基于WiFi的分布式測試網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計

石曉丹，胡曉磊，解亞妮

(中北大學(xué)電子測試技術(shù)國家重點實驗室，山西太原030051)

在某些軍事靶場、大型測試工業(yè)現(xiàn)場等測試領(lǐng)域中，需要通過多個測試節(jié)點進行數(shù)據(jù)采集來把握整體信息［1］。由于測試現(xiàn)場的惡劣環(huán)境及特殊地理位置，各個測試節(jié)點之間以及與控制中心之間需要進行大量的數(shù)據(jù)采集與傳輸，因此，傳統(tǒng)的點陣測量方法已經(jīng)滿足不了新的測試需求。隨著無線通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，測控技術(shù)開始向網(wǎng)絡(luò)化的分布式測試發(fā)展［2］。分布式測試網(wǎng)絡(luò)能夠通過無線局域網(wǎng)將分散的各個測試節(jié)點進行集中管理與控制，便于遠程操作。本文根據(jù)某沖擊波壓力場的測試需求，以及測試現(xiàn)場的高溫、高壓、高沖擊的惡劣條件，提出了一種基于WIFI的分布式測試網(wǎng)絡(luò)，主要對控制中心、測試節(jié)點的數(shù)據(jù)采集存儲、WIFI無線傳輸?shù)炔糠诌M行了設(shè)計，經(jīng)現(xiàn)場實驗驗證，該分布式測試網(wǎng)絡(luò)無線通信質(zhì)量良好，抗噪聲干擾能力較強，遠程操作便捷，能夠準確傳輸沖擊波壓力場信號，大大提高了測試的可靠性與實時性。

1 分布式測試網(wǎng)絡(luò)的整體框架

分布式測試網(wǎng)絡(luò)主要是由遠程控制中心、測試節(jié)點、AP組成。網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)圖如下圖1所示，壓力場場信號通過測試節(jié)點的ICP傳感器進行采集，經(jīng)A/D將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，在FPGA的控制下存儲在SDRAM中，數(shù)據(jù)流通過WIFI模塊進行異步串口通信，采用socket通信建立無線鏈路連接，接收到控制中心發(fā)起的請求指令，將所有的測試節(jié)點掛載到前端覆蓋AP上，然后通過IEEE 802.11 g協(xié)議經(jīng)中繼AP、站AP橋接進行無線指令與數(shù)據(jù)傳輸。

圖1 分布式測試WiFi網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 控制中心AC設(shè)計

控制中心AC主要由計算機和上位機軟件組成。上位機通過選用能夠在PC機上開發(fā)人機交互控制界面的Lab-VIEW軟件，實現(xiàn)指令的發(fā)送和數(shù)據(jù)的接收。

控制中心通過LabVIEW軟件開發(fā)的操作界面對覆蓋區(qū)域的分布式測試系統(tǒng)進行如下控制:首先，數(shù)據(jù)采集開始前，分布式測試系統(tǒng)接收控制中心的參數(shù)設(shè)置指令。測試人員操作LabVIEW軟件進行無線狀態(tài)掃描，無線數(shù)據(jù)存儲長度、負延時長度、采樣率等參數(shù)設(shè)置，LabVIEW軟件將參數(shù)打包后，通過TCP/IP協(xié)議，采用socket通信方式，經(jīng)各個AP的橋接，最終由分布式測試系統(tǒng)接收指令，并進行相應(yīng)的設(shè)置，此時處于待觸發(fā)狀態(tài)。然后，壓力場爆炸產(chǎn)生的壓力信號觸發(fā)分布式測試系統(tǒng)后，沖擊波壓力信號由測試系統(tǒng)的ICP壓電傳感器采集，經(jīng)信號調(diào)理、無線存儲、數(shù)據(jù)打包后，WiFi模塊將無線數(shù)據(jù)傳送至AP，通過TCP/IP協(xié)議及各個AP橋接，最終將采集數(shù)據(jù)無線傳輸至控制中心PC機，通過LabVIEW軟件解包顯示出完整的原始信號曲線，并將其保存以便進行后續(xù)的數(shù)據(jù)處理與分析。

2.2 數(shù)據(jù)采集存儲部分的設(shè)計

該測試節(jié)點的數(shù)據(jù)采集存儲部分主要包括ICP傳感器、信號調(diào)理、AD轉(zhuǎn)化、總控制單元、Wi-Fi模塊等，其中總控制單元由FPGA豐富的IO口和邏輯單元完成對外設(shè)備的控制。根據(jù)沖擊波壓力場信號的高沖擊、高頻、瞬態(tài)等特征［3］，測試節(jié)點采用PCB公司的ms級響應(yīng)、抗干擾能力強ICP壓電式傳感器進行信號采集。ICP傳感器將沖擊波場壓力信號轉(zhuǎn)化為電信號。信號調(diào)理電路將調(diào)理后的模擬信號經(jīng)過ADC轉(zhuǎn)化為12位的數(shù)字信號，在FPGA的控制下，將12位的數(shù)據(jù)分割為高6位和低6位，并設(shè)置添加相應(yīng)的標志位，其中高位為11xxxxxx，低位為00xxxxxx，采用DMA模式存儲技術(shù)，將數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)總線存儲到SDRAM中。測試節(jié)點選用具有8M×16bit存儲空間的美光SDRAM及XC3S400A型號的FPGA。系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)時先通過上位機LabVIEW軟件設(shè)置負延時、存儲長度、觸發(fā)電平等參數(shù)。將轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號與事先設(shè)置好的觸發(fā)電平值進行比較，一旦高于觸發(fā)電平，連續(xù)采集5個點仍滿足觸發(fā)條件，則排除外部高頻噪聲干擾，此時判斷系統(tǒng)觸發(fā)。當A/D完成一次轉(zhuǎn)換后，觸發(fā)標志位置高，數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)總線上，F(xiàn)PGA檢測到觸發(fā)標志位的上升沿后，通過狀態(tài)機依次進行SDRAM激活，寫命令，預(yù)充電，刷新操作，將數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)存儲到SDRAM中。數(shù)據(jù)采集存儲流程如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集存儲流程圖

2.3 WiFi無線通信模塊

WiFi無線通信模塊對于無線傳輸質(zhì)量至關(guān)重要，是分布式測試WiFi網(wǎng)絡(luò)的核心［4］。根據(jù)測試需求，采用通信速率為54 Mb/s、保密性高、單點覆蓋距離大于100 m的WiFi無線通信技術(shù)進行前端目標區(qū)域覆蓋。采用力天宏威推出的LTWE140型號的WiFi模塊。該模塊工作在2.4 GHz，支持802.11 b/g協(xié)議、內(nèi)部集成TCP/IP協(xié)議棧和驅(qū)動程序、支持串口透傳，模塊串口波特率可高達921 600 bps。測試系統(tǒng)中的WiFi通信模塊工作時，采用異步串口通信，利用串口的硬件流控模式保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_性。在FPGA的控制下將起始位、8位數(shù)據(jù)位、奇偶校驗位、停止位打包為一幀，以幀為單位通過串口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絎iFi模塊內(nèi)，通過Socket通信將打包好的數(shù)據(jù)無線傳輸給覆蓋AP，經(jīng)橋接在控制中心LabVIEW軟件上解析并顯示。PC機通過LabVIEW軟件，根據(jù)高低位數(shù)據(jù)大小范圍的不同來實現(xiàn)標志位的檢測，合并高低位并得到了原始數(shù)據(jù)，從而顯示完整的數(shù)據(jù)曲線。

2.4 WiFi模塊的配置與實現(xiàn)

力天宏威的LTWE140的WiFi模塊，具有三種接口方式:UART、SPI和I2C。本文設(shè)計的測試節(jié)點采用UART接口傳輸。主要分為模塊供電單元和串口傳輸。該模塊的工作電壓為3.3 V，在2.4 GHz頻段工作。該模塊有三種工作模式:WiFi正常工作(normal)、WiFi定時喚醒(Timing Sleep)、WiFi斷電(Power Down)。在測試節(jié)點待觸發(fā)狀態(tài)時，需要最大限度地降低功耗，節(jié)約電池能源，此時進入WiFi斷電模式。因此，需要增加WiFi模塊斷電電路，可以在FPGA的控制下通過高低電平來進行電源的開斷。如圖3所示，串口傳輸電路是通過FPGA的I/O口與WiFi模塊的TXD、RXD、CTS和RTS的四個引腳相連進行相應(yīng)控制。采用硬件流控的方式進行數(shù)據(jù)的可靠傳輸。

對該WiFi模塊進行相應(yīng)的參數(shù)配置，可以通過串口與網(wǎng)頁兩種配置方式。根據(jù)測試需求以及模塊自身特點，通過串口線將WiFi模塊與PC機進行參數(shù)設(shè)置。網(wǎng)絡(luò)名稱SSID默認為ubnt，將網(wǎng)絡(luò)模式設(shè)置為以AP為中心的基礎(chǔ)網(wǎng)模式，串口波特率設(shè)置為最高值921 600 bps，IP地址設(shè)置為192.168.1.1＊＊(＊＊為 0～99的整數(shù))以及端口號，并將其作為測試系統(tǒng)的標識號。根據(jù)Socket通信方式，將WiFi模塊的連接類型設(shè)置為服務(wù)器模式，控制中心設(shè)置為客戶端模式。模塊協(xié)議類型選擇時，由于TCP協(xié)議是具有數(shù)據(jù)校驗與重傳機制的、面向用戶連接的、可靠傳輸協(xié)議［5］，相比UDP簡單數(shù)據(jù)協(xié)議更能滿足測試要求，因此，將其設(shè)置為TCP可靠數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。

圖3 WiFi模塊與控制器接口電路圖

2.5 Socket通信

分布式測試網(wǎng)絡(luò)中，控制中心與測試節(jié)點采用服務(wù)器端/客戶端的主從架構(gòu)，采用Socket方式進行通信。Socket通信方式分為三個步驟進行數(shù)據(jù)和指令的傳輸，，即服務(wù)器端監(jiān)聽、客戶端請求、連接確認［6］。首先，服務(wù)器端對各個客戶端的端口進行監(jiān)聽。其次，客戶端需要通過監(jiān)聽的端口對服務(wù)器發(fā)出主動請求。最后，在服務(wù)器接收到客戶端的請求后，建立通信連接，二者關(guān)系對等。在分布式測試網(wǎng)絡(luò)中，如果將控制中心設(shè)置為服務(wù)器端模式，測試節(jié)點設(shè)置為客戶端模式，在進行WiFi無線數(shù)據(jù)傳輸時，控制中心需要實時監(jiān)聽各個測試節(jié)點，一旦所有測試節(jié)點同時發(fā)出主動連接請求，那么控制中心需要處理大量的數(shù)據(jù)，可能會造成某些測試節(jié)點請求超時，無線通信連接失敗。因此，為避免出現(xiàn)這種情況，將控制中心PC機設(shè)置為客戶端模式，測試節(jié)點設(shè)置為服務(wù)器端模式。Socket通信圖如圖4所示，多個測試節(jié)點對控制中心進行監(jiān)聽，需要建立通信時，控制中心發(fā)出請求，測試系統(tǒng)能夠快速響應(yīng)，建立Socket通信。這樣，既減輕了控制中心的監(jiān)聽任務(wù)，又保證了通信連接的實時性。

圖4 Socket通信圖

3 實驗驗證

在某次靶場實驗中，結(jié)合測試現(xiàn)場情況、信號源的具體位置，進行分布式測試網(wǎng)絡(luò)搭建。由于沖擊波壓力信號的瞬態(tài)超壓、高毀傷力，需要將系統(tǒng)進行近地面掩埋處理，將10套分布式測試系統(tǒng)圍繞信號源進行合理布設(shè)，以保證最大程度獲取整體信息。根據(jù)沖擊波壓力場信號的測試要求，將覆蓋AP、中繼AP、站AP統(tǒng)一架高6 m。在目標覆蓋區(qū)域搭建時，覆蓋AP下傾3°，主瓣方向?qū)仕鶞y信號源。中繼AP與前端覆蓋AP通過RJ-45網(wǎng)線相連，背向固定。中繼AP主瓣方向?qū)蕛晒锿獾恼続P，實現(xiàn)中繼點對點無線傳輸。最后，站AP與控制中心PC機通過網(wǎng)線連接。測試人員可通過LabVIEW軟件設(shè)置參數(shù)，監(jiān)測各個測試節(jié)點的工作狀態(tài)及無線信號強度、信噪比、信道等。

圖5 實驗結(jié)果圖

通過對分布式測試網(wǎng)絡(luò)目標區(qū)域進行了信號傳輸速率、覆蓋范圍、信號質(zhì)量等指標的測試，如圖5所示，實驗證明通過WiFi分布式測試網(wǎng)絡(luò)能夠在控制中心LabVIEW上顯示完整的、噪聲較小、較為平滑的沖擊波壓力信號曲線，并可以進行后續(xù)數(shù)據(jù)處理。網(wǎng)絡(luò)前端覆蓋區(qū)域能夠準確捕獲壓力場場信號并及時響應(yīng)控制中心發(fā)出的指令，覆蓋范圍能夠達到測試需求的200 m，無線傳輸質(zhì)量達到了網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的各項指標要求。因此，分布式測試整體網(wǎng)絡(luò)性能穩(wěn)定可靠，遠程操作便捷，實用性強。

［1］李洪烈，李洪河，王好同.自動測試技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展［J］.海軍航空工程學(xué)院學(xué)報，2002，2(1):231 －234.

［2］李本亮.基于無線局域網(wǎng)的分布式測試系統(tǒng)實時性及同步時鐘的研究［D］.成都:電子科技大學(xué)，2011.

［3］李鳳保.網(wǎng)絡(luò)化測試系統(tǒng)及實時性研究［D］.成都:電子科技大學(xué)，2003.

［4］熊卿青，鄧媛嫄.現(xiàn)代無線通信技術(shù)的現(xiàn)狀分析及其發(fā)展前景［J］.科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2002，2(2):31 －34.

［5］鄒向毅.IEEE802.11無線局域網(wǎng)MAC協(xié)議性能研究與優(yōu)化［D］.西安:西安電子科技大學(xué)，2008.

［6］梁國柱.運營級 WLAN組網(wǎng)及工程設(shè)計規(guī)劃探討［D］.廣州:華南理工大學(xué)，2011.