石曉丹，胡曉磊，解亞妮

(中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原030051)

在某些軍事靶場(chǎng)、大型測(cè)試工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)等測(cè)試領(lǐng)域中，需要通過(guò)多個(gè)測(cè)試節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集來(lái)把握整體信息［1］。由于測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)的惡劣環(huán)境及特殊地理位置，各個(gè)測(cè)試節(jié)點(diǎn)之間以及與控制中心之間需要進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)采集與傳輸，因此，傳統(tǒng)的點(diǎn)陣測(cè)量方法已經(jīng)滿足不了新的測(cè)試需求。隨著無(wú)線通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，測(cè)控技術(shù)開(kāi)始向網(wǎng)絡(luò)化的分布式測(cè)試發(fā)展［2］。分布式測(cè)試網(wǎng)絡(luò)能夠通過(guò)無(wú)線局域網(wǎng)將分散的各個(gè)測(cè)試節(jié)點(diǎn)進(jìn)行集中管理與控制，便于遠(yuǎn)程操作。本文根據(jù)某沖擊波壓力場(chǎng)的測(cè)試需求，以及測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)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(cè)試網(wǎng)絡(luò)，主要對(duì)控制中心、測(cè)試節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)、WIFI無(wú)線傳輸?shù)炔糠诌M(jìn)行了設(shè)計(jì)，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該分布式測(cè)試網(wǎng)絡(luò)無(wú)線通信質(zhì)量良好，抗噪聲干擾能力較強(qiáng)，遠(yuǎn)程操作便捷，能夠準(zhǔn)確傳輸沖擊波壓力場(chǎng)信號(hào)，大大提高了測(cè)試的可靠性與實(shí)時(shí)性。

1 分布式測(cè)試網(wǎng)絡(luò)的整體框架

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

圖1 分布式測(cè)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(jì)

控制中心AC主要由計(jì)算機(jī)和上位機(jī)軟件組成。上位機(jī)通過(guò)選用能夠在PC機(jī)上開(kāi)發(fā)人機(jī)交互控制界面的Lab-VIEW軟件，實(shí)現(xiàn)指令的發(fā)送和數(shù)據(jù)的接收。

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

2.2 數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)部分的設(shè)計(jì)

該測(cè)試節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)部分主要包括ICP傳感器、信號(hào)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(duì)外設(shè)備的控制。根據(jù)沖擊波壓力場(chǎng)信號(hào)的高沖擊、高頻、瞬態(tài)等特征［3］，測(cè)試節(jié)點(diǎn)采用PCB公司的ms級(jí)響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)ICP壓電式傳感器進(jìn)行信號(hào)采集。ICP傳感器將沖擊波場(chǎng)壓力信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。信號(hào)調(diào)理電路將調(diào)理后的模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)ADC轉(zhuǎn)化為12位的數(shù)字信號(hào)，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(biāo)志位，其中高位為11xxxxxx，低位為00xxxxxx，采用DMA模式存儲(chǔ)技術(shù)，將數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)總線存儲(chǔ)到SDRAM中。測(cè)試節(jié)點(diǎn)選用具有8M×16bit存儲(chǔ)空間的美光SDRAM及XC3S400A型號(hào)的FPGA。系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)時(shí)先通過(guò)上位機(jī)LabVIEW軟件設(shè)置負(fù)延時(shí)、存儲(chǔ)長(zhǎng)度、觸發(fā)電平等參數(shù)。將轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號(hào)與事先設(shè)置好的觸發(fā)電平值進(jìn)行比較，一旦高于觸發(fā)電平，連續(xù)采集5個(gè)點(diǎn)仍滿足觸發(fā)條件，則排除外部高頻噪聲干擾，此時(shí)判斷系統(tǒng)觸發(fā)。當(dāng)A/D完成一次轉(zhuǎn)換后，觸發(fā)標(biāo)志位置高，數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)總線上，F(xiàn)PGA檢測(cè)到觸發(fā)標(biāo)志位的上升沿后，通過(guò)狀態(tài)機(jī)依次進(jìn)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(chǔ)到SDRAM中。數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)流程如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)流程圖

2.3 WiFi無(wú)線通信模塊

WiFi無(wú)線通信模塊對(duì)于無(wú)線傳輸質(zhì)量至關(guān)重要，是分布式測(cè)試WiFi網(wǎng)絡(luò)的核心［4］。根據(jù)測(cè)試需求，采用通信速率為54 Mb/s、保密性高、單點(diǎn)覆蓋距離大于100 m的WiFi無(wú)線通信技術(shù)進(jìn)行前端目標(biāo)區(qū)域覆蓋。采用力天宏威推出的LTWE140型號(hào)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(dòng)程序、支持串口透?jìng)?，模塊串口波特率可高達(dá)921 600 bps。測(cè)試系統(tǒng)中的WiFi通信模塊工作時(shí)，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?zhǔn)確性。在FPGA的控制下將起始位、8位數(shù)據(jù)位、奇偶校驗(yàn)位、停止位打包為一幀，以幀為單位通過(guò)串口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絎iFi模塊內(nèi)，通過(guò)Socket通信將打包好的數(shù)據(jù)無(wú)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(jī)通過(guò)LabVIEW軟件，根據(jù)高低位數(shù)據(jù)大小范圍的不同來(lái)實(shí)現(xiàn)標(biāo)志位的檢測(cè)，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(shí)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(jì)的測(cè)試節(jié)點(diǎn)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(shí)喚醒(Timing Sleep)、WiFi斷電(Power Down)。在測(cè)試節(jié)點(diǎn)待觸發(fā)狀態(tài)時(shí)，需要最大限度地降低功耗，節(jié)約電池能源，此時(shí)進(jìn)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(guò)高低電平來(lái)進(jìn)行電源的開(kāi)斷。如圖3所示，串口傳輸電路是通過(guò)FPGA的I/O口與WiFi模塊的TXD、RXD、CTS和RTS的四個(gè)引腳相連進(jìn)行相應(yīng)控制。采用硬件流控的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的可靠傳輸。

對(duì)該WiFi模塊進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)配置，可以通過(guò)串口與網(wǎng)頁(yè)兩種配置方式。根據(jù)測(cè)試需求以及模塊自身特點(diǎn)，通過(guò)串口線將WiFi模塊與PC機(jī)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。網(wǎng)絡(luò)名稱SSID默認(rèn)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(hào)，并將其作為測(cè)試系統(tǒng)的標(biāo)識(shí)號(hào)。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(shí)，由于TCP協(xié)議是具有數(shù)據(jù)校驗(yàn)與重傳機(jī)制的、面向用戶連接的、可靠傳輸協(xié)議［5］，相比UDP簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)協(xié)議更能滿足測(cè)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(cè)試網(wǎng)絡(luò)中，控制中心與測(cè)試節(jié)點(diǎn)采用服務(wù)器端/客戶端的主從架構(gòu)，采用Socket方式進(jìn)行通信。Socket通信方式分為三個(gè)步驟進(jìn)行數(shù)據(jù)和指令的傳輸，，即服務(wù)器端監(jiān)聽(tīng)、客戶端請(qǐng)求、連接確認(rèn)［6］。首先，服務(wù)器端對(duì)各個(gè)客戶端的端口進(jìn)行監(jiān)聽(tīng)。其次，客戶端需要通過(guò)監(jiān)聽(tīng)的端口對(duì)服務(wù)器發(fā)出主動(dòng)請(qǐng)求。最后，在服務(wù)器接收到客戶端的請(qǐng)求后，建立通信連接，二者關(guān)系對(duì)等。在分布式測(cè)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(cè)試節(jié)點(diǎn)設(shè)置為客戶端模式，在進(jìn)行WiFi無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，控制中心需要實(shí)時(shí)監(jiān)聽(tīng)各個(gè)測(cè)試節(jié)點(diǎn)，一旦所有測(cè)試節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)出主動(dòng)連接請(qǐng)求，那么控制中心需要處理大量的數(shù)據(jù)，可能會(huì)造成某些測(cè)試節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求超時(shí)，無(wú)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(jī)設(shè)置為客戶端模式，測(cè)試節(jié)點(diǎn)設(shè)置為服務(wù)器端模式。Socket通信圖如圖4所示，多個(gè)測(cè)試節(jié)點(diǎn)對(duì)控制中心進(jìn)行監(jiān)聽(tīng)，需要建立通信時(shí)，控制中心發(fā)出請(qǐng)求，測(cè)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(tīng)任務(wù)，又保證了通信連接的實(shí)時(shí)性。

圖4 Socket通信圖

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在某次靶場(chǎng)實(shí)驗(yàn)中，結(jié)合測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)情況、信號(hào)源的具體位置，進(jìn)行分布式測(cè)試網(wǎng)絡(luò)搭建。由于沖擊波壓力信號(hào)的瞬態(tài)超壓、高毀傷力，需要將系統(tǒng)進(jìn)行近地面掩埋處理，將10套分布式測(cè)試系統(tǒng)圍繞信號(hào)源進(jìn)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(chǎng)信號(hào)的測(cè)試要求，將覆蓋AP、中繼AP、站AP統(tǒng)一架高6 m。在目標(biāo)覆蓋區(qū)域搭建時(shí)，覆蓋AP下傾3°，主瓣方向?qū)?zhǔn)所測(cè)信號(hào)源。中繼AP與前端覆蓋AP通過(guò)RJ-45網(wǎng)線相連，背向固定。中繼AP主瓣方向?qū)?zhǔn)兩公里外的站AP，實(shí)現(xiàn)中繼點(diǎn)對(duì)點(diǎn)無(wú)線傳輸。最后，站AP與控制中心PC機(jī)通過(guò)網(wǎng)線連接。測(cè)試人員可通過(guò)LabVIEW軟件設(shè)置參數(shù)，監(jiān)測(cè)各個(gè)測(cè)試節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)及無(wú)線信號(hào)強(qiáng)度、信噪比、信道等。

圖5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖

通過(guò)對(duì)分布式測(cè)試網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行了信號(hào)傳輸速率、覆蓋范圍、信號(hào)質(zhì)量等指標(biāo)的測(cè)試，如圖5所示，實(shí)驗(yàn)證明通過(guò)WiFi分布式測(cè)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(hào)曲線，并可以進(jìn)行后續(xù)數(shù)據(jù)處理。網(wǎng)絡(luò)前端覆蓋區(qū)域能夠準(zhǔn)確捕獲壓力場(chǎng)場(chǎng)信號(hào)并及時(shí)響應(yīng)控制中心發(fā)出的指令，覆蓋范圍能夠達(dá)到測(cè)試需求的200 m，無(wú)線傳輸質(zhì)量達(dá)到了網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的各項(xiàng)指標(biāo)要求。因此，分布式測(cè)試整體網(wǎng)絡(luò)性能穩(wěn)定可靠，遠(yuǎn)程操作便捷，實(shí)用性強(qiáng)。

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

［2］李本亮.基于無(wú)線局域網(wǎng)的分布式測(cè)試系統(tǒng)實(shí)時(shí)性及同步時(shí)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(cè)試系統(tǒng)及實(shí)時(shí)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(wú)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(bào)，2002，2(2):31 －34.

［5］鄒向毅.IEEE802.11無(wú)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(guó)柱.運(yùn)營(yíng)級(jí) WLAN組網(wǎng)及工程設(shè)計(jì)規(guī)劃探討［D］.廣州:華南理工大學(xué)，2011.