基于WiFi的分布式测试网络的设计

石晓丹，胡晓磊，解亚妮

(中北大学电子测试技术国家重点实验室，山西太原030051)

在某些军事靶场、大型测试工业现场等测试领域中，需要通过多个测试节点进行数据采集来把握整体信息［1］。由于测试现场的恶劣环境及特殊地理位置，各个测试节点之间以及与控制中心之间需要进行大量的数据采集与传输，因此，传统的点阵测量方法已经满足不了新的测试需求。随着无线通信技术的迅猛发展，测控技术开始向网络化的分布式测试发展［2］。分布式测试网络能够通过无线局域网将分散的各个测试节点进行集中管理与控制，便于远程操作。本文根据某冲击波压力场的测试需求，以及测试现场的高温、高压、高冲击的恶劣条件，提出了一种基于WIFI的分布式测试网络，主要对控制中心、测试节点的数据采集存储、WIFI无线传输等部分进行了设计，经现场实验验证，该分布式测试网络无线通信质量良好，抗噪声干扰能力较强，远程操作便捷，能够准确传输冲击波压力场信号，大大提高了测试的可靠性与实时性。

1 分布式测试网络的整体框架

分布式测试网络主要是由远程控制中心、测试节点、AP组成。网络的架构图如下图1所示，压力场场信号通过测试节点的ICP传感器进行采集，经A/D将模拟信号转化为数字信号，在FPGA的控制下存储在SDRAM中，数据流通过WIFI模块进行异步串口通信，采用socket通信建立无线链路连接，接收到控制中心发起的请求指令，将所有的测试节点挂载到前端覆盖AP上，然后通过IEEE 802.11 g协议经中继AP、站AP桥接进行无线指令与数据传输。

图1 分布式测试WiFi网络架构

2 关键技术

2.1 控制中心AC设计

控制中心AC主要由计算机和上位机软件组成。上位机通过选用能够在PC机上开发人机交互控制界面的Lab-VIEW软件，实现指令的发送和数据的接收。

控制中心通过LabVIEW软件开发的操作界面对覆盖区域的分布式测试系统进行如下控制:首先，数据采集开始前，分布式测试系统接收控制中心的参数设置指令。测试人员操作LabVIEW软件进行无线状态扫描，无线数据存储长度、负延时长度、采样率等参数设置，LabVIEW软件将参数打包后，通过TCP/IP协议，采用socket通信方式，经各个AP的桥接，最终由分布式测试系统接收指令，并进行相应的设置，此时处于待触发状态。然后，压力场爆炸产生的压力信号触发分布式测试系统后，冲击波压力信号由测试系统的ICP压电传感器采集，经信号调理、无线存储、数据打包后，WiFi模块将无线数据传送至AP，通过TCP/IP协议及各个AP桥接，最终将采集数据无线传输至控制中心PC机，通过LabVIEW软件解包显示出完整的原始信号曲线，并将其保存以便进行后续的数据处理与分析。

2.2 数据采集存储部分的设计

该测试节点的数据采集存储部分主要包括ICP传感器、信号调理、AD转化、总控制单元、Wi-Fi模块等，其中总控制单元由FPGA丰富的IO口和逻辑单元完成对外设备的控制。根据冲击波压力场信号的高冲击、高频、瞬态等特征［3］，测试节点采用PCB公司的ms级响应、抗干扰能力强ICP压电式传感器进行信号采集。ICP传感器将冲击波场压力信号转化为电信号。信号调理电路将调理后的模拟信号经过ADC转化为12位的数字信号，在FPGA的控制下，将12位的数据分割为高6位和低6位，并设置添加相应的标志位，其中高位为11xxxxxx，低位为00xxxxxx，采用DMA模式存储技术，将数据通过数据总线存储到SDRAM中。测试节点选用具有8M×16bit存储空间的美光SDRAM及XC3S400A型号的FPGA。系统采集数据时先通过上位机LabVIEW软件设置负延时、存储长度、触发电平等参数。将转换的数字信号与事先设置好的触发电平值进行比较，一旦高于触发电平，连续采集5个点仍满足触发条件，则排除外部高频噪声干扰，此时判断系统触发。当A/D完成一次转换后，触发标志位置高，数据送到数据总线上，FPGA检测到触发标志位的上升沿后，通过状态机依次进行SDRAM激活，写命令，预充电，刷新操作，将数据总线上的数据存储到SDRAM中。数据采集存储流程如图2所示。

图2 数据采集存储流程图

2.3 WiFi无线通信模块

WiFi无线通信模块对于无线传输质量至关重要，是分布式测试WiFi网络的核心［4］。根据测试需求，采用通信速率为54 Mb/s、保密性高、单点覆盖距离大于100 m的WiFi无线通信技术进行前端目标区域覆盖。采用力天宏威推出的LTWE140型号的WiFi模块。该模块工作在2.4 GHz，支持802.11 b/g协议、内部集成TCP/IP协议栈和驱动程序、支持串口透传，模块串口波特率可高达921 600 bps。测试系统中的WiFi通信模块工作时，采用异步串口通信，利用串口的硬件流控模式保证数据传输的准确性。在FPGA的控制下将起始位、8位数据位、奇偶校验位、停止位打包为一帧，以帧为单位通过串口将数据传输到WiFi模块内，通过Socket通信将打包好的数据无线传输给覆盖AP，经桥接在控制中心LabVIEW软件上解析并显示。PC机通过LabVIEW软件，根据高低位数据大小范围的不同来实现标志位的检测，合并高低位并得到了原始数据，从而显示完整的数据曲线。

2.4 WiFi模块的配置与实现

力天宏威的LTWE140的WiFi模块，具有三种接口方式:UART、SPI和I2C。本文设计的测试节点采用UART接口传输。主要分为模块供电单元和串口传输。该模块的工作电压为3.3 V，在2.4 GHz频段工作。该模块有三种工作模式:WiFi正常工作(normal)、WiFi定时唤醒(Timing Sleep)、WiFi断电(Power Down)。在测试节点待触发状态时，需要最大限度地降低功耗，节约电池能源，此时进入WiFi断电模式。因此，需要增加WiFi模块断电电路，可以在FPGA的控制下通过高低电平来进行电源的开断。如图3所示，串口传输电路是通过FPGA的I/O口与WiFi模块的TXD、RXD、CTS和RTS的四个引脚相连进行相应控制。采用硬件流控的方式进行数据的可靠传输。

对该WiFi模块进行相应的参数配置，可以通过串口与网页两种配置方式。根据测试需求以及模块自身特点，通过串口线将WiFi模块与PC机进行参数设置。网络名称SSID默认为ubnt，将网络模式设置为以AP为中心的基础网模式，串口波特率设置为最高值921 600 bps，IP地址设置为192.168.1.1＊＊(＊＊为 0～99的整数)以及端口号，并将其作为测试系统的标识号。根据Socket通信方式，将WiFi模块的连接类型设置为服务器模式，控制中心设置为客户端模式。模块协议类型选择时，由于TCP协议是具有数据校验与重传机制的、面向用户连接的、可靠传输协议［5］，相比UDP简单数据协议更能满足测试要求，因此，将其设置为TCP可靠数据传输协议。

图3 WiFi模块与控制器接口电路图

2.5 Socket通信

分布式测试网络中，控制中心与测试节点采用服务器端/客户端的主从架构，采用Socket方式进行通信。Socket通信方式分为三个步骤进行数据和指令的传输，，即服务器端监听、客户端请求、连接确认［6］。首先，服务器端对各个客户端的端口进行监听。其次，客户端需要通过监听的端口对服务器发出主动请求。最后，在服务器接收到客户端的请求后，建立通信连接，二者关系对等。在分布式测试网络中，如果将控制中心设置为服务器端模式，测试节点设置为客户端模式，在进行WiFi无线数据传输时，控制中心需要实时监听各个测试节点，一旦所有测试节点同时发出主动连接请求，那么控制中心需要处理大量的数据，可能会造成某些测试节点请求超时，无线通信连接失败。因此，为避免出现这种情况，将控制中心PC机设置为客户端模式，测试节点设置为服务器端模式。Socket通信图如图4所示，多个测试节点对控制中心进行监听，需要建立通信时，控制中心发出请求，测试系统能够快速响应，建立Socket通信。这样，既减轻了控制中心的监听任务，又保证了通信连接的实时性。

图4 Socket通信图

3 实验验证

在某次靶场实验中，结合测试现场情况、信号源的具体位置，进行分布式测试网络搭建。由于冲击波压力信号的瞬态超压、高毁伤力，需要将系统进行近地面掩埋处理，将10套分布式测试系统围绕信号源进行合理布设，以保证最大程度获取整体信息。根据冲击波压力场信号的测试要求，将覆盖AP、中继AP、站AP统一架高6 m。在目标覆盖区域搭建时，覆盖AP下倾3°，主瓣方向对准所测信号源。中继AP与前端覆盖AP通过RJ-45网线相连，背向固定。中继AP主瓣方向对准两公里外的站AP，实现中继点对点无线传输。最后，站AP与控制中心PC机通过网线连接。测试人员可通过LabVIEW软件设置参数，监测各个测试节点的工作状态及无线信号强度、信噪比、信道等。

图5 实验结果图

通过对分布式测试网络目标区域进行了信号传输速率、覆盖范围、信号质量等指标的测试，如图5所示，实验证明通过WiFi分布式测试网络能够在控制中心LabVIEW上显示完整的、噪声较小、较为平滑的冲击波压力信号曲线，并可以进行后续数据处理。网络前端覆盖区域能够准确捕获压力场场信号并及时响应控制中心发出的指令，覆盖范围能够达到测试需求的200 m，无线传输质量达到了网络设计的各项指标要求。因此，分布式测试整体网络性能稳定可靠，远程操作便捷，实用性强。

［1］李洪烈，李洪河，王好同.自动测试技术现状和发展［J］.海军航空工程学院学报，2002，2(1):231 －234.

［2］李本亮.基于无线局域网的分布式测试系统实时性及同步时钟的研究［D］.成都:电子科技大学，2011.

［3］李凤保.网络化测试系统及实时性研究［D］.成都:电子科技大学，2003.

［4］熊卿青，邓媛嫄.现代无线通信技术的现状分析及其发展前景［J］.科技创新导报，2002，2(2):31 －34.

［5］邹向毅.IEEE802.11无线局域网MAC协议性能研究与优化［D］.西安:西安电子科技大学，2008.

［6］梁国柱.运营级 WLAN组网及工程设计规划探讨［D］.广州:华南理工大学，2011.