无线HART数据链路层设计与实现

　　无线HART是一种专门为过程控制领域而设计的网络通信协议，是HART现场总线在无线领域的延伸，其通信模型主要由应用层、网络层、数据链路层、物理层组成。其中数据链路层在物理层提供服务的基础上向网络层提供服务，其最基本的服务就是将来自节点网络层的数据可靠的传输到相邻节点的网络层。数据链路层协议主要用于建立可靠的点到点的单跳通信。在层型的拓扑结构上实现无线HART数据链路层通信协议，这里所设计的算法已成功应用于无线HART单跳网络。

　　1 无线HART拓扑结构

　　无线通信网络拓扑主要包括星型和网状两种结构，星型单跳网络支持高可靠性的网络通信，而网状多跳网络支持远距离通信，无线HART协议支持网状拓扑结构和星型拓扑两种结构，用户可根据实际需要选择星型或网状拓扑结构，或者介于二者之间的拓扑结构。本文根据工业现场的实际要求，采用星型和网状结合的两层网络拓扑结构，第一层是网状结构，由网关和路由设备构成;第二层是星型结构，由路由设备以及现场设备构成。其中，网关负责无线HART网络与工厂内的其他网络的协议转换与数据映射。簇首作为网络管理者的代理，负责构建由现场设备和路由设备构成的星型结构，监测星型结构性能;作为安全管理者代理，负责合并及转发簇成员的数据;负责转发其他簇首的数据。簇成员负责获取现场数据并发送到簇首。

　　2 无线HART数据链路层协议

　　无线HART数据链路层包括逻辑链路层协议(LLC)和介质访问控制层协议(MAC)，数据链路层主要定义数据帧格式，介质访问控制层主要负责管理和协调通信资源的分配和使用。

　　2.1 逻辑链路层

　　2.1.1 帧格式

　　其中，地址指示为无线HART网络支持两种地址格式，一种用于局域网的短地址，一种用于广域网的长地址。其中短地址由16位二进制组成，用户可自行定义：长地址由64位二进制数组成，64位中高24位表示设备ID，低24位表示0UI地址(由IEEE STD 802.15.4协议分配，其中无线HART的OUI地址为0x00181E)，中间16位表示设备类型(设备生产厂家确定);时序号为绝对时序号的最低8位;网络ID为无线HART根据网络应用类型确定的网络ID号：数据包指示为数据包指示由8位二进制数组成，低3位表示数据包的类型，第4位表示网络密钥，第5、6位表示数据包的优先级。

　　无线HART数据包分为ACK、Advertise、Keep alive、Disconnect、Data5种类型，分为命令、过程数据、一般、报警4种优先级。发送数据来自网络层并需要发送的数据。MIC为网络授权检测。CRC为数据完整性检测。

　　2.2 MAC协议分析