李 晶，張明明2，鄭永豐，胡順平3，王奇之

(1.北京航天測控技術(shù)有限公司，北京 100041; 2.中國航天科工集團(tuán)有限公司，北京 100048;3.空間電子信息技術(shù)研究院，西安 710100)

0 引言

隨著中國的經(jīng)濟(jì)實(shí)力和科技水平的日益提高，無線和有線通訊技術(shù)也在突飛猛進(jìn)。通訊技術(shù)發(fā)展至今已經(jīng)有多種成熟的通訊標(biāo)準(zhǔn)，不同標(biāo)準(zhǔn)之間的差異決定了其應(yīng)用領(lǐng)域的不同。現(xiàn)代通訊技術(shù)主要使用了Wifi/Bluetooth/Zigbee/Ipv6以太網(wǎng)等通信標(biāo)準(zhǔn)。

隨著通訊標(biāo)準(zhǔn)的更新，智能網(wǎng)絡(luò)協(xié)議測試也正在大力發(fā)展，Wifi/Bluetooth/Zigbee等主流無線通信協(xié)議以及Ipv6以太網(wǎng)有線協(xié)議的測試需求愈加明顯。各項(xiàng)協(xié)議規(guī)定了一個(gè)系統(tǒng)在和其他系統(tǒng)進(jìn)行通信時(shí)應(yīng)遵守的規(guī)則，為了使得不同開發(fā)商實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)之間能夠正確的通信，就要使用標(biāo)準(zhǔn)化的協(xié)議。但是，協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)目前基本上都是使用自然語言描述的，實(shí)現(xiàn)者對協(xié)議的不同理解也會(huì)導(dǎo)致不同的協(xié)議實(shí)現(xiàn)，有時(shí)甚至?xí)清e(cuò)誤的協(xié)議實(shí)現(xiàn)。因此，必須對不同廠家的通信協(xié)議進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)測試，以此對協(xié)議實(shí)現(xiàn)進(jìn)行評價(jià)，發(fā)現(xiàn)協(xié)議實(shí)現(xiàn)的錯(cuò)誤，提高協(xié)議實(shí)現(xiàn)的互通能力。

一個(gè)智能工廠的實(shí)施一般采用多種不同通信協(xié)議以及網(wǎng)關(guān)，解決智能測試中遇到的問題，能夠?qū)Χ喾N協(xié)議進(jìn)行測試的物聯(lián)網(wǎng)綜合測試方案是值得我們認(rèn)真考慮的。

1 應(yīng)用場景

針對智能工廠、物聯(lián)網(wǎng)等的測試、維護(hù)的需求，我公司開展了無線通信協(xié)議測試技術(shù)、有線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議測試技術(shù)等技術(shù)研究，研制出了一種便攜式物聯(lián)網(wǎng)綜合測試儀，提供了儀器測試、協(xié)議測試和流程測試3種測試模式，實(shí)現(xiàn)了對Wifi/Bluetooth/Zigbee/ipv6以太網(wǎng)等的通信協(xié)議測試功能，支持無線信號的終端射頻性能綜測和以太網(wǎng)的協(xié)議性能測試，適用于終端生產(chǎn)綜測、產(chǎn)品功能性能驗(yàn)證等場景為物聯(lián)網(wǎng)的使用維護(hù)提供了便捷的一體化測試設(shè)備。

由于物聯(lián)網(wǎng)細(xì)分場景繁多，存在更加復(fù)雜、極端的環(huán)境部署情況，驗(yàn)證單點(diǎn)關(guān)鍵技術(shù)的性能與指標(biāo)難度加劇同時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)終端的形態(tài)趨于多樣化，需要測試儀表具備更好的可擴(kuò)充性和兼容性。鑒于目前5G物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展勢頭強(qiáng)勁，本公司研制的物聯(lián)網(wǎng)綜合測試儀已在硬件方面完成對NB-IoT等5G相關(guān)協(xié)議測試的支撐，軟件方面只需根據(jù)協(xié)議測試需求進(jìn)行相應(yīng)更新即可完成相關(guān)測試。

2 測試項(xiàng)

2.1 Wifi

Wifi測試規(guī)范需要測試的測試項(xiàng)包括發(fā)射機(jī)發(fā)射功率、中心頻率容限、誤差矢量幅度、發(fā)射頻譜掩模四項(xiàng)發(fā)射性能指標(biāo)以及一項(xiàng)接收指標(biāo)：接收機(jī)靈敏度[1]。

2.2 藍(lán)牙

藍(lán)牙測試規(guī)范要求的測試項(xiàng)包括：發(fā)射機(jī)功率測試(輸出功率、功率密度測量、功率控制)、輸出頻譜測量(功率范圍、-20dB帶寬、鄰頻道功率)、發(fā)射頻譜模板、誤差向量幅度、載波頻率漂移；接收機(jī)測試包括單間隙靈敏度測試、多間隙靈敏度測試、誤包率測試、載干比測量、互調(diào)測量、阻塞性能、最大輸入電平測量[2]。

2.3 Zigbee

ZigBee測試規(guī)范主要包括的測試項(xiàng)有：發(fā)射機(jī)的輸出功率、頻譜發(fā)射模板、發(fā)射雜散、中心頻率容限、誤差向量幅度(EVM)；接收機(jī)的靈敏度、最大輸入電平、阻塞性能、符號速率偏差容限、能量檢測、鏈路質(zhì)量指示[3]。

2.4 Ipv6以太網(wǎng)

Ipv6以太網(wǎng)測試規(guī)范RFC2544中對一致性和性能測試方面主要包括的測試項(xiàng)包括：協(xié)議一致性、吞吐量、 時(shí)延、 幀丟失率和背靠背幀[4]。

3 物聯(lián)網(wǎng)綜合測試儀

物聯(lián)網(wǎng)綜合測試儀集成了信號源與分析儀的雙重功能，采用一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過“三化”設(shè)計(jì)，集成了微波信號發(fā)生、信號分析、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議測試和開關(guān)適配等功能，僅需一臺(tái)儀表即可完成相應(yīng)的協(xié)議測試，并開發(fā)了流程測試功能，對于產(chǎn)品的批量測試節(jié)約了很多時(shí)間。同時(shí)兼顧了通用的儀器測試，可以對除了物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議以外的其他射頻信號做基本的發(fā)生和分析測試工作物聯(lián)網(wǎng)綜合測試儀主要包括主機(jī)、無線通信物理層測試分析模塊、以太網(wǎng)協(xié)議測試模塊、測試接入模塊等硬件設(shè)備以及物理層協(xié)議測試分析軟件、以太網(wǎng)協(xié)議測試軟件等軟件模塊組成。

系統(tǒng)總體組成如圖1所示。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)綜合測試儀總體組成框圖

物聯(lián)網(wǎng)綜合測試儀軟件平臺(tái)在通用化的硬件平臺(tái)基礎(chǔ)上，采用硬件功能軟件化和軟件功能構(gòu)件化技術(shù)來實(shí)現(xiàn)頻率測量、功率測量、頻譜分析、EVM分析、吞吐量和丟包率等測試需求。

3.1 系統(tǒng)指標(biāo)

3.1.1 矢量信號發(fā)生

矢量信號發(fā)生部分指標(biāo)如表1所示。

表1 矢量信號發(fā)生指標(biāo)

2)矢量信號分析

矢量信號分析部分指標(biāo)如表2所示。

表2 矢量信號分析指標(biāo)

3)以太網(wǎng)協(xié)議測試

以太網(wǎng)協(xié)議測試模塊指標(biāo)如表3所示。

表3 以太網(wǎng)協(xié)議測試模塊指標(biāo)

4)其他指標(biāo)

綜測儀結(jié)構(gòu)、環(huán)境指標(biāo)如表4所示。

表4 其他指標(biāo)

4 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

4.1 無線通信物理層測試模塊

無線通信物理層測試模塊采用了NI-5840模塊，該模塊采用零中頻架構(gòu)，內(nèi)部結(jié)合了矢量信號發(fā)生器、矢量信號分析儀、高速串行接口和基于FPGA的實(shí)時(shí)信號處理和控制，具備1 GHz瞬時(shí)射頻帶寬，9 kHz～6 GHz的射頻矢量信號收發(fā)功能。

其具體原理和實(shí)物如圖2和圖3所示。

圖2 NI-5840模塊原理圖

圖3 NI-5840模塊實(shí)物圖

NI-5840模塊每個(gè)輸入和輸出通道只有一個(gè)端口，該模塊采用了零中頻架構(gòu)，在信號輸出狀態(tài)時(shí)，F(xiàn)PGA產(chǎn)生的基帶信號產(chǎn)生兩路數(shù)字基帶矢量信號，矢量信號直接通過一階混頻上變頻至6 GHz矢量信號輸出；

在信號接收狀態(tài)時(shí)，輸入矢量信號經(jīng)過衰減濾波和下變頻，之后該基帶矢量信號經(jīng)過數(shù)字化儀變?yōu)閿?shù)字信號，之后該數(shù)字信號被傳輸至FPGA進(jìn)行處理。

4.2 以太網(wǎng)協(xié)議測試模塊

以太網(wǎng)協(xié)議測試模塊為公司自主研制的PXIe網(wǎng)絡(luò)板卡，可適應(yīng)各種測試環(huán)境?；赪inPcap實(shí)現(xiàn)高速流量發(fā)生與數(shù)據(jù)包捕獲技術(shù)，使得該模塊具備全線速流量發(fā)生以及捕獲與過濾功能，實(shí)現(xiàn)了全線速流量發(fā)生，該技術(shù)可用于Ipv6網(wǎng)絡(luò)的性能測試、協(xié)議測試、認(rèn)證測試、安全性測試等測試中。其原理和實(shí)物如圖4和圖5所示。

圖4 以太網(wǎng)協(xié)議測試模塊原理圖

圖5 以太網(wǎng)協(xié)議測試模塊

該模塊具有Ipv4和Ipv6協(xié)議棧，每個(gè)端口支持64條獨(dú)立的數(shù)據(jù)流，每條流可支持4個(gè)跳變域，能夠仿真數(shù)萬個(gè)接口，模擬千萬級用戶連接，測試模塊支持多種協(xié)議模板，支持基于端口和流的精確調(diào)速，支持動(dòng)態(tài)調(diào)速，數(shù)據(jù)表的內(nèi)容及速率可以靈活配置，可進(jìn)行復(fù)雜協(xié)議的測試、仿真及一致性測試。其網(wǎng)絡(luò)輸入接口為4個(gè)RJ45電網(wǎng)口(支持10/100/1 000 M)。RJ45網(wǎng)口輸入的網(wǎng)絡(luò)包經(jīng)過PHY芯片完成網(wǎng)絡(luò)包的物理層處理，然后由PHY芯片的MAC層接口(RGMII)接入到FPGA芯片中，PHY芯片與FPGA直接是MAC-MAC互連。FPGA的MAC接口收到包后直接將包緩存到外部的DDR2 SDRAM中，根據(jù)一定的流水線，邊線速緩存邊讀取緩存的包到FPGA內(nèi)部的FIFO中，然后提取包頭、控制字等信息存入內(nèi)部的Block RAM中，輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)入L2/L3層協(xié)議解析模塊完成處理，結(jié)合內(nèi)部的測試域參數(shù)得到測試結(jié)果[5-6]。

4.3 射頻通道開關(guān)模塊

射頻通道開關(guān)是為了實(shí)現(xiàn)被測終端信號至無線通道物理層測試模塊以及測試接入模塊的通道自動(dòng)切換，主要由三個(gè)單刀雙擲和一個(gè)單刀三擲射頻開關(guān)組成。開關(guān)切換至無線通信物理層模塊可以對無線信號的射頻性能進(jìn)行測試，切換至外接測試接入模塊時(shí)可進(jìn)行相關(guān)信號的協(xié)議測試。其原理和實(shí)物如圖6和圖7所示。

圖6 射頻通道開關(guān)模塊

圖7 射頻通道開關(guān)模塊

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

5.1 軟件設(shè)計(jì)

軟件平臺(tái)主要由綜合管理控制軟件和測試功能軟件(含以太網(wǎng)協(xié)議測試軟件、無線通信物理層測試軟件、Zigbee協(xié)議測試軟件、藍(lán)牙協(xié)議測試軟件模塊、WIFI協(xié)議測試軟件模塊)組成。各測試模塊在綜合管理平臺(tái)的調(diào)度下順序?qū)崿F(xiàn)各種測試及顯示功能，并將測試數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫。每項(xiàng)功能測試完成后，軟件均會(huì)給出詳細(xì)測試結(jié)果以及測試是否合格的結(jié)論。

軟件架構(gòu)如圖8所示，包括操作系統(tǒng)、底層模塊驅(qū)動(dòng)程序以及上層應(yīng)用程序三個(gè)部分。這三個(gè)部分的功能如下所示：

圖8 系統(tǒng)軟件架構(gòu)

1)系統(tǒng)軟件通過Window 7操作系統(tǒng)采用的消息響應(yīng)控制方式，在內(nèi)核和應(yīng)用程序、驅(qū)動(dòng)程序之間傳遞信息，進(jìn)程管理器負(fù)責(zé)任務(wù)調(diào)度；

2)底層模塊驅(qū)動(dòng)程序主要包括：儀器模塊驅(qū)動(dòng)、USB驅(qū)動(dòng)程序、LAN驅(qū)動(dòng)程序、鍵盤驅(qū)動(dòng)程序、顯示模塊驅(qū)動(dòng)程序等，它主要完成對底層物理設(shè)備的功能封裝，給應(yīng)用程序統(tǒng)一的調(diào)用接口，既保證了模塊使用的簡潔性，也保證了系統(tǒng)的安全性；

3)應(yīng)用層主要包括測試軟件平臺(tái)，可根據(jù)軟件功能要求分別實(shí)現(xiàn)各個(gè)功能塊對應(yīng)的軟件程序。測試軟件平臺(tái)可根據(jù)用戶選擇的狀態(tài)或用戶自定義的參數(shù)值，調(diào)用相關(guān)算法，計(jì)算低頻信號控制字，并下發(fā)給低頻控制及信號測量模塊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)計(jì)算與下發(fā)功能。

軟件主要功能是用戶可通過遠(yuǎn)程控制和本地控制實(shí)現(xiàn)功能選擇、參數(shù)設(shè)定輸出特定的測試信號，其軟件功能如圖9所示。

圖9 軟件平臺(tái)組成框圖

軟件平臺(tái)包括綜合管理控制軟件、測試功能軟件及數(shù)據(jù)管理模塊，分別實(shí)現(xiàn)以下功能：

4)綜合管理控制軟件：

綜合控制管理軟件包括操作系統(tǒng)、人機(jī)界面、初始化程序、儀器軟件封裝接口、測量分析軟件、波形合成軟件、驅(qū)動(dòng)程序等。

(1)操作系統(tǒng)采用Windows 7系統(tǒng)，便于操作人員熟練操作。

(2)初始化程序完成儀器的初始化工作，包括：啟動(dòng)、對系統(tǒng)運(yùn)行變量、通信鏈路、外部設(shè)備等的初始化工作，并負(fù)責(zé)啟動(dòng)系統(tǒng)的人機(jī)接口。

圖10 物聯(lián)網(wǎng)綜合測試儀軟件組成框圖

(3)人機(jī)界面采用便于用戶操作的圖形化中文人機(jī)界面。人機(jī)界面提供了系統(tǒng)顯示與應(yīng)用程序之間對用戶操作鍵盤、鼠標(biāo)做出響應(yīng)的通信機(jī)制。

(4)測量分析軟件主要是對輸入的無線通信射頻信號測量結(jié)果的計(jì)算分析和處理，并對輸出信號提供設(shè)置參數(shù)。

(5)波形合成軟件通過對無線通信協(xié)議要求，或?qū)ψ远x參數(shù)的分析處理，計(jì)算出頻率、功率、調(diào)制參數(shù)等控制字，然后調(diào)用底層驅(qū)動(dòng)函數(shù)下發(fā)到相應(yīng)的硬件控制模塊。

(6)儀器軟件封裝接口提供了RTS與外部測試儀表驅(qū)動(dòng)程序之間的軟件接口,封裝接口支持符合即插即用規(guī)范的所用命令與響應(yīng)，符合COM/DCOM規(guī)范的方式實(shí)現(xiàn)軟件封裝接口。

(7)驅(qū)動(dòng)程序負(fù)責(zé)為上層軟件和底層硬件的交互通信建立鏈路。

5)測試功能軟件：

(1)以太網(wǎng)協(xié)議測試軟件模塊：配合以太網(wǎng)協(xié)議測試模塊，完成以太網(wǎng)協(xié)議測試分析，包括吞吐量、丟包率、時(shí)延、背靠背、一致性等。

(2)WIFI協(xié)議測試軟件模塊：配合WIFI協(xié)議測試模塊，完成802.11a/b/g/n/ac協(xié)議射頻測試分析，包括發(fā)射機(jī)發(fā)射功率、中心頻率容限、誤差矢量幅度、發(fā)射頻譜掩模四項(xiàng)發(fā)射性能指標(biāo)以及一項(xiàng)接收指標(biāo)：接收機(jī)靈敏度等。

(3)藍(lán)牙協(xié)議測試軟件模塊：配合藍(lán)牙協(xié)議測試模塊，完成藍(lán)牙2.0/3.0/4.0協(xié)議射頻測試分析，包括發(fā)射機(jī)功率測試(輸出功率、功率密度測量、功率控制)、輸出頻譜測量(功率范圍、-20dB帶寬、鄰頻道功率)、發(fā)射頻譜模板、誤差向量幅度、載波頻率漂移；接收機(jī)測試包括單間隙靈敏度測試、多間隙靈敏度測試、誤包率測試、載干比測量、互調(diào)測量、阻塞性能、最大輸入電平測量等。

(4)ZigBee協(xié)議測試軟件模塊：配合ZigBee測試模塊，完成ZigBee協(xié)議射頻測試分析，包括發(fā)射機(jī)的輸出功率、頻譜發(fā)射模板、發(fā)射雜散、中心頻率容限、誤差向量幅度(EVM)；接收機(jī)的靈敏度、最大輸入電平、阻塞性能、符號速率偏差容限、能量檢測、鏈路質(zhì)量指示等。

5.2 軟件功能設(shè)計(jì)及操作界面

物聯(lián)網(wǎng)綜合測試儀軟件實(shí)現(xiàn)了有線和無線信號頻率、功率、頻譜、EVM等多種性能參數(shù)的測試功能，其在通用化的硬件平臺(tái)基礎(chǔ)上，采用了硬件功能軟件化和軟件功能構(gòu)件化技術(shù)來實(shí)現(xiàn)頻率測量、功率測量、頻譜分析、EVM分析等功能軟件模塊，并重點(diǎn)考慮通信測試和維修保障的實(shí)用性和便捷性的要求，依據(jù)模塊驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)原理，實(shí)現(xiàn)顯示界面、流程測試、系統(tǒng)管理等功能軟件模塊，軟件組成框圖及測試頁面如圖10～15所示。

圖11 物聯(lián)網(wǎng)綜合測試儀主界面

圖12 儀器測試頁面

6 物聯(lián)網(wǎng)綜合測試儀樣機(jī)

物聯(lián)網(wǎng)綜合測試儀采用了一體機(jī)結(jié)構(gòu)，機(jī)身采用全鋁鎂合金結(jié)構(gòu)、一體化設(shè)計(jì)，集成了液晶顯示屏、多點(diǎn)電容觸摸屏。內(nèi)部采用抗震動(dòng)壓卡設(shè)計(jì)，提高了擴(kuò)展板卡工作的可能性。機(jī)身配備了13.3寸液晶顯示屏，使得綜測儀可以方便地進(jìn)行圖形處理和數(shù)據(jù)分析，背板采用3U6槽PXIe架構(gòu)。

圖13 無線信號測試頁面

圖14 Ipv6以太網(wǎng)測試頁面

圖15 流程測試頁面

物聯(lián)網(wǎng)綜合測試儀可覆蓋10 M/100 M/1 000 M Ipv6以太網(wǎng)、IEEE 802.11a /b/g/n/ac、ZigBee、藍(lán)牙等多種有線或無線通信頻段，可完成無線通信協(xié)議的基本射頻測試，主要包括功率、頻率、中心頻率誤差、誤差向量幅度、發(fā)射頻譜掩膜、接收機(jī)靈敏度、誤碼率等射頻測試，以及以太網(wǎng)吞吐量、時(shí)延、幀丟失率和背靠背等的協(xié)議層測試，滿足物聯(lián)網(wǎng)的綜合測試需求。

7 結(jié)束語

本文介紹的物聯(lián)網(wǎng)綜合測試儀具備有線和無線通信協(xié)議的綜合分析，并兼具了儀器測試和流程測試的多項(xiàng)功能，是一款集多性能于一體的綜合性測試儀，另外可擴(kuò)展其他協(xié)議測試模塊及軟件更新來實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的物理層及協(xié)議層測試。

物聯(lián)網(wǎng)綜合測試儀主要應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)設(shè)備的設(shè)計(jì)驗(yàn)證、生產(chǎn)、使用維護(hù)等各個(gè)階段，測試對象包括物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)、無線路由器等。隨著工業(yè)控制、樓宇自動(dòng)化、工業(yè)無線定位、消費(fèi)電子、家庭網(wǎng)絡(luò)、汽車自動(dòng)化和醫(yī)用設(shè)備控制的發(fā)展等，其相應(yīng)的物聯(lián)網(wǎng)測試需求會(huì)與日俱增，本物聯(lián)網(wǎng)綜合測試儀將會(huì)具有十分廣闊的推廣應(yīng)用前景。