基于WiFi的无线存储测试系统设计*

轩春青，轩志伟，赖富文，张国栋

（1.郑州成功财经学院信息工程系，河南巩义451200；2.中北大学电子测试技术国防重点实验室，太原030051；3.武汉高德红外股份有限公司，武汉430070；4.中国白城兵器实验中心，吉林白城137001）

基于WiFi的无线存储测试系统设计*

轩春青1*，轩志伟2，3，赖富文2，4，张国栋3

（1.郑州成功财经学院信息工程系，河南巩义451200；2.中北大学电子测试技术国防重点实验室，太原030051；3.武汉高德红外股份有限公司，武汉430070；4.中国白城兵器实验中心，吉林白城137001）

为了解决传统测试仪器在针对场信号测试时布线麻烦、干扰严重；现有的存储测试系统无法监控各测点状态、数据不能及时回传等问题。提出了一种基于WiFi的无线分布式测试系统，综合运用存储测试和无线通信技术，解决了存储测试中出现的问题。系统在FPGA控制下完成数据采集存储和无线传输等功能。增加了断线重连等无线功能，保证数据传输的可靠性，并对天线进行选择。试验结果表明，系统工作稳定、数据传输可靠，能够对各测试节点进行状态监控、参数设置和数据回读等操作，具有良好的应用前景。

存储测试；无线传输；状态监控；断线重连

EEACC：7230doi：10.3969/j.issn.1004-1699.2016.05.023

作为评测弹药毁伤威力的一个指标，在进行实弹爆破试验时必须对冲击波超压进行测试。目前，冲击波测试中常用的方法有引线电测法与存储测试法［1］，引线电测法将传感器置于爆炸现场，信号调理和数据采集仪器置于远离爆炸现场的掩体内，二者通过导线相连［1］。引线电测法系统搭建简单，能监测测试装置的状态［2］，但布线麻烦、信号干扰严重。存储测试技术将传感器、信号调理电路、采集存储电路以及各种接口集成到一起，做到小型化使测试装置能置于现场［3-4］，测试结束后通过相应的接口回收其获取的数据，具有布设方便、噪声小等优点［5］，但却无法对装置状态进行监控、测试数据需要回读，限制了其发展应用。本文介绍一种基于WiFi的无线存储测试系统，将存储测试技术与无线通信技术结合起来，充分发挥存储测试系统可靠性高、布设方便的优点，结合无线灵活性的特点［6］，使得测试系统完全胜任复杂场信号的测试，降低了系统构建成本，解决了布线困难、管理不便以及扩展性差的问题。

1　系统结构及原理

无线测试系统由信号调理电路、采集存储电路、无线传输电路以及接口电路组成。系统的原理框图如图l所示。传感器将物理信号转化为电信号，通过调理电路进行放大、滤波和加偏置等处理后，通过AD的量化采集，转化为数字信号进行存储，整个采集过程由FPGA控制完成。在FPGA的控制下，无线模块与控制中心之间建立起的通信链路，将获取的数据传输到控制中心。预留的USB通信接口可保证数据在无线通信故障或者需要屏蔽无线时能可靠回收。使用时，控制中心置于安全的距离外，测试节点布设于爆炸场中。控制中心通过无线对各节点进行状态监控、参数设置以及数据回读等操作。上位机通过调用相应的数据处理软件对获取的测试数据进行处理并显示。

图1　系统原理框图

2　系统的硬件设计

系统的主要任务是完成数据的采集存储和无线传输等功能，结构框图如图2所示。

图2　采集系统的基本组成

信号调理电路主要用于驱动传感器工作、对传感器输出信号进行预处理，并实现信号的放大等功能。传感器输出信号带有10 V左右的直流偏置电压［7-8］，必须经隔直电路并重新加载合适的偏置电压后才能使用AD进行量化采集。为了降低模拟部分的噪声，对所采用的运放进行单电源供电，通过综合使用放大电路和差分电路的方式实现对信号加直流偏置电压，并确保在对信号进行不同的放大倍数时，偏置电压保持稳定。信号放大倍数由模拟开关控制不同的反馈电阻实现，为达到精准的放大倍数，采用特制精密电阻。使用二阶压控低通有源滤波器对信号进行抗混叠滤波处理。滤波器的截止频率由冲击波信号特点而定，一般设置为300 kHz，滤波后的信号通过AD采样，转化为数字信号进行存储和传输。

数字采集电路通过FPGA控制AD采集转换、SDRAM存储、USB通信传输、触发电平选择、延时采集等各项功能；USB通信采用FTDI公司的FT245通信协议芯片，通过该芯片可以实现USB和并行接口之间的协议转换，其工作流程由FPGA内的USB控制软核控制［9-10］。SDRAM中的数据通过串口发送到无线模块中，利用无线方式传输到上位机，最终在上位机上完成显示、分析等。整个流程由FPGA控制，SDRAM模块、USART模块和USB控制模块在时钟信号控制下完成相应功能，实现数据的存储与输出工作。

3　无线功能设计

系统采用的WiFi模块内部集成完整的TCP/IP协议栈，支持Socket编程接口。根据项目需求对其进行二次开发并设计接口电路。无线功能主要有挂载功能：确保无线模块能关联到相应的AP上；断线重连：保证无线中断后能重新连接挂载到AP上并建立无线链路，增强无线功能的可靠性；

无线模块通过串口与控制器（FPGA）相连。为防止传输过程因信号不稳定造成数据丢失，保证数据传输的稳定性，增加了硬件流控功能。测试系统和控制中心采用主从架构即C/S结构，使用socket连接进行通信。其中服务器在连接前监听是否有客户端进行请求，而客户端能主动发起连接，工作流程如图3所示。测试系统定时对无线链路进行检测，在恶劣环境下无线链路断开时，能够重新扫描周围的无线网络并挂载到指定的AP上，建立通信链接，确保无线通信的通畅。

控制中心功能较多，将其设为服务器模式时，与多套测试系统同时通信存在响应不够及时，出现连接超时等问题。为了提高测试系统的实时性，将测试节点设置为服务器模式，通信时由控制中心发起请求。测试节点在相应的端口侦听到的请求时就建立起通信链路，进而开始数据传输，接收控制中心发来的指令。

图3　无线链路建立流程图

3.1无线功能验证

无线模块功能调试完成后，每次上电后即自动连接到指定的无线网络服务器。在设计完成后，需对无线挂载、断线重连和无线传输等功能进行验证。确保无线模块数据收发功能正常；且关联到相应的AP上并能重新建立无线连接。具体试验如下：①挂载功能的验证：给无线模块和AP上电，等待无线模块挂载到AP上，通过使用ping指令验证无线链路的通畅；②断线重连：当挂载功能完成后，给AP断电后再上电，继续使用ping指令，观察模块能否连接到AP上，重新建立无线链路；③无线传输：使用TCP调试工具，建立客户端连接，验证TCP连接功能。通过相互发送数据并对比接收端与发送端的数据，验证其数据传输功能，如图4所示。

在进行大量数据传输时，如果无线链路中断将会丢失一部分数据，包括无线模块缓存中的数据［11-12］。为保证大量数据连续传输时不丢失，利用FPGA对无线状态管脚进行检测，在链路中断后无线模块会将无线状态管脚置高，将该管脚信号作为约束信号，控制数据帧的发送，检测到该管脚为高时停止发送数据。等待无线链路建立后，从接收端读取已收到的数据帧号，然后FPGA从该帧重新发送数据。接收端从该帧起继续存储，覆盖不完整的数据帧，确保数据的不丢失，保证数据的连续性。

图4　无线链路建立

3.2天线的选择与安装

天线是发射和接收电磁波的重要无线电设备，使用时主要关心天线的极化方向和增益等指标。极化方式主要是指天线辐射时所形成的的电场强度的方向，如果电场强度方向和地面平行则为水平极化，若与地面垂直则为垂直极化波。因此水平极化的天线在贴近地表使用时，会在地表感生出极化电流，在大地阻抗的作用下变为热量散发出去，降低了电场的信号强度。而垂直极化天线因其自身的特点而不易产生极化电流，近地使用时，能量损失较少。常用的2.4G天线类型有PCB天线、螺旋天线和鞭状天线。表1对几种天线性能进行了对比。

表1　3种天线的优缺点对比

对棒状天线、吸盘天线和PCB天线进行试验，如图5所示，其中对吸盘天线进行改进，将其地线接到设备的金属外壳上作为地网。

图5　天线性能测试

改装吸盘天线距地面较高，受地面影响相对较小，其信号强度比PCB天线好，且易于更换，但因其树立在空中，对压力场信号造成干扰，在冲击波的作用下容易变形性能变差，存活性低，实验中受到损坏将无法进行无线通信，可靠性差；而PCB天线为定向天线，能将能量集中到一个方向传播出去，能够避免隐藏节点的出现，安装在设备表面与其平齐，不影响冲击波场，存活性高，信号强度较吸盘天线弱但仍能满足系统需求。因此测试节点选用PCB天线。

4　性能分析

4.1无线性能测试

为了验证测试系统的相关无线功能，进行了多次性能验证实验。在控制端对多套设备进行参数设置、软件触发、状态监控、数据回读以及软件复位等操作，共进行6组，每组测试10次。其中AP距地面1 m，设备与AP之间的距离为5 m，设备天线正对着AP，试验结果如表3所示。通过无线AP设置管理软件对无线链路的建立情况、数据的传输情况进行实时监测，经过多次实验，上位机接收到的数据完全正确，实验结果如图6所示。

表3　系统无线参数设置十次成功情况

图6　测试节点数据采集验证

实验时的无线环境较为复杂如图7所示，对无线链路造成一定的干扰，但是参数设置正常，数据传输过程中没有出现太大的波动，没有掉线和卡顿现象出现，数据传输速率整体比较稳定，其噪底（noise floor）基本在88%左右，信号传输质量总体在90%以上，回传数据正确，无丢点现象。

图7　周围无线干扰及链路监测图

4.2无线传输距离测试

为了测试系统在实际应用环境下准确的无线通信距离，在与系统应用环境较为一致的野外开阔场地进行无线传输距离试验。测试节点埋于地下，表面与地表平齐，与测试现场相同，AP架设3 m高，天线下倾角度为3°，主瓣方向正对着设备分布范围，设备分别放置在距离AP为50 m、100 m、150 m、200 m、250 m和300 m处进行测试。图8为节点设备布设方案，表4是在野外平坦开阔的环境进行多次实验后的测量结果。

图8　节点设备野外布设方案

表4　无线传输距离实验结果

实验结果表明，控制中心能够对各测试节点的状态进行控制，实现测试系统所需的各项功能。但是随着传输距离的变长，路径损耗加大，无线信号衰减很快。因天线贴近地表使用，天线的各项性能发生较大改变，大大缩短了无线传输距离。

4.3低温性能测试

为了验证系统能否在低温下稳定的进行工作，对系统进行了低温试验，如图9所示。将测试节点置于低温箱中，逐步冷冻到零下20°，观察其在各个温度下的工作情况，主要是监测无线传输能否正常工作。具体步骤如下：①在常温下给测试节点上电，等待其挂载到相应的AP上；②使用Ping指令确认无线链路畅通后，通过上位机软件对设备进行参数设置等操作；③将模块置于低温箱内，分别将温度降至-5°、-10°、-15°以及-20°，等待低温箱内温度恒定后，给系统上电建立起无线链路后通过无线对其进行操作。观察系统在低温下的工作情况。

在每个温度下，对系统进行多次重复操作，结果如表5所示。测试结果表明，在0～-20°的范围内，随着温度的降低，系统仍能正常的进行工作，基本不受低温影响。能够完成无线通信的各项功能，如参数设置、数据回传等功能，满足工业级的低温要求。

图9　低温验证实验

表5　低温性能测试表

5　结论

该无线测试系统将存储测试系统与无线通信技术结合在一起，充分发挥了存储测试系统体积小、功耗低、可靠性高的优点，结合无线传输灵活性高、布局方便、扩展性强的特点，能够对各测试节点状态进行控制和集中管理，使数据采集更加可靠、便捷。使得测试系统完全胜任复杂信号的测试与监控，解决了布线困难、组网不便、管理困难以及扩展性差的问题，增强了系统使用的灵活性。

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轩春青（1982-）女，河南周口人，硕士，现任郑州成功财经学院讲师，主要为从事数据采集、嵌入式系统等方面的研究，完成省部级课题4项，在国内刊物发表论文20篇，Zhangxuanchunqing@163.com；

轩志伟（1989-）男，河南周口人，硕士，主要为从事动态测试与嵌入式系统等方面的研究，在国内刊物发表论文12篇，shine071201@163.com；

赖富文（1973-），男，四川邻水人，中国白城兵器试验中心高级工程师，主要为研究方向武器动态测试，laifuwen0106@ 163.com。

A Design of Wireless and Memory Test Technology System Based on WiFi*

XUAN Chunqing1*，XUAN Zhiwei2，3，LAI Fuwen2，4，ZHANG Guodong3
（1.Department of Information Engineering，Zhengzhou Chenggong University of Finance and Economics，Gongyi He’nan 451200，China；2.National Key laboratory for Electronic Measurement Technology，North University of China，Taiyuan 030051，China；3.Wuhan Guide Infrared co，LTD Wuhan 430070，China；4.Baicheng Ordnance Test Center of China，Baicheng Jilin 137001，China）

When using wire electrical method to test the field signals，there is a problem in placing wires and elimi⁃nating the electronic interference introduced by the long wires.The existing storage test system can not monitor the state of each measuring point，and the data which acquired can not be timely return etc..A research about wireless distributed measurement system based on WiFi，which integrate the storage test and wireless communication tech⁃nology，is presented to solve those problems.Using FPGA as the main chip to control the system complete the data acquisition and wireless transmission.Designed the wireless function such as reconnection to ensure the reliability of the data transmission，and select the antenna by experiment.The test results show that the system work stable and reliable in data transmission and has the ability of state monitor、parameter setting and data read，which has im⁃portant application values.

storage test；wireless transmission；state monitor；wireless reconnection

TP919

A

1004-1699（2016）05-0758-06

项目来源：河南省科技厅科技攻关项目（162102210367）；河南省教育厅重点基金项目（16A520093）

2015-05-27修改日期：2015-09-22