引言

　　近年來，中短程無線通信技術發展迅速，它正逐步滲透到工業控制領域，具有很好的應用前景。基于IEEE802.15.4a(4A)標準的線性調頻擴頻技術(chirp spread spectrum , CSS)綜合了FSK、PSK和ASK三種調制方式的優點，能有效地抑制惡劣環境中的噪聲和干擾且功耗極低，特別適合應用于工業場合。為了研究該標準下的工業無線產品安全性和穩定性，需要設計相應的測試和驗證方法，以考察其性能。

　　目前，人們對于該標準的大部分研究工作還只是基于普通的計算機網絡的離線性能分析，新的測試方法和裝置未見報道。本文分析總結了該標準無線網絡的各種研究方法，提出了該無線網絡的性能測試分析方法，并開發相應的測試裝置，以考察其在工業無線網絡控制系統中通信的性能指標，為優化和改善工業無線網絡通信提供了依據。

　　一、實時性測試方法

　　1.1 工業無線網絡的實時性

　　實時性是指信號的輸入、運算和輸出都要在一定的時間內完成，并根據生產過程工況及現場情況變化進行及時處理 。實時與快速并非是相同的含義，無論網絡的傳輸速度如何，只要在規定的響應時間內產生響應動作，都說明系統具有實時性。工業無線網絡的實時性是指網絡中的功能節點通過網絡聯系在一起，當某個節點向網絡發出訪問請求時，功能節點能夠在響應時間內完成相應的功能操作川。對于工業無線通信的實時性測試主要是考核該網絡對各類事件的響應速度、穩定性、準確性等性能，其關注的對象是工業無線網絡的性能指標，如：丟包率、時延、控制周期和吞吐量等，這些性能指標是準確評價在不同網絡負載下協議實現性能的一種重要手段。

　　1.2 測試方法

　　目前，基于IEEE802.15.4a標準的無線網絡的測試研究方法主要有理論分析、計算機仿真和真實測試平臺三大類。理論分析是用數學建模的方法對網絡及其環境進行詳細的描述和分析，間接實現對實際應用網絡的研究。計算機仿真方法是利用NSZ、OPNET、Matlab等仿真軟件對無線網絡進行研究，這類方法具有成本低、靈活性好和可靠性高等優勢。真實測試平臺本質上就是原型系統，最接近于實際應用的網絡環境。

　　理論分析和計算機仿真的方法雖然可以進行多個同類協議的比較，但建模復雜、且不可能完全模擬工業現場的真實環境。真實平臺的測試方法更為真實可信，不僅全面包含影響網絡狀態的各個因素，而且避免了因模型簡化而導致的誤差。通過查閱相關文獻，發現基于IEEE802.15.4a的CSS物理層協議標準的研究平臺較少，大多數是理論仿真分析;而本課題已經設計好基于IEEE802.15.4a的CSS物理層協議標準無線節點，并將該類節點集成到工業控制系統中去，且運行穩定。因此，本文選擇了真實平臺的測試方法，并開發了測試裝置。

　　1.3 測試方法的實現

　　工業無線產品通常是以協議轉換器、ODBC、OPC和網關等方式接入到現有的控制系統。采用OPC、ODBC等方式的無線網路不能保證測試數據的實時性，但若以硬件的方式接入到控制系統中，如轉換器或者網關等，則可以解決上述問題。

　　本文研究的無線網絡是通過協議轉換器接入到工業控制網絡。按照這種接入方式，測試裝置通過無線發送數據、有線接收數據，實現了數據的跟蹤測試。測試裝置接入無線網絡的測試方法示意圖如圖1所示。

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　　由圖1可知，測試數據包的傳輸路徑為性能測試裝置(無線子節點)→協議轉換裝置(無線主站)→主干網絡PLC主站→協議轉換裝置( Modbus/TCP Client)→性能測試裝置。協議轉換裝置由無線主站、 Modbus/TCPclient、Profibus-DP從站等組成。無線主站收到測試數據包后，通過協議轉換裝置變換成 Profius-DP報文并上傳至PLC控制器;PLC將報文分發至有線網絡的數據映射區，進行數據處理后，通過Profibus-DP報文分發至協議轉換裝置。協議轉換裝置將該Profibus-DP報文轉換為Modbus/TCP網絡協議報文，發送給測試節點。在此過程中采用時間戳的概念，記錄下每次數據包在各種協議中的接收廠發送時間、收發數據包的數量及其他有效信息，并最終計算出無線網絡的各種性能參數。

　　本文選擇了無線網絡的丟包率、無線網絡流量、無線網絡令牌循環時間和有線無線網絡的控制周期作為無線網絡性能的指標。丟包率指一段時間內無線丟失的包個數與發送的包的總數量之比;無線網絡流量指單位時間內發送接收的數據總和;令牌循環周期指同一個無線節點相鄰兩次收到令牌的循環時間，表達式為：

　　TokenCycle=Tn+1-Tn (1)

　　式中：Tn為無線節點C第N次收到令牌的時間;T n+1為第N+1次收到令牌的時間。

　　控制周期指在一組測試中，數據包離開A網絡源節點記錄時間為Tsend ，經過網關或者協議轉換器有效地穿越至B網絡，經過主控制器后處理后再回到A網絡的目標節點時間為Trecv。控制周期計算表達式為：

　　ControlCycle=Trecv- Tsend (2)

　　二、裝置硬件實現

　　本文選擇了AT91RM9200處理器，工作溫度范圍為-40～+80℃，具有很好的抗干擾特點。通過SPI總線與NAITRS無線模塊連接，實現測試裝置的無線通信功能。無線模塊采用了線性調頻擴頻CSS技術作為實現工業無線網絡協議IEEE802.15.4a的物理層標準，測試裝置硬件結構如圖2所示。

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　　AT91RM9200微處理器集成了以太網控制器，通過MDIO接口外擴DM9l61 以太網物理層接口芯片，對外通過Rj45網口與其他的Medbus節點進行通信，其本身作為一個Modbus/TCP Server節點。LCD顯示屏采用Topway的LM32019EWF，分辨率為320×240, 供電電壓為3.3V，它以8080總線的方式連接到AT91RM92OO微處理器上。

　　觸摸屏采用的是AD7843芯片，通過I/O口線連接到處理器上，模擬 SPI實現數據的通信。系統擴展了DM9000網口與上位機進行通信，實現與上位計算機的數據交互;此外，還擴展了SDRAM存儲器和FLASH存儲器、 USB 接口、串口、輸入輸出I/O等。該裝置與測試網絡連接采用無線(基于IEEE802.15.4a標準CSS物理層的NAI TRS無線模塊)和有線( Modbus/TCP)的方式，實現與測控平臺的接入。

　　三、程序實現

　　3.1 應用程序設計

　　3.1.1 無線測試程序的實現

　　測試裝置通過無線接入到無線令牌環網絡，進行數據測試。測試的具體步驟為：程序先進行初始化，測試裝置等待加入到無線令牌環網絡。測試裝置加入后等待獲得網絡的令牌。測試裝置獲得令牌后將測試數據發送至無線主站，同時將數據保存到一張二維表格1里。無線主站(協議轉換器)將測試數據轉換成Profihus-DP的數據包發送至PLC, PLC進行相應的處理后，將數據返回協議轉換器。協議轉換器將數據包轉換成Modb-us/TCP的數據包發送給測試裝置，測試裝置將接收到的數據記錄到表I中。當表I記滿后自動轉到表n，等待數據處理程序處理表I的數據，處理完畢后清零。

　　3.1.2 數據處理程序的實現數據處理程序流程如圖3所示。

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　　當表Ⅰ(Ⅱ)完成256次測試后，測試程序會發送表Ⅰ(Ⅱ)測試完畢的信號量，數據處理程序獲得該同步信號量，并對該表進行數據處理。

　　根據表中發送和接收的數據信息計算出丟包率，令牌循環時間、無線網絡的流量和控制周期等參數。處理完成后清除表格中的數據，并保存處理結果到相應的數據區。

　　3.1.3 接口程序的實現

????????顯示程序和觸摸屏輸入程序主要完成對測試結果的顯示和用戶的設置。上電后首先對硬件進行初始化，然后通過輸入信息選擇相應的顯示信息，即：丟包率顯示、流量顯示、令牌循環時間顯示、延時顯示以及與其他用戶交互的界面選擇。上位機通信利用套接字中的socket〔 〕和Connect 〔 〕函數與上位機之間建立起可用的TCP連接，用Send 〔 〕和receive 〔 〕函數將測試結果告知計算機。

　　3.2 多任務調度的實現

　　測試裝置的軟件系統采VxWorks嵌入式實時操作系統。VxWorks實時操作系統提供的多任務機制中對任務的控制采用了優先級搶占和輪轉調度機制，充分保證了可靠的實時性，使同樣的硬件配置能滿足更強的實時性要求，為應用開發留下更大的余地。

　　在主程序中設定系統時鐘分辨率及任務調度方式，并創建twire、thandle、tclient、tdisplay和tserver共五個新任務。twire為無線節點任務，主要完成入網和發送接收數據、發送令牌等操作;thandle為性能測試結果的計算任務，將一次測試過程中的各項數據記錄在列表中，計算得到性能指標值等;tclient為TCP客戶端任務，主要利用socket和connect函數建立起可用的TCP連接，用send和，receive函數發送報文并接收對方響應，完成一次測試結果的上傳;tdisPlay為顯示和輸入任務，用于對測試數據的顯示和控制;tserver是Modbus/TCP服務器程序，完成Modbus/TCP 網絡通信的功能。上述各任務并行運行，任務之間的通信采用信號量和消息的方式。

　　各任務之間分別采用semhandle、semclient、semdis-play這三種信號量進行通信。其中，semhandle信號量用來同步thandle與 tserver任務，即當Modbus/TCP服務器端接收完一組測試包后才能開啟性能計算任務;semclient信號量用來同步thandle與tclient任務，當測試數據計算得出結果后才能通過客戶端上傳至上位機;semdispl叮用來同步thandle和tdisplay任務，即將thandie計算的數據結果同步顯示在液晶屏上。

　　四、實驗結果驗證

　　待測網絡拓撲結構如圖4所示。

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　　無線網絡流量、令牌周期和控制周期示意圖分別如圖5、圖6所示。

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　　經過測試，我們得到該系統在傳輸距離為30m以內的丟包率小于0.1%，無線到Modbus/TCP的現場總線網絡的控制周期為27.34ms。

　　五、結束語

　　該測試方法提出了基于IEEE802.15.4a的CSS標準的嵌入式工業無線網絡的測試，其主要優點在于由嵌入式操作系統提供統一的時間基準而避免了時間基準引起的測量誤差，并將測試裝置接入現場總線網段中進行測量，能更精確地獲得性能參數。