引言

　　近年來(lái)，中短程無(wú)線通信技術(shù)發(fā)展迅速，它正逐步滲透到工業(yè)控制領(lǐng)域，具有很好的應(yīng)用前景?；贗EEE802.15.4a(4A)標(biāo)準(zhǔn)的線性調(diào)頻擴(kuò)頻技術(shù)(chirp spread spectrum , CSS)綜合了FSK、PSK和ASK三種調(diào)制方式的優(yōu)點(diǎn)，能有效地抑制惡劣環(huán)境中的噪聲和干擾且功耗極低，特別適合應(yīng)用于工業(yè)場(chǎng)合。為了研究該標(biāo)準(zhǔn)下的工業(yè)無(wú)線產(chǎn)品安全性和穩(wěn)定性，需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的測(cè)試和驗(yàn)證方法，以考察其性能。

　　目前，人們對(duì)于該標(biāo)準(zhǔn)的大部分研究工作還只是基于普通的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的離線性能分析，新的測(cè)試方法和裝置未見(jiàn)報(bào)道。本文分析總結(jié)了該標(biāo)準(zhǔn)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的各種研究方法，提出了該無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的性能測(cè)試分析方法，并開(kāi)發(fā)相應(yīng)的測(cè)試裝置，以考察其在工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中通信的性能指標(biāo)，為優(yōu)化和改善工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信提供了依據(jù)。

　　一、實(shí)時(shí)性測(cè)試方法

　　1.1 工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性

　　實(shí)時(shí)性是指信號(hào)的輸入、運(yùn)算和輸出都要在一定的時(shí)間內(nèi)完成，并根據(jù)生產(chǎn)過(guò)程工況及現(xiàn)場(chǎng)情況變化進(jìn)行及時(shí)處理 。實(shí)時(shí)與快速并非是相同的含義，無(wú)論網(wǎng)絡(luò)的傳輸速度如何，只要在規(guī)定的響應(yīng)時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生響應(yīng)動(dòng)作，都說(shuō)明系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性。工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性是指網(wǎng)絡(luò)中的功能節(jié)點(diǎn)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系在一起，當(dāng)某個(gè)節(jié)點(diǎn)向網(wǎng)絡(luò)發(fā)出訪問(wèn)請(qǐng)求時(shí)，功能節(jié)點(diǎn)能夠在響應(yīng)時(shí)間內(nèi)完成相應(yīng)的功能操作川。對(duì)于工業(yè)無(wú)線通信的實(shí)時(shí)性測(cè)試主要是考核該網(wǎng)絡(luò)對(duì)各類事件的響應(yīng)速度、穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性等性能，其關(guān)注的對(duì)象是工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的性能指標(biāo)，如：丟包率、時(shí)延、控制周期和吞吐量等，這些性能指標(biāo)是準(zhǔn)確評(píng)價(jià)在不同網(wǎng)絡(luò)負(fù)載下協(xié)議實(shí)現(xiàn)性能的一種重要手段。

　　1.2 測(cè)試方法

　　目前，基于IEEE802.15.4a標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的測(cè)試研究方法主要有理論分析、計(jì)算機(jī)仿真和真實(shí)測(cè)試平臺(tái)三大類。理論分析是用數(shù)學(xué)建模的方法對(duì)網(wǎng)絡(luò)及其環(huán)境進(jìn)行詳細(xì)的描述和分析，間接實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)際應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)的研究。計(jì)算機(jī)仿真方法是利用NSZ、OPNET、Matlab等仿真軟件對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行研究，這類方法具有成本低、靈活性好和可靠性高等優(yōu)勢(shì)。真實(shí)測(cè)試平臺(tái)本質(zhì)上就是原型系統(tǒng)，最接近于實(shí)際應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。

　　理論分析和計(jì)算機(jī)仿真的方法雖然可以進(jìn)行多個(gè)同類協(xié)議的比較，但建模復(fù)雜、且不可能完全模擬工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的真實(shí)環(huán)境。真實(shí)平臺(tái)的測(cè)試方法更為真實(shí)可信，不僅全面包含影響網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的各個(gè)因素，而且避免了因模型簡(jiǎn)化而導(dǎo)致的誤差。通過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)基于IEEE802.15.4a的CSS物理層協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的研究平臺(tái)較少，大多數(shù)是理論仿真分析;而本課題已經(jīng)設(shè)計(jì)好基于IEEE802.15.4a的CSS物理層協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)無(wú)線節(jié)點(diǎn)，并將該類節(jié)點(diǎn)集成到工業(yè)控制系統(tǒng)中去，且運(yùn)行穩(wěn)定。因此，本文選擇了真實(shí)平臺(tái)的測(cè)試方法，并開(kāi)發(fā)了測(cè)試裝置。

　　1.3 測(cè)試方法的實(shí)現(xiàn)

　　工業(yè)無(wú)線產(chǎn)品通常是以協(xié)議轉(zhuǎn)換器、ODBC、OPC和網(wǎng)關(guān)等方式接入到現(xiàn)有的控制系統(tǒng)。采用OPC、ODBC等方式的無(wú)線網(wǎng)路不能保證測(cè)試數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性，但若以硬件的方式接入到控制系統(tǒng)中，如轉(zhuǎn)換器或者網(wǎng)關(guān)等，則可以解決上述問(wèn)題。

　　本文研究的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)是通過(guò)協(xié)議轉(zhuǎn)換器接入到工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)。按照這種接入方式，測(cè)試裝置通過(guò)無(wú)線發(fā)送數(shù)據(jù)、有線接收數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的跟蹤測(cè)試。測(cè)試裝置接入無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的測(cè)試方法示意圖如圖1所示。

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　　由圖1可知，測(cè)試數(shù)據(jù)包的傳輸路徑為性能測(cè)試裝置(無(wú)線子節(jié)點(diǎn))→協(xié)議轉(zhuǎn)換裝置(無(wú)線主站)→主干網(wǎng)絡(luò)PLC主站→協(xié)議轉(zhuǎn)換裝置( Modbus/TCP Client)→性能測(cè)試裝置。協(xié)議轉(zhuǎn)換裝置由無(wú)線主站、 Modbus/TCPclient、Profibus-DP從站等組成。無(wú)線主站收到測(cè)試數(shù)據(jù)包后，通過(guò)協(xié)議轉(zhuǎn)換裝置變換成 Profius-DP報(bào)文并上傳至PLC控制器;PLC將報(bào)文分發(fā)至有線網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)映射區(qū)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，通過(guò)Profibus-DP報(bào)文分發(fā)至協(xié)議轉(zhuǎn)換裝置。協(xié)議轉(zhuǎn)換裝置將該P(yáng)rofibus-DP報(bào)文轉(zhuǎn)換為Modbus/TCP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議報(bào)文，發(fā)送給測(cè)試節(jié)點(diǎn)。在此過(guò)程中采用時(shí)間戳的概念，記錄下每次數(shù)據(jù)包在各種協(xié)議中的接收廠發(fā)送時(shí)間、收發(fā)數(shù)據(jù)包的數(shù)量及其他有效信息，并最終計(jì)算出無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的各種性能參數(shù)。

　　本文選擇了無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的丟包率、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)流量、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)令牌循環(huán)時(shí)間和有線無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的控制周期作為無(wú)線網(wǎng)絡(luò)性能的指標(biāo)。丟包率指一段時(shí)間內(nèi)無(wú)線丟失的包個(gè)數(shù)與發(fā)送的包的總數(shù)量之比;無(wú)線網(wǎng)絡(luò)流量指單位時(shí)間內(nèi)發(fā)送接收的數(shù)據(jù)總和;令牌循環(huán)周期指同一個(gè)無(wú)線節(jié)點(diǎn)相鄰兩次收到令牌的循環(huán)時(shí)間，表達(dá)式為：

　　TokenCycle=Tn+1-Tn (1)

　　式中：Tn為無(wú)線節(jié)點(diǎn)C第N次收到令牌的時(shí)間;T n+1為第N+1次收到令牌的時(shí)間。

　　控制周期指在一組測(cè)試中，數(shù)據(jù)包離開(kāi)A網(wǎng)絡(luò)源節(jié)點(diǎn)記錄時(shí)間為T(mén)send ，經(jīng)過(guò)網(wǎng)關(guān)或者協(xié)議轉(zhuǎn)換器有效地穿越至B網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)過(guò)主控制器后處理后再回到A網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)時(shí)間為T(mén)recv?？刂浦芷谟?jì)算表達(dá)式為：

　　ControlCycle=Trecv- Tsend (2)

　　二、裝置硬件實(shí)現(xiàn)

　　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(diǎn)。通過(guò)SPI總線與NAITRS無(wú)線模塊連接，實(shí)現(xiàn)測(cè)試裝置的無(wú)線通信功能。無(wú)線模塊采用了線性調(diào)頻擴(kuò)頻CSS技術(shù)作為實(shí)現(xiàn)工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議IEEE802.15.4a的物理層標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)試裝置硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

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　　AT91RM9200微處理器集成了以太網(wǎng)控制器，通過(guò)MDIO接口外擴(kuò)DM9l61 以太網(wǎng)物理層接口芯片，對(duì)外通過(guò)Rj45網(wǎng)口與其他的Medbus節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，其本身作為一個(gè)Modbus/TCP Server節(jié)點(diǎn)。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(guò)I/O口線連接到處理器上，模擬 SPI實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的通信。系統(tǒng)擴(kuò)展了DM9000網(wǎng)口與上位機(jī)進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)與上位計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)交互;此外，還擴(kuò)展了SDRAM存儲(chǔ)器和FLASH存儲(chǔ)器、 USB 接口、串口、輸入輸出I/O等。該裝置與測(cè)試網(wǎng)絡(luò)連接采用無(wú)線(基于IEEE802.15.4a標(biāo)準(zhǔn)CSS物理層的NAI TRS無(wú)線模塊)和有線( Modbus/TCP)的方式，實(shí)現(xiàn)與測(cè)控平臺(tái)的接入。

　　三、程序?qū)崿F(xiàn)

　　3.1 應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

　　3.1.1 無(wú)線測(cè)試程序的實(shí)現(xiàn)

　　測(cè)試裝置通過(guò)無(wú)線接入到無(wú)線令牌環(huán)網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)試。測(cè)試的具體步驟為：程序先進(jìn)行初始化，測(cè)試裝置等待加入到無(wú)線令牌環(huán)網(wǎng)絡(luò)。測(cè)試裝置加入后等待獲得網(wǎng)絡(luò)的令牌。測(cè)試裝置獲得令牌后將測(cè)試數(shù)據(jù)發(fā)送至無(wú)線主站，同時(shí)將數(shù)據(jù)保存到一張二維表格1里。無(wú)線主站(協(xié)議轉(zhuǎn)換器)將測(cè)試數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成Profihus-DP的數(shù)據(jù)包發(fā)送至PLC, PLC進(jìn)行相應(yīng)的處理后，將數(shù)據(jù)返回協(xié)議轉(zhuǎn)換器。協(xié)議轉(zhuǎn)換器將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換成Modb-us/TCP的數(shù)據(jù)包發(fā)送給測(cè)試裝置，測(cè)試裝置將接收到的數(shù)據(jù)記錄到表I中。當(dāng)表I記滿后自動(dòng)轉(zhuǎn)到表n，等待數(shù)據(jù)處理程序處理表I的數(shù)據(jù)，處理完畢后清零。

　　3.1.2 數(shù)據(jù)處理程序的實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理程序流程如圖3所示。

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　　當(dāng)表Ⅰ(Ⅱ)完成256次測(cè)試后，測(cè)試程序會(huì)發(fā)送表Ⅰ(Ⅱ)測(cè)試完畢的信號(hào)量，數(shù)據(jù)處理程序獲得該同步信號(hào)量，并對(duì)該表進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

　　根據(jù)表中發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)信息計(jì)算出丟包率，令牌循環(huán)時(shí)間、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的流量和控制周期等參數(shù)。處理完成后清除表格中的數(shù)據(jù)，并保存處理結(jié)果到相應(yīng)的數(shù)據(jù)區(qū)。