俞 清，金 婕，李 佳，敬文昊，嚴 偉

(上海工程技術(shù)大學(xué)電子電氣工程學(xué)院，上海 201600)

0 引言

ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)具有低功耗、低成本、數(shù)據(jù)傳輸可靠性強等特點，能夠滿足工業(yè)通訊等多領(lǐng)域數(shù)據(jù)通信服務(wù)需求[1]。ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層和數(shù)據(jù)鏈路層均是基于IEEE802.15.4標(biāo)準協(xié)議提出的，此外網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層服務(wù)由ZigBee聯(lián)盟制定，如圖1[2]所示。

圖1 IEEE802.15.4基礎(chǔ)上ZigBee協(xié)議

伴隨著工業(yè)控制、自動駕駛等技術(shù)的快速發(fā)展，對通信數(shù)據(jù)傳輸過程中低抖動、低延時以及高可靠性要求越來越高[3]。據(jù)此提出了一種基于時鐘同步的新型工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)技術(shù)時間敏感型網(wǎng)絡(luò)(TSN)。網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 TSN以太網(wǎng)在OSI模型中的位置

針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與有線以太網(wǎng)絡(luò)之間的融合，目前已經(jīng)提出了許多解決方案[4-5]。楊之樂等[6]提出了一種基于OPC應(yīng)用層的協(xié)議轉(zhuǎn)換方法。在OSI模型的應(yīng)用層之上設(shè)置OPC服務(wù)器，無線協(xié)議和以太網(wǎng)協(xié)議在OPC服務(wù)器中完成協(xié)議數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。但這種協(xié)議轉(zhuǎn)換方式過分依賴上位機程序，數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性得不到保障。朱瑩等[7]和張小娟等[8]均提出一種基于嵌入式微處理器的網(wǎng)關(guān)協(xié)議轉(zhuǎn)換方式。將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和以太網(wǎng)絡(luò)協(xié)議在OSI模型中通過應(yīng)用層程序完成協(xié)議的轉(zhuǎn)換。這種協(xié)議轉(zhuǎn)換方式設(shè)計復(fù)雜，并且通過中斷方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)和協(xié)議轉(zhuǎn)換，影響協(xié)議轉(zhuǎn)換實時性。文獻[9]利用FPGA的方式完成協(xié)議轉(zhuǎn)換。使用不同協(xié)議接口芯片，將無線協(xié)議和以太網(wǎng)協(xié)議數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成FPGA可以接收的協(xié)議數(shù)據(jù)，在FPGA中完成協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換。但協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換過程延時較大，并且對FPGA資源消耗過大。

據(jù)此本文提出了一種面向ZigBee與TSN融合的確定性協(xié)議轉(zhuǎn)換器設(shè)計方案。本協(xié)議轉(zhuǎn)換方法的優(yōu)點在于使用數(shù)字電路純硬件的方式完成協(xié)議轉(zhuǎn)換器的設(shè)計，并僅通過OSI模型的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層實現(xiàn)協(xié)議的轉(zhuǎn)換，提高了協(xié)議轉(zhuǎn)換速率；同時創(chuàng)新性地提出將ZigBee無線技術(shù)與TSN確定性以太網(wǎng)絡(luò)進行融合，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性和確定性[10-11]。

1 ZigBee-TSN協(xié)議轉(zhuǎn)換器設(shè)計

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)ZigBee和確定性以太網(wǎng)絡(luò)TSN通過ZigBee-TSN協(xié)議轉(zhuǎn)換器(Protocol Converter IP)完成互聯(lián)互通。ZigBee-TSN協(xié)議轉(zhuǎn)換器內(nèi)部主要由ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)收發(fā)模塊、VID映射模塊、TSN數(shù)據(jù)封包解包模塊組成，此外還包括部分接口單元，如：無線網(wǎng)絡(luò)UART串口、以太網(wǎng)GMII接口以及APB總線接口，它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 協(xié)議轉(zhuǎn)換器內(nèi)部硬件結(jié)構(gòu)

主要功能設(shè)計分為上行、下行數(shù)據(jù)傳輸以及CPU配置功能3部分。

(1)上行數(shù)據(jù)。協(xié)議轉(zhuǎn)換器通過無線網(wǎng)絡(luò)串口，接收來自ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)送的數(shù)據(jù)報文，發(fā)送到協(xié)議轉(zhuǎn)換器內(nèi)部ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)收發(fā)模塊進行數(shù)據(jù)報文處理，處理后的數(shù)據(jù)輸入到VID映射模塊添加對應(yīng)協(xié)議的識別標(biāo)簽，并發(fā)往TSN數(shù)據(jù)封包解包模塊進行封包，最終通過GMII以太網(wǎng)接口將報文幀發(fā)送到TSN交換機中。

(2)下行數(shù)據(jù)。協(xié)議轉(zhuǎn)換器通過以太網(wǎng)接口GMII接收來自TSN交換機的報文幀，通過TSN數(shù)據(jù)封包解包模塊，將報文幀解包成帶有協(xié)議標(biāo)簽的報文幀格式，輸入VID映射模塊中去掉協(xié)議標(biāo)簽，發(fā)往ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的收發(fā)模塊對數(shù)據(jù)報文進行處理，并通過無線網(wǎng)絡(luò)串口將數(shù)據(jù)發(fā)送到ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)模塊中。

(3)CPU主要通過APB總線對不同類型的寄存器進行配置。涉及的寄存器主要包括：與參數(shù)配置相關(guān)的寄存器以及與中斷相關(guān)的寄存器。

1.1 ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)收發(fā)模塊

ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)收發(fā)模塊內(nèi)部的數(shù)據(jù)處理模塊均通過硬件電路的方式實現(xiàn)，其數(shù)據(jù)處理過程主要分為上行和下行。內(nèi)部模塊如圖4所示。

圖4 ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)收發(fā)模塊

(1)上行數(shù)據(jù)處理過程。ZigBee_uart_rx模塊接收到來自ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層發(fā)送的數(shù)據(jù)流后，對數(shù)據(jù)進行串并轉(zhuǎn)換，并將接收的數(shù)據(jù)分為2路，一路經(jīng)過ZigBee_rx_fsm模塊將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層數(shù)據(jù)解包成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路層的數(shù)據(jù)幀格式，之后存入ZigBee_fifo_rx模塊中并等待上層VID映射模塊以及TSN以太網(wǎng)封包解包模塊的讀取，在封包成TSN以太網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路層報文幀之后輸出到TSN交換機中；另一路數(shù)據(jù)存入到ZigBee_rx_crc模塊進行CRC的校驗，校驗后的校驗值若為0說明接收的數(shù)據(jù)無誤，若為1則清除此次接收數(shù)據(jù)報文幀。

(2)下行數(shù)據(jù)處理過程。ZigBee_fifo_tx模塊讀取上層模塊的數(shù)據(jù)報文幀，將接收的報文幀輸出到ZigBee_tx_fsm模塊(默認接收的來自上層模塊的報文幀里包括ZigBee CRC字段)，經(jīng)過該模塊將ZigBee無線傳感網(wǎng)路數(shù)據(jù)鏈路層的數(shù)據(jù)幀封裝成ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議物理層數(shù)據(jù)幀格式，最終經(jīng)過ZigBee_uart_tx模塊并串轉(zhuǎn)換后，通過無線串口單元發(fā)送到ZigBee無線傳感物理層模塊。

1.2 VID映射和TSN封包解包模塊

VID映射模塊和TSN封包解包模塊數(shù)據(jù)處理過程主要也分為2個方向：上行和下行。VID映射模塊和TSN封包解包模塊的原理框圖如圖5所示。

圖5 VID映射和TSN封包解包模塊

(1)下行數(shù)據(jù)處理過程。通過GMII以太網(wǎng)接口從TSN交換機接收TSN以太網(wǎng)格式的數(shù)據(jù)報文幀，經(jīng)過TSN數(shù)據(jù)封包解包模塊解包之后保留帶有VLAN標(biāo)簽(以太網(wǎng)識別標(biāo)簽)的數(shù)據(jù)報文幀，并根據(jù)CPU配置的優(yōu)先級映射表(多種協(xié)議轉(zhuǎn)換時，通過CPU配置不同的優(yōu)先級映射表進行流量管控)，按照優(yōu)先級順序?qū)?shù)據(jù)幀發(fā)往VID映射模塊，VID映射模塊通過其內(nèi)部的多路選擇器(存在多種協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換時，對協(xié)議進行識別選擇)，并結(jié)合對應(yīng)的VID映射表(多種協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換時，由CPU對每個協(xié)議進行不同的VID參數(shù)配置)，對ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)簽進行識別和選擇，同時將對應(yīng)標(biāo)簽的數(shù)據(jù)報文幀發(fā)送到相應(yīng)的VID編碼模塊(不同的協(xié)議對應(yīng)不同的VID編碼模塊)，經(jīng)該模塊丟棄報文幀中的VLAN標(biāo)簽，將符合ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路層的數(shù)據(jù)報文幀發(fā)送到ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)收發(fā)模塊。

(2)上行數(shù)據(jù)處理過程。VID映射模塊接收來自ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)收發(fā)模塊的鏈路層數(shù)據(jù)幀，輸入到VID編碼模塊給ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)添加對應(yīng)的VLAN標(biāo)簽，通過多路選擇器傳輸給TSN封包解包模塊，根據(jù)CPU配置的優(yōu)先級映射表按照優(yōu)先級順序?qū)?shù)據(jù)幀進行封包處理，并將符合TSN以太網(wǎng)協(xié)議的數(shù)據(jù)鏈路層報文幀發(fā)往上層模塊。

2 實驗配置

本實驗從多個角度對協(xié)議轉(zhuǎn)換器的功能和性能進行測試：

(1)多塊ZigBee無線傳感器物理層模塊之間數(shù)據(jù)互傳的功能驗證；

(2)基于modelsim協(xié)議轉(zhuǎn)換邏輯功能驗證；

(3)基于Xilinx zynq7000系列FPGA開發(fā)板協(xié)議轉(zhuǎn)換功能板級驗證；

(4)協(xié)議轉(zhuǎn)換器性能的驗證。

分析4種實驗的結(jié)果，判定本協(xié)議轉(zhuǎn)換器是否符合設(shè)計要求。

2.1 ZigBee無線傳感器模塊功能驗證

為了完成協(xié)議轉(zhuǎn)換器功能的驗證，需要保證用于搭建實驗環(huán)境的ZigBee無線傳感器物理層模塊功能正常。

本實驗將2塊ZigBee無線傳感器模塊互連，采用的ZigBee模塊型號為DL-20，內(nèi)部集成CC2530 無線收發(fā)芯片，它支持2.4 GHz的IEEE 802.15.4/ZigBee協(xié)議[12]，能夠滿足本設(shè)計的需求。實驗將一個DL-20模塊配置成主模式，另一個DL-20模塊配置為從模式，驗證是否能互傳數(shù)據(jù)。實驗環(huán)境搭建如圖6所示。

圖6 實驗環(huán)境搭建

實驗步驟如下：

(1)配置2個DL-20無線模塊波特率、信道以及主從模式；

(2)將配置為主模式的無線模塊通過USB轉(zhuǎn)TTL轉(zhuǎn)接線，連接到PC端；

(3)另一個從模式的無線模塊，使用干電池供電，并將它的TX和RX端口短接。

2.2 基于modelsim的邏輯功能驗證

實驗步驟如下：

(1)給設(shè)計一個符合TSN以太網(wǎng)報文幀格式的激勵，充當(dāng)下行數(shù)據(jù)輸入到協(xié)議轉(zhuǎn)換器中；

(2)通過協(xié)議轉(zhuǎn)換器解析出ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)幀，從無線網(wǎng)絡(luò)串口的TX端輸出；

(3)TX端與RX端短接，將輸出數(shù)據(jù)反向輸入到協(xié)議轉(zhuǎn)換器；

(4)經(jīng)過協(xié)議轉(zhuǎn)換器封裝成TSN以太網(wǎng)報文幀格式輸出，完成整個實驗。實驗原理圖如圖7所示。

圖7 modelsim驗證原理圖

2.3 基于FPGA開發(fā)板的板級驗證

實驗步驟如下：

(1)將上位機中生成的比特流數(shù)據(jù)以及Debug ILA核的數(shù)據(jù)，加載到FPGA開發(fā)板中(此時FPGA開發(fā)板模擬協(xié)議轉(zhuǎn)換器的功能)；

(2)通過FPGA開發(fā)板將數(shù)據(jù)從協(xié)議轉(zhuǎn)換器的無線網(wǎng)絡(luò)串口TX端，發(fā)送到主模式DL-20 ZigBee無線模塊的RX端口；

(3)主模式DL-20 ZigBee無線模塊，通過無線的方式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綇哪Ｊ降腄L-20 ZigBee無線模塊中；

(4)將從模式DL-20 ZigBee無線模塊的TX和RX端口短接，數(shù)據(jù)會從TX端傳輸?shù)絉X端口，使用2節(jié)五號電池為其持續(xù)供電；

(5)從模式DL-20 ZigBee無線模塊，通過無線的方式再將數(shù)據(jù)傳到主模式的DL-20 ZigBee無線模塊中；

(6)將主模式DL-20 ZigBee無線模塊的TX端口連接到協(xié)議轉(zhuǎn)換器的無線網(wǎng)絡(luò)串口RX端口，將數(shù)據(jù)傳到FPGA開發(fā)板中，完成整個實驗。FPGA板級驗證原理如圖8所示。

圖8 FPGA驗證原理圖

本設(shè)計采用zynq7000系列FPGA開發(fā)板進行模擬協(xié)議轉(zhuǎn)換器的功能，并且結(jié)合EDA軟件Vivado中自帶的ILA邏輯分析工具，對數(shù)據(jù)進行分析與比較。該款開發(fā)板將雙核ARM Cortex-A9和FPGA可編程邏輯集成在一顆芯片上，同時具有豐富的外圍接口。能夠滿足不同速率的數(shù)據(jù)交換以及數(shù)據(jù)存儲，符合本設(shè)計的驗證需求，實驗環(huán)境搭建如圖9[13]所示。

圖9 實驗環(huán)境搭建

2.4 協(xié)議轉(zhuǎn)換器性能測試

協(xié)議轉(zhuǎn)換器的傳輸距離是決定其實用性以及覆蓋范圍的重要指標(biāo)，因此在本設(shè)計中，在考慮到實際應(yīng)用的前提下，分別采取無障礙傳輸距離測試和有障礙距離傳輸測試，來驗證協(xié)議轉(zhuǎn)換器的性能。

2.4.1 無障礙傳輸距離測試

測試環(huán)境選在行人較少的空曠廣場上，以防止一些外在電磁等信號對協(xié)議轉(zhuǎn)換器的干擾。測試要求如下：將從模式的DL-20 ZigBee無線模塊放置于接有主模式的DL-20 ZigBee無線模塊的協(xié)議轉(zhuǎn)換器(此時FPGA開發(fā)板充當(dāng)協(xié)議轉(zhuǎn)換器的功能)10、10～30、30～50、50～100、100～130、130～200 m處分別查看連接狀態(tài)和ILA捕捉到的數(shù)據(jù)顯示。

2.4.2 有障礙傳輸距離測試

測試環(huán)境選擇在2個空曠的房間內(nèi)。測試要求如下：

(1)將從模式的DL-20 ZigBee無線模塊與接有主模式的DL-20 ZigBee無線模塊的協(xié)議轉(zhuǎn)換器(此時FPGA開發(fā)板充當(dāng)協(xié)議轉(zhuǎn)換器的功能)分別放在2個房間內(nèi)；

(2)將從模式的DL-20 ZigBee無線模塊和協(xié)議轉(zhuǎn)換器放在同一個房間內(nèi)。查看連接狀態(tài)和ILA捕捉的數(shù)據(jù)顯示。

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 DL-20數(shù)據(jù)互傳實驗結(jié)果分析

打開串口調(diào)試助手，在發(fā)送區(qū)輸入待發(fā)送的數(shù)據(jù)，在接收區(qū)可以查看到和發(fā)送區(qū)一致的數(shù)據(jù)，說明2個無線DL-20模塊完成了一次數(shù)據(jù)的回環(huán)測試，測試結(jié)果如圖10所示。實驗結(jié)果表明2塊ZigBee無線傳感器模塊能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的互傳功能。

圖10 ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)模塊互傳

3.2 modelsim邏輯功能實驗結(jié)果分析

tsn_data_in信號表示設(shè)計一個符合TSN以太網(wǎng)幀格式的下行激勵信號，該激勵信號中包含ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路層的數(shù)值，為十六進制，共18字節(jié)的數(shù)據(jù)。

8’h54/8’h24/8’h01/8’h02/8’h03/8’h04/8’h05/

8’h06/8’h07/8’h08/8’h09/8’h0f/8’hf0/

8’haa/8’h55/8’hea/8’h25/8’h41；

下行數(shù)據(jù)仿真波形圖如圖11所示，其中tx_ZigBee信號表示ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)，可以看出經(jīng)過解包和去標(biāo)簽后得到的數(shù)據(jù)和激勵數(shù)據(jù)中載有的ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)一致，表明數(shù)據(jù)解析無誤。

圖11 下行數(shù)據(jù)仿真波形圖

rx_ZigBee信號表示將無線串口單元的TX端連接到RX端，并且丟棄物理層數(shù)據(jù)幀幀頭后得到的ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)，數(shù)值為十六進制，共18字節(jié)。

8’h54/8’h24//8’h01/8’h02/8’h03/8’h04/

8’h05/8’h06/8’h07/8’h08/8’h09/8’h0f/

8’hf0/8’haa/8’h55/8’hea/8’h25/8’h41；

上行數(shù)據(jù)仿真波形圖如圖12所示，與tx_ZigBee數(shù)據(jù)一致表明數(shù)據(jù)接收無誤；其中tsn_data_out信號表示經(jīng)過協(xié)議轉(zhuǎn)換器封包后得到的符合TSN以太網(wǎng)協(xié)議報文數(shù)據(jù)，經(jīng)過比較與tsn_data_in激勵數(shù)據(jù)一致。

圖12 上行數(shù)據(jù)仿真波形圖

結(jié)合上述邏輯仿真結(jié)果可以得出，TSN交換機端接收和發(fā)送的數(shù)據(jù)一致。說明本設(shè)計的協(xié)議轉(zhuǎn)換器在邏輯功能上能夠完成TSN以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀和ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議數(shù)據(jù)幀的相互轉(zhuǎn)換。

3.3 FPGA板級功能實驗結(jié)果分析

實驗具體步驟分析如下：

(1)保證從TSN交換機發(fā)送的數(shù)據(jù)和無線網(wǎng)絡(luò)串口TX端接收的數(shù)據(jù)一致；

(2)保證從模式DL-20 ZigBee無線模塊接收的數(shù)據(jù)與主模式DL-20 ZigBee無線模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)一致；

(3)保證ILA邏輯分析工具捕捉到的TSN交換機接收的數(shù)據(jù)和TSN交換機發(fā)送的數(shù)據(jù)一致。

步驟(1)使用ILA工具捕捉的數(shù)據(jù)類型包括：TSN交換機端發(fā)送的數(shù)據(jù)；無線網(wǎng)絡(luò)串口TX端口接收的數(shù)據(jù)。

TSN交換機將ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路層的數(shù)據(jù)，封裝在TSN數(shù)據(jù)幀的負載字段發(fā)送出去，數(shù)值為十六進制，共18字節(jié)。

8’h54/8’h24/8’h01/8’h02/8’h03/8’h04/8’h05/8’h06/8’h07/8’h08/8’h09/8’h0f/8’hf0/8’haa/8’h55/8’hea/8’h25/8’h41

波形如圖13所示。

圖13 TSN交換機發(fā)送的數(shù)據(jù)

無線網(wǎng)絡(luò)串口TX端接收來自ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)收發(fā)模塊封包之后的物理層數(shù)據(jù)，數(shù)值為十六進制:

8’h00/8’ha7/8’h24/8’h54/8’h24//8’h01/8’h02/8’h03/8’h04/8’h05/8’h06/8’h07/8’h08/8’h09/8’h0f/8’hf0/8’haa/8’h55/8’hea/8’h25/8’h41;

該數(shù)據(jù)分別為用十六進制表示的4字節(jié)的物理層同步頭8’h00、1字節(jié)8’hA7、1字節(jié)的物理層頭8’h24，其余為ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路層的數(shù)據(jù)，如圖14所示。

圖14 無線網(wǎng)絡(luò)串口TX端接收的數(shù)據(jù)

經(jīng)比較，除物理層數(shù)據(jù)幀的同步頭和層頭外的數(shù)據(jù)一致，說明從TSN交換機端發(fā)送的數(shù)據(jù)和無線網(wǎng)絡(luò)串口TX端接收的數(shù)據(jù)一致。

步驟(2)使用ILA工具以及串口調(diào)試助手捕捉的數(shù)據(jù)類型為從模式的DL-20 ZigBee無線模塊接收的數(shù)據(jù)，其中包含了物理層的數(shù)據(jù)幀頭，如圖15所示。

圖15 從模式DL-20無線模塊接收的數(shù)據(jù)

經(jīng)比較，從模式DL-20 ZigBee無線模塊接收的數(shù)據(jù)和主模式DL-20 ZigBee無線模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)一致(發(fā)送的數(shù)據(jù)同步驟(1)無線網(wǎng)絡(luò)串口TX端接收的數(shù)據(jù))，從模式的DL-20 ZigBee無線模塊的接收數(shù)據(jù)無誤。

步驟(3)使用ILA工具捕捉ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路層的數(shù)據(jù)，此數(shù)據(jù)經(jīng)過協(xié)議轉(zhuǎn)換器封裝成TSN數(shù)據(jù)幀格式數(shù)據(jù)后發(fā)往TSN交換機端，即為TSN交換機接收的數(shù)據(jù)。波形如圖16所示。

圖16 TSN交換機接收的數(shù)據(jù)

經(jīng)比較可知TSN交換機端接收的數(shù)據(jù)和發(fā)送的數(shù)據(jù)一致(發(fā)送的數(shù)據(jù)同步驟(1)中TSN交換機發(fā)送的數(shù)據(jù))。通過對以上多種信號端口的數(shù)據(jù)進行分析比較，可知整個測試過程中數(shù)據(jù)的傳輸無誤。表明在實際應(yīng)用過程中，該協(xié)議轉(zhuǎn)換器能夠正常工作。

3.4 協(xié)議轉(zhuǎn)換器性能實驗結(jié)果分析

3.4.1 無障礙傳輸距離測試

無線收發(fā)模塊DL-20之間的連接狀態(tài)和ILA捕捉到的數(shù)據(jù)顯示、傳輸狀況如表1所示。

根據(jù)表1的測試結(jié)果可知，在100 m以內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸信號穩(wěn)定，在100 m以外數(shù)據(jù)傳輸不穩(wěn)定甚至無法接收到數(shù)據(jù)。后續(xù)通過加裝一塊功放芯片，可以增加傳播的距離。

表1 無障礙傳輸距離測試

3.4.2 有障礙傳輸距離測試

無線收發(fā)模塊DL-20之間的連接狀態(tài)和ILA捕捉到的數(shù)據(jù)顯示、傳輸狀況如表2所示。

表2 有障礙傳輸距離測試

根據(jù)表2的測試結(jié)果可知，將從模式的DL-20 ZigBee無線模塊和接有主模式的DL-20 ZigBee無線模塊的協(xié)議轉(zhuǎn)換器分別放在不同房間內(nèi)很難接收到信號。導(dǎo)致這種現(xiàn)象的原因可能在于本設(shè)計使用的ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)工作在2.4 GHz的頻段，頻率高導(dǎo)致穿透障礙物的能力較差。后續(xù)可以根據(jù)實際的現(xiàn)場環(huán)境，增添多個路由節(jié)點增加無線傳感網(wǎng)路的覆蓋范圍。

最后，結(jié)合這4種實驗的結(jié)果可知本協(xié)議轉(zhuǎn)換器能夠完成ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和確定性以太網(wǎng)絡(luò)TSN之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換。

4 結(jié)束語

本設(shè)計使用純硬件數(shù)字電路設(shè)計的方式，完成了一種面向ZigBee與TSN融合的確定性協(xié)議轉(zhuǎn)換器設(shè)計，經(jīng)驗證可知該協(xié)議轉(zhuǎn)換器可以實現(xiàn)ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和有線TSN以太網(wǎng)絡(luò)之間協(xié)議的轉(zhuǎn)換。實現(xiàn)了工業(yè)現(xiàn)場以太網(wǎng)向無線工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的擴展，解決了工業(yè)現(xiàn)場現(xiàn)有的異構(gòu)融合技術(shù)存在的運營成本高、數(shù)據(jù)傳輸時延大以及安全可靠性差等問題。后續(xù)的實驗工作中，計劃增加實驗節(jié)點數(shù)量，擴大網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍。同時，豐富網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的類型，以滿足多種工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用的需求。