间同步网络的第1层循序递增至底层；外循环内部嵌套内循环，内循环从同层第1件无线HART现场设备循序递增至末尾件；无线HART网关的BD授时作为初始时间同步源、同步第1层的无线HART现场设备，第1层无线HART现场设备同步后的时间作为时间同步源、同步第2层各自下属的无线HART现场设备，照此类推，同步无线HART网关下属的全部无线HART现场设备；当且仅当处在无线HART现场设备分配的时隙槽时启动时间同步，时隙通信开始之前，发送方完成报文的格式化，并在链路层打发送时戳，接收方亦在链路层打接收时戳；考虑表述的简洁又不失一般性，算法中省略了双循环的内循环描述；
无线HART网关与无线HART现场设备TPSN的时间同步算法流程如下：0、建立时间同步的网络拓扑等级层次：
无线HART网关定义为第0层；注：无线HART网络管理器0层无线HART现场设备根据物理位置分层；
建立无线HART现场设备的上下层拓扑；
建立时间偏差队列表，Time_Deviation_Formation[N,3]；
时间同步源赋初值，Time_sync source＝BD授时值；
1、网络拓扑等级层次有效性判断：
1-1、网络拓扑等级层次无效，转“0”；注：网络拓扑出现变化
1-2、网络拓扑等级层次有效，TPSN的时间同步；
2、TPSN的时间同步：
2-1、上层无线HART网关/现场设备发送同步启动报文；
2-2、下层无线HART现场设备响应启动报文，发送同步请求报文，
打时戳Time_Low_Send；
2-3、上层无线HART网关/现场设备接收请求报文，打时戳Time_Upper_Receive；
上层无线HART网关/现场设备发送应答报文，打时戳Time_Upper_Send；2-4、下层无线HART现场设备接收应答报文，打时戳Time_Low_Receive；
2-5、计算Time_Deviation＝[(Time_Upper_Receive－Time_Low_Send)+(Time_Upper_Send－Time_Low_Receive)]÷2；
2-6、同步下层无线HART现场设备的时间t＝t+Time_Deviation；
Time_Deviation上传无线HART网关；
说明4：时间同步的周期＝30S。
时间同步调整后的t将作为下层无线HART现场设备的时间同步源Time_syncsource＝t。Time_Deviation上传无线HART网关、保存到与无线HART现场设备一一对应的Time_Deviation_Formation[N,3]，构造时间同步校正多项式，用于非时间同步时刻的时间同步偏差校正流程。
非时间同步时刻的时间同步偏差校正算法说明：时间同步周期＝30S，无线HART现场设备30S计时归零后重新计时，其间借助校正多项式修正无线HART现场设备的时间；
非时间同步时刻的时间同步偏差校正流程如下：
0、初始化：
计算编号ID无线HART现场设备3次时间同步时刻的时间：
t1＝30+Time_Deviation_Formation[ID,1]
t2＝30+Time_Deviation_Formation[ID,2]
t3＝30+Time_Deviation_Formation[ID,3]
1、构建时间同步偏差校正多项式：
30＝a0+a1t1+a2t1 2
30＝a0+a1t2+a2t2 2
30＝a0+a1t3+a2t3 2
通过拟合计算系数a0、a1、a2构成的列向量A：
A＝T-1(30 30 30)T
式中T为t1、t2、t3的0次至2次幂组成的矩阵；
2、编号ID无线HART现场设备的计数时间t校正为t/：
t/＝a0+a1t+a2t2。
说明4：非时间同步时刻的时间同步偏差校正采用的是曲线拟合方法。

Claims (3)

1.一种使用树形/网状双层架构无线HART网络的时间同步方法，其特征在于所述的无线HART网络的时间同步流程由时间同步时刻的时间同步流程，以及非时间同步时刻的时间同步偏差校正流程组成；时间同步时刻的时间同步流程包括北斗卫星BD对无线HART网络管理器、无线HART网关授时的时间同步，无线HART网关与无线HART现场设备、或无线HART现场设备与无线HART现场设备的TPSN时间同步算法流程；无线HART网关和无线HART网络管理器借助内嵌的北斗卫星BD模块SKG12D，在无线HART网络的时间同步时刻接收北斗卫星BD的授时信号，作为无线HART网络的高精度时间同步基准，进行无线HART上层星形网络的时间同步；
TPSN的时间同步算法变量表如下：
Time_Sync_Source，表示时间同步源，初值＝北斗卫星BD授时值；
Time_Low_Send，表示下层发送时间；
Time_Upper_Receive，表示上层接收时间；
Time_Upper_Send，表示上层发送时间；
Time_Low_Receive，表示下层接收时间；
Time_Deviation，表示时间偏差；
Time_Deviation_Formation[N,3]，表示时间偏差队列表，N＝无线HART网关下属的无线HART现场设备数，时间偏差的数据存储深度＝3；
t，表示待TPSN算法修正的、无线HART现场设备的时间；
TPSN的时间同步算法中：算法包括2个循环，外循环从时间同步网络的第1层循序递增至底层；外循环内部嵌套内循环，内循环从同层第1件无线HART现场设备循序递增至末尾件；无线HART网关的北斗卫星BD授时作为初始时间同步源、同步第1层的无线HART现场设备，第1层无线HART现场设备同步后的时间作为时间同步源、同步第2层各自下属的无线HART现场设备，照此类推，同步无线HART网关下属的全部无线HART现场设备；当且仅当处在无线HART现场设备分配的时隙槽时启动时间同步，时隙通信开始之前，发送方完成报文的格式化，并在链路层打发送时戳，接收方亦在链路层打接收时戳；
无线HART网关与无线HART现场设备TPSN的时间同步算法流程如下：
0、建立时间同步的网络拓扑等级层次：
无线HART网关定义为第0层；
无线HART现场设备根据物理位置分层；
建立无线HART现场设备的上下层拓扑；
建立时间偏差队列表，Time_Deviation_Formation[N,3]；
时间同步源赋初值，Time_sync source＝北斗卫星BD授时值；
1、网络拓扑等级层次有效性判断：
1-1、网络拓扑等级层次无效，转“0”；
1-2、网络拓扑等级层次有效，TPSN的时间同步；
2、TPSN的时间同步：
2-1、上层无线HART网关/现场设备发送同步启动报文；
2-2、下层无线HART现场设备响应启动报文，发送同步请求报文，打时戳Time_Low_Send；
2-3、上层无线HART网关/现场设备接收请求报文，打时戳Time_Upper_Receive；上层无线HART网关/现场设备发送应答报文，打时戳Time_Upper_Send；
2-4、下层无线HART现场设备接收应答报文，打时戳Time_Low_Receive；
2-5、计算Time_Deviation＝[(Time_Upper_Receive－Time_Low_Send)+(Time_Upper_Send－Time_Low_Receive)]÷2；
2-6、同步下层无线HART现场设备的时间t＝t+Time_Deviation；
Time_Deviation上传无线HART网关；
非时间同步时刻的时间同步偏差校正算法中：时间同步周期＝30S，无线HART现场设备30S计时归零后重新计时，其间借助校正多项式修正无线HART现场设备的时间；
非时间同步时刻的时间同步偏差校正流程如下：
0、初始化：
计算编号ID无线HART现场设备3次时间同步时刻的时间：
t1＝30+Time_Deviation_Formation[ID,1]
t2＝30+Time_Deviation_Formation[ID,2]
t3＝30+Time_Deviation_Formation[ID,3]
1、构建时间同步偏差校正多项式：
30＝a0+a1t1+a2t1 2
30＝a0+a1t2+a2t2 2
30＝a0+a1t3+a2t3 2
通过拟合计算系数a0、a1、a2构成的列向量A：
A＝T-1(30 30 30)T
式中T为t1、t2、t3的0次至2次幂组成的矩阵；
2、编号ID无线HART现场设备的计数时间t校正为t/：
t/＝a0+a1t+a2t2；
所述无线HART网络由无线HART现场设备、无线HART网关和唯一的无线HART网络管理器组成，有线HART经无线HART适配器接入无线HART网关；无线HART现场设备包括无线HART传感器类现场设备，以及无线HART执行器类现场设备；无线HART现场设备、无线HART适配器、无线HART网关、无线HART网络管理器均内置无线HART通信模块；
借鉴超级计算机的集群架构，无线HART网络采用集中控制的集群架构，将HART上层的网状结构改进为树形结构，同时保留HART下层的网状结构；上层树形网络包括无线HART网络管理器和无线HART网关，二者根据按需选取的通信协议交换信息；下层网状网络包括无线HART网关和无线HART现场设备，无线HART现场设备均具有路由转发数据包功能，下层网状网络遵循无线HART协议交换信息；无线HART网络管理器负责时隙安排，网络拓扑管理，网络路由建立和维护，通信资源分配和回收。
2.根据权利要求1所述的时间同步方法，其特征在于，所述无线HART传感器类现场设备由传感器模块、传感器主控模块、无线HART模块组成，无线HART执行器类现场设备由执行器模块、执行器主控模块、无线HART模块组成，传感器模块经传感器主控模块与无线HART模块相连，执行器模块经执行器主控模块与无线HART模块相连；传感器模块以DS18B20芯片为核心，执行器模块以220D02交流固态继电器为核心，传感器主控模块和执行器主控模块以STM32F407ZET7芯片为核心，无线HART模块以XDM2510H芯片为核心；
无线HART传感器类现场设备中：温度传感器DS18B20的脚1接地、脚3接VCC，电阻R111的两端并接在脚2和脚3，DS18B20芯片的脚2与传感器主控模块STM32F407ZET7芯片的脚99相连；STM32F407ZET7的脚35、脚34、脚91、脚96、脚97、脚92、脚98分别与无线HART模块XDM2510H芯片的脚5、脚6、脚7、脚10、脚11、脚12、脚17相连；XDM2510H芯片的脚8、脚1、脚15、脚16、脚28、脚30接地，脚14、VCC和电阻R131的一端相连，R131的另一端经发光二极管D131接XDM2510H的脚18；
无线HART执行器类现场设备中：市电AC的L端与交流固态继电器220D02的交流端1相连，交流端2经端子2、电阻式加热丝L211与市电AC的N端相连，交流固态继电器220D02的直流“+”端接24V，直流“-”端与三极管Q211集电极相连，三极管Q211发射极经R211接地，三极管Q211基极经R212与执行器主控模块STM32F407ZET7芯片的脚100相连；执行器主控模块STM32F407ZET7芯片与无线HART模块XDM2510H芯片相连，连接方式与无线HART传感器类现场设备相同；
无线HART传感器类现场设备中：DS18B20芯片采集现场温度，STM32F407ZET7芯片处理DS18B20芯片输出的数据，经XDM2510H芯片上传至无线HART网关和无线HART网络管理器；无线HART执行器类现场设备中：无线HART网络管理器下达的指令经无线HART网关、XDM2510H芯片至STM32F407ZET7芯片，STM32F407ZET7芯片处理无线HART网络管理器下达的指令，通过交流固态继电器220D02控制电阻式加热丝L211的通断。
3.根据权利要求1所述的时间同步方法，其特征在于所述的无线HART网关由北斗卫星BD模块、工业以太网模块、网关主控模块、无线HART模块组成，北斗卫星BD模块、工业以太网模块、无线HART模块分别与网关主控模块相连；北斗卫星BD模块以SKG12D芯片为核心，工业以太网模块以LAN9252芯片为核心，无线HART模块以XDM2510H芯片为核心，网关主控模块以STM32F407ZET7芯片为核心；
无线HART网关和无线HART网络管理器均配置北斗卫星BD模块，接收与转换北斗卫星BD发送的授时信号进行时间同步；SKG12D芯片的脚11与北斗卫星BD天线相连，脚23接3V3电源，脚10、脚12、脚13、脚24接地；SKG12D芯片的脚20、脚21分别与STM32F407ZET7芯片的脚113、脚116相连，实现卫星BD模块和网关主控模块的UART通信；网关主控模块STM32F407ZET7芯片与无线HART模块XDM2510H芯片相连，连接方式与无线HART传感器类现场设备相同；STM32F407VET6芯片采用存储器拓展技术FSMC与LAN9252芯片进行高速数据传输，STM32F407VET6芯片的脚127、脚118、脚119、脚10和脚137、脚26、脚29、脚27分别与LAN9252芯片的脚28、脚31、脚30、脚25、脚44、脚54、脚55相连，STM32F407VET6芯片与LAN9252芯片的16位数字量I/O并行接口相连，LAN9252芯片借助2个RJ45接口，经标准的100BASE-TX网线接入EtherCAT总线。
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