采用纠错的现场总线过程通信的制作方法

专利名称：采用纠错的现场总线过程通信的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种采用纠错的现场总线过程通信。
背景技术：
有如化学、石油或其他过程中所用的过程控制系统，通常包括集 中化的过程控制器，它通过模拟、数字或组合的模拟/数字总线与至少 一个主机或操作员工作站，以及一个或更多个现场设备互联耦合。譬 如可以是各种阀门、阀门定位器、幵关和变送器(如温度、压力和流速 传感器)等的现场设备,它们执行比如幵启或关闭阀门及测量过程参数 等过程当中的功能。过程控制器接收用于指示现场设备所做出的过程 测量信号和/或与现场设备有关的其他信息，利用这种信息执行控制程 序，然后产生控制信号，通过总线将这样的信号发送至现场设备，以 控制过程操作。来自现场设备和控制器的信息，通常对于操作员工作 站所执行的一个或更多个应用是可用的，使得操作员能够执行与过程 有关的任何所期望的功能，比如查看当前的过程状态、修改过程的操 作等。
以往，传统的现场设备用于通过模拟总线或模拟线路与过程控制
器进行模拟(如4至20mA)信号的传输。这些4-20mA的信号本质上会受到 限制，即它们用于指示设备做出的测量或控制器产生的用于控制设备 操作的控制信号。然而，在过去大约十年中，包括微处理器和存储器 在内的智能现场设备，在过程控制领域中变得愈见流行。除了执行过 程以内的基本功能外，这种智能现场设备还存储与设备有关的数据， 以数字或组合的数字和模拟的格式，与控制器和/或其他设备进行通 信，并执行比如自校准、识别、诊断等辅助任务。已经开发出多种标 准以及开放式智能通信协议，如HAR"、 Profibus⑧、World FIP㊣、Device-Net ,以及CAN协议，用于使不同制造商制造的智能现场设备 能够在相同的过程控制网络中一同使用。
过程控制领域中出现了向分散化过程控制功能的偏向。例如，由 现场总线组织颁布且被称作FOUNDATION'「M现场总线(下称"现场总线") 协议的全数字两线总线协议，使用位于不同现场设备中的功能块来执 行先前在集中化的控制器中所执行的控制功能。具体地说，每个现场 总线现场设备能够包括并执行一个或多个功能块，每个功能块接收来 自其他功能块(相同设备内或不同设备内)的输入和/或将输出提供给 其他功能块(相同设备内或不同设备内)，并执行某些过程控制操作(如 测量或检测过程参数)，控制设备或者执行控制操作(如执行比例-微分 -积分(PID)控制程序)。将过程控制系统内的不同功能块被配置成(比 如关于总线)彼此通信互联，以形成一个或多个过程控制回路，这些过 程控制回路的单独操作散布于整个过程上，因而是分散化的。
随着智能现场设备的出现，对过程控制系统中出现的问题进行快 速诊断和修正变得比以往更加重要，因为如果不能检测并修正非正常 运行的回路和设备，则会导致过程性能处于非最佳状态，这使所生产 的产品的质量和数量均具有更高的代价。当前，许多智能设备包括自 诊断和/或校准程序，这种程序可以用于检测和修正现场设备中的问 题。不幸的是，在有些情况下，智能现场设备的新的诊断和/或校准能 力会产生问题。例如，给定的H1现场总线回路可以耦合至多个与 FOUNDATIONTM现场总线兼容的现场设备。每个这样的现场设备可以产 生大量的数字信息，包括过程变量信息，或者从控制器接收控制信息a 此外,每个现场设备还可以产生诊断信息和任意其他适宜的数字信息。 其结果是，Hl现场总线网络的最大带宽(31.25kbps)可能会被给定的Hl
现场总线网络上的多个智能现场设备的数据通信需求所淹没。
为H1 FOUNDATIONTM现场总线网络提供自适应，所述网络允许更高 的网上通信速率，从而增加H1现场总线网络的可用带宽，这将会带来 很大的益处。

发明内容
本发明提出一种在H1现场总线网络上进行通信的方法。所述H1现 场总线网络上的通信采用具有纠错的高级形式。按照一种实施方式，
具有纠错的高级形式使用低密度奇偶校验码;而按照另一种实施方式， 高级纠错采用turbo码。高级纠错和H1组织的现场总线网络的使用，可 以允许比31. 25kbps更高的数据传输速度，和/或能够允许比当前使用 的更低的信令电平。


图l是可以采用本发明实施例的过程控制系统方框图2是H1现场总线网络102上的现场总线数据100的示意图3是本发明一种实施例现场设备的示意图。
具体实施例方式
以下参照图l，过程控制系统10包括过程控制器12，过程控制器 12与具有显示屏14的主机工作站或计算机13(可为任何类型的个人计 算机或工作站)相连，并通过输入/输出(I/O)卡26、28与现场设备15-22 相连。控制器12(作为示例可为Fisher-Rosemount Systems, Inc.出售 的DeltaVTM控制器)通过比如以太网连接与主计算机13通信互联，并使 用与现场总线协议有关的任何所期望的硬件和软件与现场设备15-22 通信互联。控制器12执行或者监视它所存储的，或者与之相关的其他 形式过程控制程序，并与设备15-22以及主计算机13通信互联，从而以 任何所期望的方式控制过程。
现场设备15-22可以是任何种类的设备，.如传感器、阀门、变送器、 定位器等，而1/0卡26和28可以是符合现场总线协议的任何种类的1/0 设备。在图l所示的实施例中，现场设备15-22是各种智能设备，如是 现场总线现场设备，它们利用现场总线协议通信，通过数字总线与1/0 卡28进行通信互联。 一般说来，所述现场总线协议是全数字串行双向 通信协议，这样的协议为使现场设备实现互联的两线回路或总线提供 标准化的物理接口。现场总线协议实际上为过程中的现场设备提供局 域网，这种局域网使这些现场设备能够以在整个过程中的位置分布灵
活性来执行过程控制功能(利用功能块)，并在这些过程控制功能之前 和之后彼此通信互联，从而实现全面的控制策略。应予理解的是，虽 然现场总线协议是被开发用于过程控制网络中的相对较新的全数字通 信协议，然而，这种协议在现有技术中是公知的，而且，尤其是可从
现场总线组织(非盈利组织，总部在Austin， Texas)出版、销售所得到 的许多文章、手册和规范中都有详细的描述。于是，这里将不会再去 详细描述这种现场总线通信协议的众多细节。
将控制器12配置成为使用通常的功能块来实现控制策略，其中每 个功能块是全部控制程序的一部分(如子程序)，并与其他功能块一同 操作(通过被称作链路的通信方式)，从而实现过程控制系统10中的过 程控制回路。具有代表性的是，功能块执行下述功能之一输入功能， 比如与变送器、传感器或其他过程参数测量设备有关的输入功能；控 制功能，比如与执行PID、模糊逻辑等有关的控制功能；或者输出功能， 这种功能控制比如阔门类的一些设备的动作，以执行过程控制系统io 中的一些物理功能。当然，还存在混合的其他类型功能块。功能块可 以存在于控制器12中，并由控制器12来执行，这是功能块用于标准的 4-20ma设备和某些类型智能现场设备时的典型情况；功能块也可以存 在于现场设备自身中，并由其卦身来执行，这是在现场总线设备时的 情况。虽然这里使用功能块控制策略给出了对控制系统的描述，但也 可以使用其他规则实现或设计控制策略，如阶梯逻辑。
智能现场设备的新的能力优势在于，增加了H1现场总线网络的 31.25kbps数据通信容量能力的应变，以传输所需的信息量。回顾H1 现场总线网络，可以发现最大传输速率通常会受到两个因素的限制 数据传输能量，以及所允许的误比特率。虽然数据传输能力通常受到 Hl现场总线协议规范的限制，以及受到用于确保现场设备和/或网络能 够满足固有安全要求的设计约束的限制，然而，误比特率不会这样受 到限制。为了满足固有的安全要求，现场设备必须满足由Factory Mutual Research于1988年10月颁布的APPROVAL STANDARD INTRINSICALLY SAGE APPARATUS AND ASSOCIATED APPARATUS FOR USE IN CLASS I，II AND III'DIVISION 1 HAZARDOUS (CLASSIFIED)
LOCATIONS, CLASS NUMBER 3610中所提出的固有安全要求。
当前，H1现场总线网络采用16比特CRC检错体制。这个体制釆用n 比特关键字，它被重复地分为多个消息数据比特块，以致实质上达到 一个剩余部分。由于这种变换对于数据比特的发送方和接收方都是已 知的，所以把16比特的剩余部分附加到消息数据中。因此，发送方执 行把17比特关键字分为消息数据块的操作，并把剩余的16比特余部附 加到被发送的数据中。然后，接收方对接收的消息块执行相同的操作， 并将其结果与接收到的16比特"校验和"码相比较。如果它们匹配， 则接收方确定成功地接收到消息。数学运算或者布尔运算的类型和/ 或性质的变体在于基于循环冗余校验的检错。然而，该方法通常需要 把"校验和"与消息数据相加。当解码后的校验和与接收到的校验和 不匹配时，这种方法的一个限制是明显的。在这种情况下，接收方必 须向发送方指出通信是不成功的，而且发送方必须重发该数据。这给 通信增加了显著的幵销，但有助于确保接收到有效的数据。另一种基 于CRC的检错的公知限制是存在l/(2n—')的余部将会匹配的可能性，从 而错误地指示传输是成功的。 一般通过针对该关键字使用适合的大比 特(n)数而成功地缓和发生这种错误的可能性。在16比特CRC的情况下， 这种可能性是1/65536。
图2是H1现场总线网络102上的现场总线数据100的示意图。现场总 线数据100通常可以被分类成为5层中之一。具体地说，现场总线数据 100具有物理层102、数据链路层104、现场总线访问子层106、现场总 线消息规范108和用户应用数据110。物理层102通常适于与已知的 0SI(开放系统互连)模型层1兼容。给定的物理层通信112通常包括前同 步码114、起始定界符116、数据链路层协议数据单元118以及结束定界 符120。方块118内的数据通常用于数据链路层104。具体地说，数据链 路层协议数据单元118包括数据链路层协议控制信息122，它可以具有5 与15个8比特"八位字节"之间的长度。此外，协议数据单元118还包 括现场总线访问子层协议数据单元124,它具有5与256个8比特的八位 字节之间的长度。最后，数据链路层协议数据单元118包括帧检验序列 126,该序列包括两个8比特的八位字节。这两个八位字节用于过去已
经实现的基于16比特循环冗余校验的检错e
例如turbo码和低密度奇偶校验(LDPC)码之类的高级纠错技术都 是公知的。这些码使给定噪声信道上的信息容量能够具有接近香农 (shannon)极限的速率。Claude shannon所提供的理论给出通过具有附 加白噪声的模拟通信信道所发送的具有给定平均信号功率的纯净数据 的理论最大速率C二带宽xlog2(l+(总信号功率/总噪声功率))，其中 C二每秒比特信道容量。
低密度奇偶校验码(LDPC)首先在二十世纪六十年代早期被提出。 然而，它们在当时不能从实际上予以实现。在随后的30年中，它们基 本上一直是所开发出的最为有效的纠错码。低密度奇偶校验码在数字 电视的卫星传输中的用途是已知的。 一种LDPC采用由稀疏性约束而产 生的稀疏矩阵。通过如下方式对给定的消息进行编码使消息中的比 特遵照稀疏性约束而放置。存在多种公知的方式来构造LDPC码，包括 Gallager码;MacKay码;无规则LDPC码；有限几何码；RA、 IRA和eRIA 码；阵列码；以及组合LDPC码。本质上讲，通过把特殊的结构或者具 有先验知识的形式应用于单独比特的排列而产生LDPC码的编码。例如， 给定的约束组可能要求仅有8个可能的6比特字符串与有效码字相对应 (即000000、Q11001、110010、111100、101011、100:i01、00U10和01011)。 因此，LDPC码片段可以利用6个比特来表示3比特的消息p如果采用擦 除的或者未知的特殊比特而达到给定的消息，则可以考虑所允许的码 字的结构来确定，或者以其他方式消除被破坏的比特。有关与LDPC码 有关的进 一 步信息，可以参见低密度竒偶校验码， http:〃en. wikipedia. org/w/index, Dhp title=Low-density partiy-check code&oldid=51980699 。
另外，参见Information Theory, Inference and Learning Algorithms, by David J. C. MacKay， ISBN 0521642981。
在为接近香农极限而允许显著增加数据通信容量方面，Turbo码与 LDPC码是类似的。然而，Turbo码的机构与LDPC码显著不同- turbo码 的一个重要不同在于二进制数字是解码的。代替简单地尝试对l或O进 行解码，解码器的前端被设计为产生每一个比特的相似性测量。例如，
解码器前端可以产生范围在-127和+127之间的整数值；其中-127表示 确定的0，而+127表示确定的l。 -127和+127之间的值表示己解码比特 为1或0的概率连续统，整数0表示比特为0或1的概率相等。turbo码的 另一方面是，至少发送三个比特子块。第一比特子块是M比特的有效载 荷数据块。第二子块是有效载荷数据的N/2个奇偶比特，使用适合的巻 积码而予以计算。使用有效载荷数据的不同的已知置换来提供具有奇 偶比特的第三子块，但同样使用巻积码来计算。
本质上讲，针对给定的M比特有效载荷数据块，发送两个冗余但不 同的奇偶比特块。turbo码解码器必须包括针对每一个奇偶比特块的解 码器模块。每一个巻积解码器针对M比特有效载荷子块的图案而产生被 提议的输出。如果被提议的输出不同，则巻积解码器可以交换针对被 提议输出中的每一个比特而存储的导出的相似性。然后，每一个解码 器可以把来自另一个解码器的相似性估计进行合并，产生新的被提议 的输出，直到两个巻积解码器对M比特子块的被提议的输出达成一致。
使用LDPC码对传输的数据进行解码通常需要迭代解码过程。此外， 与迭代有关的计算复杂度产生了高于先前16比特循环冗余校验所需的 计算强度。然而，纠错技术的使用，提供了超越过去循环冗余校验方 法的重要优点。具体地说，如果H1现场总线协议的16比特循环冗余校 验并不寄存已解码校验和与所传输的校验和之间的匹配，则要求现场 设备指示通过H1现场总线网络发送至现场设备的数据是被破坏的。然 后，必须向现场总线设备重发该数据。然而，LDPC码和turbo码的使用 不仅允许识别传输中的错误，而且可以根据该种算法来实际纠正单独 的比特值。因而，消除了如下所需的通信开销使现场设备与信息源 进行联系，并指示现场设备所接收的信息被破坏；请求再次传输该信 息；以及最后接收重新传输的信息。这不仅提供了检错，而且使H1现 场总线网络中的实际纠错能够允许该网络以极大提升的数据通信速度 而运行。除此而外或者作为选择的方式，可以认为采用本发明实施例 的检错和纠错，能够减小H1现场总线网络上使用的传输能量。减小传 输能量的重要性在于，可以允许增大数目的现场设备在固有的安全段 中工作。至今为止，给定的H1现场总线段上可用的设备个数比如取决
于如下因素每个设备的功耗、所用电缆的类型、中继器的使用等。 通常，设备的个数被限制为32个设备。然而，每一个段的可用网络地
址数是240。
图3是本发明一种实施例现场设备的示意图。现场设备200包括现 场总线通信模块202,它通过接线端206耦合至H1现场总线过程通信回 路。现场设备200包括功率模块208,该模块可以耦合至H1现场总线过 程通信回路204。将功率模块208配置成为调节(或以其他方式调整)从 回路204接收至现场设备200内各种其他模块的功率，以使现场设备200 能够完全由从H1现场总线回路204接收的能量供电。现场设备200还包 括控制器210，它可以耦合到功率模块208和现场总线通信模块202。控 制器210优选地为低功率微处理器。现场设备200可选地包括过程变量 传感器212和/或过程致动器214。
按照本发明的一种实施例，将现场总线通信模块202配置成为提供 有如上文所述的检错和纠错。现场总线通信模块202釆用迭代解码算 法，对使用LDPC码或turbo码而发送的现场总线通信信息进行解码。优 选地是，现场设备200使用检错和纠错技术对其通信能力进行登记。一 种能够使现场设备在过程通信环境中显示其能力的方式是，使用已知 的设备描述语言。最后，参照图2，要说明的是，数据链路层104中的 帧检验序列126仅包括两个八位字节的数据。然而，LDPC码和/或turbo 码的使用，通常要求与有效载荷数据相比明显为更高的奇偶校验信息 比例。因此，按照本发明的一种具体实施例，检错和纠错码可能占据 比数据链路层的较大部分，大于帧检验序列部分126中的适合部分。相 应地，可以设想现场总线访问子层协议数据单元124不仅包括数据有效 载荷，而且还包括一些或全部奇偶校验信息。按照这种方式，能够以 对于用户应用110透明的方式实现现场总线纠错。这是重要的，因为本 发明实施例的实现可以不需要对任何用户应用进行S写，这有利于实 现。
尽管已经参考优选实施例描述了本发明，但本领域的技术人员可 以理解，在不背离本发明的精神和范围的前提下，可以在形式和细节 方面做出多种改变。
权利要求
1.一种现场设备，包括现场总线通信模块，可操作地耦合至H1现场总线通信网络；控制器，耦合至所述现场总线通信模块；其中，所述现场总线通信模块被配置成为对从所述H1现场总线通信网络接收到的数据提供纠错。
2. 根据权利要求1所述的现场设备，其中，所述现场总线通信模块被配置成为对从所述现场总线通信网络接收到的信息迭代地进行解码。
3. 根据权利要求2所述的现场设备，其中，所述现场总线通信模块被 配置成为对通过所述H1现场总线通信网络接收到的LDPC码迭代地进行解码。
4. 根据权利要求2所述的现场设备，其中，所述现场总线通信模块被 配置成为对通过所述Hl现场总线通信网络接收到的turbo码进行解 码。
5. 根据权利要求1所述的现场设备，其中，还包括可耦合至所述H1 现场总线通信网络的功率模块，所述功率模块耦合至所述现场总线通信模块和所述控制器，并将所述功率模块配置成为完全利用从所述Hl现场总线通信模块接收到的能量对所述现场设备供电。
6. 根据权利要求5所述的现场设备，其中，所述现场设备是固有地安 全的。
7. 根据权利要求1所述的现场设备，其中，所述现场设备是固有地安 全的。
8. 根据权利要求l所述的现场设备，其中，所述现场设备包括传感器，所述传感器被配置成为检测过程变量，并向所述控制器提供所述过程变量的指示。
9. 根据权利要求1所述的现场设备，其中，所述现场设备包括可耦合至控制器的致动器，并将所述致动器配置成为根据从所述控制器接收到的信号修改过程。
10. —种用于对通过H1现场总线数据通信网络接收到的消息进行修改的方法，所述方法包括如下步骤通过所述H1现场总线网络接收数据比特块；接收多个奇偶比特块；对所述奇偶比特块进行处理，产生与所述数据比特块有关的假 设；以及根据所述假设而改变所述数据比特块中至少一个比特。
11. 一种用于对通过H1现场总线通信网络接收到的消息进行修改的 方法，所述方法包括如下步骤接收多个数据比特；检测到所述接收到的数据比特中至少一个是被破坏的；以及 应用对于所述数据比特所允许码字的先验知识，修正所述被破坏 的比特。
12. —种H1组织现场总线网络上的数据结构，所述数据结构包括； 数据链路层协议数据单元；其中，所述数据链路层协议数据单元包括现场总线访问子层数据 单元；该数据单元中至少具有一些已编码的纠错信息。
13. 根据权利要求12所述的数据结构，其中，所述纠错信息包括LDPC 码。
14. 根据权利要求12所述的数据结构，其中，所述纠错信息包括turbo 码。
全文摘要
一种在H1现场总线网络(204)上进行通信的方法。H1现场总线网络(204)上的通信采用高级形式的纠错。按照一种实施方式，所述高级形式的纠错使用低密度奇偶校验码；而按照另一种实施方式，所述高级纠错采用turbo码。高级纠错以及H1组织现场总线网络(204)的使用，允许比31.25kbps更高的数据传输速度，和/或允许比当前使用的更低的信令电平。
文档编号H04L1/00GK101176289SQ200680016352
公开日2008年5月7日 申请日期2006年5月12日 优先权日2005年5月13日
发明者斯蒂芬·A·杰林斯基 申请人:费希尔-罗斯蒙德系统公司