基于WiFi的無線存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

軒春青，軒志偉，賴富文，張國棟

（1.鄭州成功財(cái)經(jīng)學(xué)院信息工程系，河南鞏義451200；2.中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國防重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051；3.武漢高德紅外股份有限公司，武漢430070；4.中國白城兵器實(shí)驗(yàn)中心，吉林白城137001）

基于WiFi的無線存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

軒春青1*，軒志偉2，3，賴富文2，4，張國棟3

（1.鄭州成功財(cái)經(jīng)學(xué)院信息工程系，河南鞏義451200；2.中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國防重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051；3.武漢高德紅外股份有限公司，武漢430070；4.中國白城兵器實(shí)驗(yàn)中心，吉林白城137001）

為了解決傳統(tǒng)測(cè)試儀器在針對(duì)場(chǎng)信號(hào)測(cè)試時(shí)布線麻煩、干擾嚴(yán)重；現(xiàn)有的存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)無法監(jiān)控各測(cè)點(diǎn)狀態(tài)、數(shù)據(jù)不能及時(shí)回傳等問題。提出了一種基于WiFi的無線分布式測(cè)試系統(tǒng)，綜合運(yùn)用存儲(chǔ)測(cè)試和無線通信技術(shù)，解決了存儲(chǔ)測(cè)試中出現(xiàn)的問題。系統(tǒng)在FPGA控制下完成數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)和無線傳輸?shù)裙δ?。增加了斷線重連等無線功能，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕?duì)天線進(jìn)行選擇。試驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)工作穩(wěn)定、數(shù)據(jù)傳輸可靠，能夠?qū)Ω鳒y(cè)試節(jié)點(diǎn)進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)控、參數(shù)設(shè)置和數(shù)據(jù)回讀等操作，具有良好的應(yīng)用前景。

存儲(chǔ)測(cè)試；無線傳輸；狀態(tài)監(jiān)控；斷線重連

EEACC：7230doi：10.3969/j.issn.1004-1699.2016.05.023

作為評(píng)測(cè)彈藥毀傷威力的一個(gè)指標(biāo)，在進(jìn)行實(shí)彈爆破試驗(yàn)時(shí)必須對(duì)沖擊波超壓進(jìn)行測(cè)試。目前，沖擊波測(cè)試中常用的方法有引線電測(cè)法與存儲(chǔ)測(cè)試法［1］，引線電測(cè)法將傳感器置于爆炸現(xiàn)場(chǎng)，信號(hào)調(diào)理和數(shù)據(jù)采集儀器置于遠(yuǎn)離爆炸現(xiàn)場(chǎng)的掩體內(nèi)，二者通過導(dǎo)線相連［1］。引線電測(cè)法系統(tǒng)搭建簡(jiǎn)單，能監(jiān)測(cè)測(cè)試裝置的狀態(tài)［2］，但布線麻煩、信號(hào)干擾嚴(yán)重。存儲(chǔ)測(cè)試技術(shù)將傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、采集存儲(chǔ)電路以及各種接口集成到一起，做到小型化使測(cè)試裝置能置于現(xiàn)場(chǎng)［3-4］，測(cè)試結(jié)束后通過相應(yīng)的接口回收其獲取的數(shù)據(jù)，具有布設(shè)方便、噪聲小等優(yōu)點(diǎn)［5］，但卻無法對(duì)裝置狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控、測(cè)試數(shù)據(jù)需要回讀，限制了其發(fā)展應(yīng)用。本文介紹一種基于WiFi的無線存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)，將存儲(chǔ)測(cè)試技術(shù)與無線通信技術(shù)結(jié)合起來，充分發(fā)揮存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)可靠性高、布設(shè)方便的優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合無線靈活性的特點(diǎn)［6］，使得測(cè)試系統(tǒng)完全勝任復(fù)雜場(chǎng)信號(hào)的測(cè)試，降低了系統(tǒng)構(gòu)建成本，解決了布線困難、管理不便以及擴(kuò)展性差的問題。

1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

無線測(cè)試系統(tǒng)由信號(hào)調(diào)理電路、采集存儲(chǔ)電路、無線傳輸電路以及接口電路組成。系統(tǒng)的原理框圖如圖l所示。傳感器將物理信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，通過調(diào)理電路進(jìn)行放大、濾波和加偏置等處理后，通過AD的量化采集，轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)，整個(gè)采集過程由FPGA控制完成。在FPGA的控制下，無線模塊與控制中心之間建立起的通信鏈路，將獲取的數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂浦行?。預(yù)留的USB通信接口可保證數(shù)據(jù)在無線通信故障或者需要屏蔽無線時(shí)能可靠回收。使用時(shí)，控制中心置于安全的距離外，測(cè)試節(jié)點(diǎn)布設(shè)于爆炸場(chǎng)中?？刂浦行耐ㄟ^無線對(duì)各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)控、參數(shù)設(shè)置以及數(shù)據(jù)回讀等操作。上位機(jī)通過調(diào)用相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)獲取的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并顯示。

圖1　系統(tǒng)原理框圖

2　系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的主要任務(wù)是完成數(shù)據(jù)的采集存儲(chǔ)和無線傳輸?shù)裙δ?，結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2　采集系統(tǒng)的基本組成

信號(hào)調(diào)理電路主要用于驅(qū)動(dòng)傳感器工作、對(duì)傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，并實(shí)現(xiàn)信號(hào)的放大等功能。傳感器輸出信號(hào)帶有10 V左右的直流偏置電壓［7-8］，必須經(jīng)隔直電路并重新加載合適的偏置電壓后才能使用AD進(jìn)行量化采集。為了降低模擬部分的噪聲，對(duì)所采用的運(yùn)放進(jìn)行單電源供電，通過綜合使用放大電路和差分電路的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)加直流偏置電壓，并確保在對(duì)信號(hào)進(jìn)行不同的放大倍數(shù)時(shí)，偏置電壓保持穩(wěn)定。信號(hào)放大倍數(shù)由模擬開關(guān)控制不同的反饋電阻實(shí)現(xiàn)，為達(dá)到精準(zhǔn)的放大倍數(shù)，采用特制精密電阻。使用二階壓控低通有源濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行抗混疊濾波處理。濾波器的截止頻率由沖擊波信號(hào)特點(diǎn)而定，一般設(shè)置為300 kHz，濾波后的信號(hào)通過AD采樣，轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)和傳輸。

數(shù)字采集電路通過FPGA控制AD采集轉(zhuǎn)換、SDRAM存儲(chǔ)、USB通信傳輸、觸發(fā)電平選擇、延時(shí)采集等各項(xiàng)功能；USB通信采用FTDI公司的FT245通信協(xié)議芯片，通過該芯片可以實(shí)現(xiàn)USB和并行接口之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換，其工作流程由FPGA內(nèi)的USB控制軟核控制［9-10］。SDRAM中的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送到無線模塊中，利用無線方式傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，最終在上位機(jī)上完成顯示、分析等。整個(gè)流程由FPGA控制，SDRAM模塊、USART模塊和USB控制模塊在時(shí)鐘信號(hào)控制下完成相應(yīng)功能，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與輸出工作。

3　無線功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用的WiFi模塊內(nèi)部集成完整的TCP/IP協(xié)議棧，支持Socket編程接口。根據(jù)項(xiàng)目需求對(duì)其進(jìn)行二次開發(fā)并設(shè)計(jì)接口電路。無線功能主要有掛載功能：確保無線模塊能關(guān)聯(lián)到相應(yīng)的AP上；斷線重連：保證無線中斷后能重新連接掛載到AP上并建立無線鏈路，增強(qiáng)無線功能的可靠性；

無線模塊通過串口與控制器（FPGA）相連。為防止傳輸過程因信號(hào)不穩(wěn)定造成數(shù)據(jù)丟失，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，增加了硬件流控功能。測(cè)試系統(tǒng)和控制中心采用主從架構(gòu)即C/S結(jié)構(gòu)，使用socket連接進(jìn)行通信。其中服務(wù)器在連接前監(jiān)聽是否有客戶端進(jìn)行請(qǐng)求，而客戶端能主動(dòng)發(fā)起連接，工作流程如圖3所示。測(cè)試系統(tǒng)定時(shí)對(duì)無線鏈路進(jìn)行檢測(cè)，在惡劣環(huán)境下無線鏈路斷開時(shí)，能夠重新掃描周圍的無線網(wǎng)絡(luò)并掛載到指定的AP上，建立通信鏈接，確保無線通信的通暢。

控制中心功能較多，將其設(shè)為服務(wù)器模式時(shí)，與多套測(cè)試系統(tǒng)同時(shí)通信存在響應(yīng)不夠及時(shí)，出現(xiàn)連接超時(shí)等問題。為了提高測(cè)試系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，將測(cè)試節(jié)點(diǎn)設(shè)置為服務(wù)器模式，通信時(shí)由控制中心發(fā)起請(qǐng)求。測(cè)試節(jié)點(diǎn)在相應(yīng)的端口偵聽到的請(qǐng)求時(shí)就建立起通信鏈路，進(jìn)而開始數(shù)據(jù)傳輸，接收控制中心發(fā)來的指令。

圖3　無線鏈路建立流程圖

3.1無線功能驗(yàn)證

無線模塊功能調(diào)試完成后，每次上電后即自動(dòng)連接到指定的無線網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器。在設(shè)計(jì)完成后，需對(duì)無線掛載、斷線重連和無線傳輸?shù)裙δ苓M(jìn)行驗(yàn)證。確保無線模塊數(shù)據(jù)收發(fā)功能正常；且關(guān)聯(lián)到相應(yīng)的AP上并能重新建立無線連接。具體試驗(yàn)如下：①掛載功能的驗(yàn)證：給無線模塊和AP上電，等待無線模塊掛載到AP上，通過使用ping指令驗(yàn)證無線鏈路的通暢；②斷線重連：當(dāng)掛載功能完成后，給AP斷電后再上電，繼續(xù)使用ping指令，觀察模塊能否連接到AP上，重新建立無線鏈路；③無線傳輸：使用TCP調(diào)試工具，建立客戶端連接，驗(yàn)證TCP連接功能。通過相互發(fā)送數(shù)據(jù)并對(duì)比接收端與發(fā)送端的數(shù)據(jù)，驗(yàn)證其數(shù)據(jù)傳輸功能，如圖4所示。

在進(jìn)行大量數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，如果無線鏈路中斷將會(huì)丟失一部分?jǐn)?shù)據(jù)，包括無線模塊緩存中的數(shù)據(jù)［11-12］。為保證大量數(shù)據(jù)連續(xù)傳輸時(shí)不丟失，利用FPGA對(duì)無線狀態(tài)管腳進(jìn)行檢測(cè)，在鏈路中斷后無線模塊會(huì)將無線狀態(tài)管腳置高，將該管腳信號(hào)作為約束信號(hào)，控制數(shù)據(jù)幀的發(fā)送，檢測(cè)到該管腳為高時(shí)停止發(fā)送數(shù)據(jù)。等待無線鏈路建立后，從接收端讀取已收到的數(shù)據(jù)幀號(hào)，然后FPGA從該幀重新發(fā)送數(shù)據(jù)。接收端從該幀起繼續(xù)存儲(chǔ)，覆蓋不完整的數(shù)據(jù)幀，確保數(shù)據(jù)的不丟失，保證數(shù)據(jù)的連續(xù)性。

圖4　無線鏈路建立

3.2天線的選擇與安裝

天線是發(fā)射和接收電磁波的重要無線電設(shè)備，使用時(shí)主要關(guān)心天線的極化方向和增益等指標(biāo)。極化方式主要是指天線輻射時(shí)所形成的的電場(chǎng)強(qiáng)度的方向，如果電場(chǎng)強(qiáng)度方向和地面平行則為水平極化，若與地面垂直則為垂直極化波。因此水平極化的天線在貼近地表使用時(shí)，會(huì)在地表感生出極化電流，在大地阻抗的作用下變?yōu)闊崃可l(fā)出去，降低了電場(chǎng)的信號(hào)強(qiáng)度。而垂直極化天線因其自身的特點(diǎn)而不易產(chǎn)生極化電流，近地使用時(shí)，能量損失較少。常用的2.4G天線類型有PCB天線、螺旋天線和鞭狀天線。表1對(duì)幾種天線性能進(jìn)行了對(duì)比。

表1　3種天線的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

對(duì)棒狀天線、吸盤天線和PCB天線進(jìn)行試驗(yàn)，如圖5所示，其中對(duì)吸盤天線進(jìn)行改進(jìn)，將其地線接到設(shè)備的金屬外殼上作為地網(wǎng)。

圖5　天線性能測(cè)試

改裝吸盤天線距地面較高，受地面影響相對(duì)較小，其信號(hào)強(qiáng)度比PCB天線好，且易于更換，但因其樹立在空中，對(duì)壓力場(chǎng)信號(hào)造成干擾，在沖擊波的作用下容易變形性能變差，存活性低，實(shí)驗(yàn)中受到損壞將無法進(jìn)行無線通信，可靠性差；而PCB天線為定向天線，能將能量集中到一個(gè)方向傳播出去，能夠避免隱藏節(jié)點(diǎn)的出現(xiàn)，安裝在設(shè)備表面與其平齊，不影響沖擊波場(chǎng)，存活性高，信號(hào)強(qiáng)度較吸盤天線弱但仍能滿足系統(tǒng)需求。因此測(cè)試節(jié)點(diǎn)選用PCB天線。

4　性能分析

4.1無線性能測(cè)試

為了驗(yàn)證測(cè)試系統(tǒng)的相關(guān)無線功能，進(jìn)行了多次性能驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。在控制端對(duì)多套設(shè)備進(jìn)行參數(shù)設(shè)置、軟件觸發(fā)、狀態(tài)監(jiān)控、數(shù)據(jù)回讀以及軟件復(fù)位等操作，共進(jìn)行6組，每組測(cè)試10次。其中AP距地面1 m，設(shè)備與AP之間的距離為5 m，設(shè)備天線正對(duì)著AP，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。通過無線AP設(shè)置管理軟件對(duì)無線鏈路的建立情況、數(shù)據(jù)的傳輸情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)，上位機(jī)接收到的數(shù)據(jù)完全正確，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

表3　系統(tǒng)無線參數(shù)設(shè)置十次成功情況

圖6　測(cè)試節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)時(shí)的無線環(huán)境較為復(fù)雜如圖7所示，對(duì)無線鏈路造成一定的干擾，但是參數(shù)設(shè)置正常，數(shù)據(jù)傳輸過程中沒有出現(xiàn)太大的波動(dòng)，沒有掉線和卡頓現(xiàn)象出現(xiàn)，數(shù)據(jù)傳輸速率整體比較穩(wěn)定，其噪底（noise floor）基本在88%左右，信號(hào)傳輸質(zhì)量總體在90%以上，回傳數(shù)據(jù)正確，無丟點(diǎn)現(xiàn)象。

圖7　周圍無線干擾及鏈路監(jiān)測(cè)圖

4.2無線傳輸距離測(cè)試

為了測(cè)試系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境下準(zhǔn)確的無線通信距離，在與系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)境較為一致的野外開闊場(chǎng)地進(jìn)行無線傳輸距離試驗(yàn)。測(cè)試節(jié)點(diǎn)埋于地下，表面與地表平齊，與測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)相同，AP架設(shè)3 m高，天線下傾角度為3°，主瓣方向正對(duì)著設(shè)備分布范圍，設(shè)備分別放置在距離AP為50 m、100 m、150 m、200 m、250 m和300 m處進(jìn)行測(cè)試。圖8為節(jié)點(diǎn)設(shè)備布設(shè)方案，表4是在野外平坦開闊的環(huán)境進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)后的測(cè)量結(jié)果。

圖8　節(jié)點(diǎn)設(shè)備野外布設(shè)方案

表4　無線傳輸距離實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，控制中心能夠?qū)Ω鳒y(cè)試節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)測(cè)試系統(tǒng)所需的各項(xiàng)功能。但是隨著傳輸距離的變長，路徑損耗加大，無線信號(hào)衰減很快。因天線貼近地表使用，天線的各項(xiàng)性能發(fā)生較大改變，大大縮短了無線傳輸距離。

4.3低溫性能測(cè)試

為了驗(yàn)證系統(tǒng)能否在低溫下穩(wěn)定的進(jìn)行工作，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了低溫試驗(yàn)，如圖9所示。將測(cè)試節(jié)點(diǎn)置于低溫箱中，逐步冷凍到零下20°，觀察其在各個(gè)溫度下的工作情況，主要是監(jiān)測(cè)無線傳輸能否正常工作。具體步驟如下：①在常溫下給測(cè)試節(jié)點(diǎn)上電，等待其掛載到相應(yīng)的AP上；②使用Ping指令確認(rèn)無線鏈路暢通后，通過上位機(jī)軟件對(duì)設(shè)備進(jìn)行參數(shù)設(shè)置等操作；③將模塊置于低溫箱內(nèi)，分別將溫度降至-5°、-10°、-15°以及-20°，等待低溫箱內(nèi)溫度恒定后，給系統(tǒng)上電建立起無線鏈路后通過無線對(duì)其進(jìn)行操作。觀察系統(tǒng)在低溫下的工作情況。

在每個(gè)溫度下，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行多次重復(fù)操作，結(jié)果如表5所示。測(cè)試結(jié)果表明，在0～-20°的范圍內(nèi)，隨著溫度的降低，系統(tǒng)仍能正常的進(jìn)行工作，基本不受低溫影響。能夠完成無線通信的各項(xiàng)功能，如參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)回傳等功能，滿足工業(yè)級(jí)的低溫要求。

圖9　低溫驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

表5　低溫性能測(cè)試表

5　結(jié)論

該無線測(cè)試系統(tǒng)將存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)與無線通信技術(shù)結(jié)合在一起，充分發(fā)揮了存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)體積小、功耗低、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合無線傳輸靈活性高、布局方便、擴(kuò)展性強(qiáng)的特點(diǎn)，能夠?qū)Ω鳒y(cè)試節(jié)點(diǎn)狀態(tài)進(jìn)行控制和集中管理，使數(shù)據(jù)采集更加可靠、便捷。使得測(cè)試系統(tǒng)完全勝任復(fù)雜信號(hào)的測(cè)試與監(jiān)控，解決了布線困難、組網(wǎng)不便、管理困難以及擴(kuò)展性差的問題，增強(qiáng)了系統(tǒng)使用的靈活性。

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［11］焦耀晗，徐鵬，杜紅棉，等.基于FPGA和無線通信的炮口沖擊波測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2014，27（11）：1585-1588.

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軒春青（1982-）女，河南周口人，碩士，現(xiàn)任鄭州成功財(cái)經(jīng)學(xué)院講師，主要為從事數(shù)據(jù)采集、嵌入式系統(tǒng)等方面的研究，完成省部級(jí)課題4項(xiàng)，在國內(nèi)刊物發(fā)表論文20篇，Zhangxuanchunqing@163.com；

軒志偉（1989-）男，河南周口人，碩士，主要為從事動(dòng)態(tài)測(cè)試與嵌入式系統(tǒng)等方面的研究，在國內(nèi)刊物發(fā)表論文12篇，shine071201@163.com；

賴富文（1973-），男，四川鄰水人，中國白城兵器試驗(yàn)中心高級(jí)工程師，主要為研究方向武器動(dòng)態(tài)測(cè)試，laifuwen0106@ 163.com。

A Design of Wireless and Memory Test Technology System Based on WiFi*

XUAN Chunqing1*，XUAN Zhiwei2，3，LAI Fuwen2，4，ZHANG Guodong3
（1.Department of Information Engineering，Zhengzhou Chenggong University of Finance and Economics，Gongyi He’nan 451200，China；2.National Key laboratory for Electronic Measurement Technology，North University of China，Taiyuan 030051，China；3.Wuhan Guide Infrared co，LTD Wuhan 430070，China；4.Baicheng Ordnance Test Center of China，Baicheng Jilin 137001，China）

When using wire electrical method to test the field signals，there is a problem in placing wires and elimi?nating the electronic interference introduced by the long wires.The existing storage test system can not monitor the state of each measuring point，and the data which acquired can not be timely return etc..A research about wireless distributed measurement system based on WiFi，which integrate the storage test and wireless communication tech?nology，is presented to solve those problems.Using FPGA as the main chip to control the system complete the data acquisition and wireless transmission.Designed the wireless function such as reconnection to ensure the reliability of the data transmission，and select the antenna by experiment.The test results show that the system work stable and reliable in data transmission and has the ability of state monitor、parameter setting and data read，which has im?portant application values.

storage test；wireless transmission；state monitor；wireless reconnection

TP919

A

1004-1699（2016）05-0758-06

項(xiàng)目來源：河南省科技廳科技攻關(guān)項(xiàng)目（162102210367）；河南省教育廳重點(diǎn)基金項(xiàng)目（16A520093）

2015-05-27修改日期：2015-09-22