工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)試方法研究和實(shí)現(xiàn)

姜德志 費(fèi)敏銳 李 昕

(上海大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院1，上海 200072;上海市電站自動(dòng)化技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2，上海 200072)

0 引言

近年來，中短程無線通信技術(shù)發(fā)展迅速，它正逐步滲透到工業(yè)控制領(lǐng)域，具有很好的應(yīng)用前景?；贗EEE 802.15.4a(4A)標(biāo)準(zhǔn)的線性調(diào)頻擴(kuò)頻技術(shù)(chirp spread spectrum，CSS)綜合了FSK、PSK和ASK三種調(diào)制方式的優(yōu)點(diǎn)，能有效地抑制惡劣環(huán)境中的噪聲和干擾且功耗極低，特別適合應(yīng)用于工業(yè)場(chǎng)合［1］。為了研究該標(biāo)準(zhǔn)下的工業(yè)無線產(chǎn)品安全性和穩(wěn)定性，需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的測(cè)試和驗(yàn)證方法，以考察其性能。

目前，人們對(duì)于該標(biāo)準(zhǔn)的大部分研究工作還只是基于普通的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的離線性能分析［2］，新的測(cè)試方法和裝置未見報(bào)道。本文分析總結(jié)了該標(biāo)準(zhǔn)無線網(wǎng)絡(luò)的各種研究方法，提出了該無線網(wǎng)絡(luò)的性能測(cè)試分析方法，并開發(fā)相應(yīng)的測(cè)試裝置，以考察其在工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中通信的性能指標(biāo)，為優(yōu)化和改善工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)通信提供了依據(jù)。

1 實(shí)時(shí)性測(cè)試方法

1.1 工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性

實(shí)時(shí)性是指信號(hào)的輸入、運(yùn)算和輸出都要在一定的時(shí)間內(nèi)完成，并根據(jù)生產(chǎn)過程工況及現(xiàn)場(chǎng)情況變化進(jìn)行及時(shí)處理［3］。實(shí)時(shí)與快速并非是相同的含義，無論網(wǎng)絡(luò)的傳輸速度如何，只要在規(guī)定的響應(yīng)時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生響應(yīng)動(dòng)作，都說明系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性。工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性是指網(wǎng)絡(luò)中的功能節(jié)點(diǎn)通過網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系在一起，當(dāng)某個(gè)節(jié)點(diǎn)向網(wǎng)絡(luò)發(fā)出訪問請(qǐng)求時(shí)，功能節(jié)點(diǎn)能夠在響應(yīng)時(shí)間內(nèi)完成相應(yīng)的功能操作［4］。對(duì)于工業(yè)無線通信的實(shí)時(shí)性測(cè)試主要是考核該網(wǎng)絡(luò)對(duì)各類事件的響應(yīng)速度、穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性等性能，其關(guān)注的對(duì)象是工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)的性能指標(biāo)，如:丟包率、時(shí)延、控制周期和吞吐量等，這些性能指標(biāo)是準(zhǔn)確評(píng)價(jià)在不同網(wǎng)絡(luò)負(fù)載下協(xié)議實(shí)現(xiàn)性能的一種重要手段。

1.2 測(cè)試方法

目前，基于IEEE 802.15.4a標(biāo)準(zhǔn)的無線網(wǎng)絡(luò)的測(cè)試研究方法主要有理論分析、計(jì)算機(jī)仿真和真實(shí)測(cè)試平臺(tái)三大類。理論分析是用數(shù)學(xué)建模的方法對(duì)網(wǎng)絡(luò)及其環(huán)境進(jìn)行詳細(xì)的描述和分析，間接實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)際應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)的研究。計(jì)算機(jī)仿真方法是利用NS2、OPNET、Matlab等仿真軟件對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行研究，這類方法具有成本低、靈活性好和可靠性高等優(yōu)勢(shì)。真實(shí)測(cè)試平臺(tái)本質(zhì)上就是原型系統(tǒng)，最接近于實(shí)際應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境［5］。

理論分析和計(jì)算機(jī)仿真的方法雖然可以進(jìn)行多個(gè)同類協(xié)議的比較，但建模復(fù)雜，且不可能完全模擬工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的真實(shí)環(huán)境。真實(shí)平臺(tái)的測(cè)試方法更為真實(shí)可信，不僅全面包含影響網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的各個(gè)因素，而且避免了因模型簡(jiǎn)化而導(dǎo)致的誤差。通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)基于IEEE 802.15.4a的CSS物理層協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的研究平臺(tái)較少，大多數(shù)是理論仿真分析;而本課題已經(jīng)設(shè)計(jì)好基于IEEE 802.15.4a的CSS物理層協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)無線節(jié)點(diǎn)，并將該類節(jié)點(diǎn)集成到工業(yè)控制系統(tǒng)中去，且運(yùn)行穩(wěn)定。因此，本文選擇了真實(shí)平臺(tái)的測(cè)試方法，并開發(fā)了測(cè)試裝置。

1.3 測(cè)試方法的實(shí)現(xiàn)

工業(yè)無線產(chǎn)品通常是以協(xié)議轉(zhuǎn)換器、ODBC、OPC和網(wǎng)關(guān)等方式接入到現(xiàn)有的控制系統(tǒng)。采用OPC、ODBC等方式的無線網(wǎng)路不能保證測(cè)試數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性，但若以硬件的方式接入到控制系統(tǒng)中，如轉(zhuǎn)換器或者網(wǎng)關(guān)等，則可以解決上述問題。

本文研究的無線網(wǎng)絡(luò)是通過協(xié)議轉(zhuǎn)換器接入到工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)。按照這種接入方式，測(cè)試裝置通過無線發(fā)送數(shù)據(jù)、有線接收數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的跟蹤測(cè)試。

測(cè)試裝置接入無線網(wǎng)絡(luò)的測(cè)試方法示意圖如圖1所示。

圖1 測(cè)試方法示意圖Fig.1 Schema of test method

由圖1可知，測(cè)試數(shù)據(jù)包的傳輸路徑為性能測(cè)試裝置(無線子節(jié)點(diǎn))→協(xié)議轉(zhuǎn)換裝置(無線主站)→主干網(wǎng)絡(luò)PLC主站→協(xié)議轉(zhuǎn)換裝置(Modbus/TCP Client)→性能測(cè)試裝置。協(xié)議轉(zhuǎn)換裝置由無線主站、Modbus/TCP Client、Profibus-DP從站等組成。無線主站收到測(cè)試數(shù)據(jù)包后，通過協(xié)議轉(zhuǎn)換裝置變換成Profibus-DP報(bào)文并上傳至PLC控制器;PLC將報(bào)文分發(fā)至有線網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)映射區(qū)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，通過Profibus-DP報(bào)文分發(fā)至協(xié)議轉(zhuǎn)換裝置。協(xié)議轉(zhuǎn)換裝置將該P(yáng)rofibus-DP報(bào)文轉(zhuǎn)換為Modbus/TCP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議報(bào)文，發(fā)送給測(cè)試節(jié)點(diǎn)。在此過程中采用時(shí)間戳的概念，記錄下每次數(shù)據(jù)包在各種協(xié)議中的接收/發(fā)送時(shí)間、收發(fā)數(shù)據(jù)包的數(shù)量及其他有效信息，并最終計(jì)算出無線網(wǎng)絡(luò)的各種性能參數(shù)。

本文選擇了無線網(wǎng)絡(luò)的丟包率、無線網(wǎng)絡(luò)流量、無線網(wǎng)絡(luò)令牌循環(huán)時(shí)間和有線無線網(wǎng)絡(luò)的控制周期作為無線網(wǎng)絡(luò)性能的指標(biāo)。丟包率指一段時(shí)間內(nèi)無線丟失的包個(gè)數(shù)與發(fā)送的包的總數(shù)量之比;無線網(wǎng)絡(luò)流量指單位時(shí)間內(nèi)發(fā)送接收的數(shù)據(jù)總和;令牌循環(huán)周期指同一個(gè)無線節(jié)點(diǎn)相鄰兩次收到令牌的循環(huán)時(shí)間，表達(dá)式為:

式中:Tn為無線節(jié)點(diǎn)C第N次收到令牌的時(shí)間;Tn+1為第N+1次收到令牌的時(shí)間。

控制周期指在一組測(cè)試中，數(shù)據(jù)包離開A網(wǎng)絡(luò)源節(jié)點(diǎn)記錄時(shí)間為Tsend，經(jīng)過網(wǎng)關(guān)或者協(xié)議轉(zhuǎn)換器有效地穿越至B網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)過主控制器后處理后再回到A網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)時(shí)間為Trecv?？刂浦芷谟?jì)算表達(dá)式為:

2 裝置硬件實(shí)現(xiàn)

本文選擇了AT91RM9200處理器，工作溫度范圍為－40～+80℃，具有很好的抗干擾特點(diǎn)。通過SPI總線與NA1TR8無線模塊連接，實(shí)現(xiàn)測(cè)試裝置的無線通信功能。無線模塊采用了線性調(diào)頻擴(kuò)頻CSS技術(shù)作為實(shí)現(xiàn)工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議IEEE 802.15.4a的物理層標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)試裝置硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 測(cè)試裝置硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Hardware structure of the test device

AT91RM9200微處理器集成了以太網(wǎng)控制器，通過MDIO接口外擴(kuò)DM9161以太網(wǎng)物理層接口芯片，對(duì)外通過RJ45網(wǎng)口與其他的Modbus節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，其本身作為一個(gè)Modbus/TCP Server節(jié)點(diǎn)。LCD顯示屏采用Topway的 LM32019EWF，分辨率為320×240，供電電壓為3.3 V，它以8080總線的方式連接到AT91RM9200微處理器上。

觸摸屏采用的是AD7843芯片，通過I/O口線連接到處理器上，模擬SPI實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的通信。系統(tǒng)擴(kuò)展了DM9000網(wǎng)口與上位機(jī)進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)與上位計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)交互;此外，還擴(kuò)展了SDRAM存儲(chǔ)器和FLASH存儲(chǔ)器、USB接口、串口、輸入輸出I/O等。該裝置與測(cè)試網(wǎng)絡(luò)連接采用無線(基于IEEE 802.15.4a標(biāo)準(zhǔn)CSS物理層的NA1TR8無線模塊)和有線(Modbus/TCP)的方式，實(shí)現(xiàn)與測(cè)控平臺(tái)的接入。

3 程序?qū)崿F(xiàn)

3.1 應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

3.1.1 無線測(cè)試程序的實(shí)現(xiàn)

測(cè)試裝置通過無線接入到無線令牌環(huán)網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)試。測(cè)試的具體步驟為:程序先進(jìn)行初始化，測(cè)試裝置等待加入到無線令牌環(huán)網(wǎng)絡(luò)。測(cè)試裝置加入后等待獲得網(wǎng)絡(luò)的令牌。測(cè)試裝置獲得令牌后將測(cè)試數(shù)據(jù)發(fā)送至無線主站，同時(shí)將數(shù)據(jù)保存到一張二維表格Ⅰ里。無線主站(協(xié)議轉(zhuǎn)換器)將測(cè)試數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成Profibus-DP的數(shù)據(jù)包發(fā)送至PLC，PLC進(jìn)行相應(yīng)的處理后，將數(shù)據(jù)返回協(xié)議轉(zhuǎn)換器。協(xié)議轉(zhuǎn)換器將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換成Modbus/TCP的數(shù)據(jù)包發(fā)送給測(cè)試裝置，測(cè)試裝置將接收到的數(shù)據(jù)記錄到表Ⅰ中。當(dāng)表Ⅰ記滿后自動(dòng)轉(zhuǎn)到表Ⅱ，等待數(shù)據(jù)處理程序處理表Ⅰ的數(shù)據(jù)，處理完畢后清零。

3.1.2 數(shù)據(jù)處理程序的實(shí)現(xiàn)

數(shù)據(jù)處理程序流程如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)處理程序流程圖Fig.3 Flowchart of data processing program

當(dāng)表Ⅰ(Ⅱ)完成256次測(cè)試后，測(cè)試程序會(huì)發(fā)送表Ⅰ(Ⅱ)測(cè)試完畢的信號(hào)量，數(shù)據(jù)處理程序獲得該同步信號(hào)量，并對(duì)該表進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

根據(jù)表中發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)信息計(jì)算出丟包率，令牌循環(huán)時(shí)間、無線網(wǎng)絡(luò)的流量和控制周期等參數(shù)。處理完成后清除表格中的數(shù)據(jù)，并保存處理結(jié)果到相應(yīng)的數(shù)據(jù)區(qū)。

3.1.3 接口程序的實(shí)現(xiàn)

顯示程序和觸摸屏輸入程序主要完成對(duì)測(cè)試結(jié)果的顯示和用戶的設(shè)置。上電后首先對(duì)硬件進(jìn)行初始化，然后通過輸入信息選擇相應(yīng)的顯示信息，即:丟包率顯示、流量顯示、令牌循環(huán)時(shí)間顯示、延時(shí)顯示以及與其他用戶交互的界面選擇。上位機(jī)通信利用套接字中的socket()和connect()函數(shù)與上位機(jī)之間建立起可用的TCP連接，用send()和receive()函數(shù)將測(cè)試結(jié)果告知計(jì)算機(jī)。

3.2 多任務(wù)調(diào)度的實(shí)現(xiàn)

測(cè)試裝置的軟件系統(tǒng)采用VxWorks嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。VxWorks實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)提供的多任務(wù)機(jī)制中對(duì)任務(wù)的控制采用了優(yōu)先級(jí)搶占和輪轉(zhuǎn)調(diào)度機(jī)制［7］，充分保證了可靠的實(shí)時(shí)性，使同樣的硬件配置能滿足更強(qiáng)的實(shí)時(shí)性要求，為應(yīng)用開發(fā)留下更大的余地。

在主程序中設(shè)定系統(tǒng)時(shí)鐘分辨率及任務(wù)調(diào)度方式，并創(chuàng)建 twire、thandle、tclient、tdisplay 和 tserver共五個(gè)新任務(wù)。twire為無線節(jié)點(diǎn)任務(wù)，主要完成入網(wǎng)和發(fā)送接收數(shù)據(jù)、發(fā)送令牌等操作;thandle為性能測(cè)試結(jié)果的計(jì)算任務(wù)，將一次測(cè)試過程中的各項(xiàng)數(shù)據(jù)記錄在列表中，計(jì)算得到性能指標(biāo)值等;tclient為TCP客戶端任務(wù)，主要利用socket和connect函數(shù)建立起可用的TCP連接，用send和receive函數(shù)發(fā)送報(bào)文并接收對(duì)方響應(yīng)，完成一次測(cè)試結(jié)果的上傳;tdisplay為顯示和輸入任務(wù)，用于對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的顯示和控制;tserver是Modbus/TCP服務(wù)器程序，完成Modbus/TCP網(wǎng)絡(luò)通信的功能。上述各任務(wù)并行運(yùn)行，任務(wù)之間的通信采用信號(hào)量和消息的方式。

各任務(wù)之間分別采用semhandle、semclient、semdisplay這三種信號(hào)量進(jìn)行通信。其中，semhandle信號(hào)量用來同步thandle與tserver任務(wù)，即當(dāng)Modbus/TCP服務(wù)器端接收完一組測(cè)試包后才能開啟性能計(jì)算任務(wù);semclient信號(hào)量用來同步thandle與tclient任務(wù)，當(dāng)測(cè)試數(shù)據(jù)計(jì)算得出結(jié)果后才能通過客戶端上傳至上位機(jī);semdisplay用來同步thandle和tdisplay任務(wù)，即將thandle計(jì)算的數(shù)據(jù)結(jié)果同步顯示在液晶屏上。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證

待測(cè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 待測(cè)網(wǎng)絡(luò)拓樸結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure of the network under test

無線網(wǎng)絡(luò)流量、令牌周期和控制周期示意圖分別如圖5、圖6所示。

經(jīng)過測(cè)試，我們得到該系統(tǒng)在傳輸距離為30 m以內(nèi)的丟包率小于0.1%，無線到Modbus/TCP的現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)的控制周期為27.34 ms。

5 結(jié)束語

本文對(duì)基于IEEE 802.15.4a標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，該方法能夠有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)該標(biāo)準(zhǔn)無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行測(cè)試。

該測(cè)試方法提出了基于IEEE 802.15.4的CSS標(biāo)準(zhǔn)的嵌入式工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)的測(cè)試［10－12］，其主要優(yōu)點(diǎn)在于由嵌入式操作系統(tǒng)提供統(tǒng)一的時(shí)間基準(zhǔn)而避免了時(shí)間基準(zhǔn)引起的測(cè)量誤差，并將測(cè)試裝置接入現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)段中進(jìn)行測(cè)量，能更精確地獲得性能參數(shù)。工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)試的研究和實(shí)現(xiàn)，為改善和優(yōu)化基于IEEE 802.15.4a標(biāo)準(zhǔn)的無線網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議和保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供了有力的依據(jù)。

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