軒春青，軒志偉，賴富文，張國棟

（1.鄭州成功財經(jīng)學院信息工程系，河南鞏義451200；2.中北大學電子測試技術國防重點實驗室，太原030051；3.武漢高德紅外股份有限公司，武漢430070；4.中國白城兵器實驗中心，吉林白城137001）

基于WiFi的無線存儲測試系統(tǒng)設計*

軒春青1*，軒志偉2，3，賴富文2，4，張國棟3

（1.鄭州成功財經(jīng)學院信息工程系，河南鞏義451200；2.中北大學電子測試技術國防重點實驗室，太原030051；3.武漢高德紅外股份有限公司，武漢430070；4.中國白城兵器實驗中心，吉林白城137001）

為了解決傳統(tǒng)測試儀器在針對場信號測試時布線麻煩、干擾嚴重；現(xiàn)有的存儲測試系統(tǒng)無法監(jiān)控各測點狀態(tài)、數(shù)據(jù)不能及時回傳等問題。提出了一種基于WiFi的無線分布式測試系統(tǒng)，綜合運用存儲測試和無線通信技術，解決了存儲測試中出現(xiàn)的問題。系統(tǒng)在FPGA控制下完成數(shù)據(jù)采集存儲和無線傳輸?shù)裙δ?。增加了斷線重連等無線功能，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，并對天線進行選擇。試驗結果表明，系統(tǒng)工作穩(wěn)定、數(shù)據(jù)傳輸可靠，能夠對各測試節(jié)點進行狀態(tài)監(jiān)控、參數(shù)設置和數(shù)據(jù)回讀等操作，具有良好的應用前景。

存儲測試；無線傳輸；狀態(tài)監(jiān)控；斷線重連

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

作為評測彈藥毀傷威力的一個指標，在進行實彈爆破試驗時必須對沖擊波超壓進行測試。目前，沖擊波測試中常用的方法有引線電測法與存儲測試法［1］，引線電測法將傳感器置于爆炸現(xiàn)場，信號調理和數(shù)據(jù)采集儀器置于遠離爆炸現(xiàn)場的掩體內，二者通過導線相連［1］。引線電測法系統(tǒng)搭建簡單，能監(jiān)測測試裝置的狀態(tài)［2］，但布線麻煩、信號干擾嚴重。存儲測試技術將傳感器、信號調理電路、采集存儲電路以及各種接口集成到一起，做到小型化使測試裝置能置于現(xiàn)場［3-4］，測試結束后通過相應的接口回收其獲取的數(shù)據(jù)，具有布設方便、噪聲小等優(yōu)點［5］，但卻無法對裝置狀態(tài)進行監(jiān)控、測試數(shù)據(jù)需要回讀，限制了其發(fā)展應用。本文介紹一種基于WiFi的無線存儲測試系統(tǒng)，將存儲測試技術與無線通信技術結合起來，充分發(fā)揮存儲測試系統(tǒng)可靠性高、布設方便的優(yōu)點，結合無線靈活性的特點［6］，使得測試系統(tǒng)完全勝任復雜場信號的測試，降低了系統(tǒng)構建成本，解決了布線困難、管理不便以及擴展性差的問題。

1　系統(tǒng)結構及原理

無線測試系統(tǒng)由信號調理電路、采集存儲電路、無線傳輸電路以及接口電路組成。系統(tǒng)的原理框圖如圖l所示。傳感器將物理信號轉化為電信號，通過調理電路進行放大、濾波和加偏置等處理后，通過AD的量化采集，轉化為數(shù)字信號進行存儲，整個采集過程由FPGA控制完成。在FPGA的控制下，無線模塊與控制中心之間建立起的通信鏈路，將獲取的數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂浦行?。預留的USB通信接口可保證數(shù)據(jù)在無線通信故障或者需要屏蔽無線時能可靠回收。使用時，控制中心置于安全的距離外，測試節(jié)點布設于爆炸場中?？刂浦行耐ㄟ^無線對各節(jié)點進行狀態(tài)監(jiān)控、參數(shù)設置以及數(shù)據(jù)回讀等操作。上位機通過調用相應的數(shù)據(jù)處理軟件對獲取的測試數(shù)據(jù)進行處理并顯示。

圖1　系統(tǒng)原理框圖

2　系統(tǒng)的硬件設計

系統(tǒng)的主要任務是完成數(shù)據(jù)的采集存儲和無線傳輸?shù)裙δ?，結構框圖如圖2所示。

圖2　采集系統(tǒng)的基本組成

信號調理電路主要用于驅動傳感器工作、對傳感器輸出信號進行預處理，并實現(xiàn)信號的放大等功能。傳感器輸出信號帶有10 V左右的直流偏置電壓［7-8］，必須經(jīng)隔直電路并重新加載合適的偏置電壓后才能使用AD進行量化采集。為了降低模擬部分的噪聲，對所采用的運放進行單電源供電，通過綜合使用放大電路和差分電路的方式實現(xiàn)對信號加直流偏置電壓，并確保在對信號進行不同的放大倍數(shù)時，偏置電壓保持穩(wěn)定。信號放大倍數(shù)由模擬開關控制不同的反饋電阻實現(xiàn)，為達到精準的放大倍數(shù)，采用特制精密電阻。使用二階壓控低通有源濾波器對信號進行抗混疊濾波處理。濾波器的截止頻率由沖擊波信號特點而定，一般設置為300 kHz，濾波后的信號通過AD采樣，轉化為數(shù)字信號進行存儲和傳輸。

數(shù)字采集電路通過FPGA控制AD采集轉換、SDRAM存儲、USB通信傳輸、觸發(fā)電平選擇、延時采集等各項功能；USB通信采用FTDI公司的FT245通信協(xié)議芯片，通過該芯片可以實現(xiàn)USB和并行接口之間的協(xié)議轉換，其工作流程由FPGA內的USB控制軟核控制［9-10］。SDRAM中的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送到無線模塊中，利用無線方式傳輸?shù)缴衔粰C，最終在上位機上完成顯示、分析等。整個流程由FPGA控制，SDRAM模塊、USART模塊和USB控制模塊在時鐘信號控制下完成相應功能，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲與輸出工作。

3　無線功能設計

系統(tǒng)采用的WiFi模塊內部集成完整的TCP/IP協(xié)議棧，支持Socket編程接口。根據(jù)項目需求對其進行二次開發(fā)并設計接口電路。無線功能主要有掛載功能：確保無線模塊能關聯(lián)到相應的AP上；斷線重連：保證無線中斷后能重新連接掛載到AP上并建立無線鏈路，增強無線功能的可靠性；

無線模塊通過串口與控制器（FPGA）相連。為防止傳輸過程因信號不穩(wěn)定造成數(shù)據(jù)丟失，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，增加了硬件流控功能。測試系統(tǒng)和控制中心采用主從架構即C/S結構，使用socket連接進行通信。其中服務器在連接前監(jiān)聽是否有客戶端進行請求，而客戶端能主動發(fā)起連接，工作流程如圖3所示。測試系統(tǒng)定時對無線鏈路進行檢測，在惡劣環(huán)境下無線鏈路斷開時，能夠重新掃描周圍的無線網(wǎng)絡并掛載到指定的AP上，建立通信鏈接，確保無線通信的通暢。

控制中心功能較多，將其設為服務器模式時，與多套測試系統(tǒng)同時通信存在響應不夠及時，出現(xiàn)連接超時等問題。為了提高測試系統(tǒng)的實時性，將測試節(jié)點設置為服務器模式，通信時由控制中心發(fā)起請求。測試節(jié)點在相應的端口偵聽到的請求時就建立起通信鏈路，進而開始數(shù)據(jù)傳輸，接收控制中心發(fā)來的指令。

圖3　無線鏈路建立流程圖

3.1無線功能驗證

無線模塊功能調試完成后，每次上電后即自動連接到指定的無線網(wǎng)絡服務器。在設計完成后，需對無線掛載、斷線重連和無線傳輸?shù)裙δ苓M行驗證。確保無線模塊數(shù)據(jù)收發(fā)功能正常；且關聯(lián)到相應的AP上并能重新建立無線連接。具體試驗如下：①掛載功能的驗證：給無線模塊和AP上電，等待無線模塊掛載到AP上，通過使用ping指令驗證無線鏈路的通暢；②斷線重連：當掛載功能完成后，給AP斷電后再上電，繼續(xù)使用ping指令，觀察模塊能否連接到AP上，重新建立無線鏈路；③無線傳輸：使用TCP調試工具，建立客戶端連接，驗證TCP連接功能。通過相互發(fā)送數(shù)據(jù)并對比接收端與發(fā)送端的數(shù)據(jù)，驗證其數(shù)據(jù)傳輸功能，如圖4所示。

在進行大量數(shù)據(jù)傳輸時，如果無線鏈路中斷將會丟失一部分數(shù)據(jù)，包括無線模塊緩存中的數(shù)據(jù)［11-12］。為保證大量數(shù)據(jù)連續(xù)傳輸時不丟失，利用FPGA對無線狀態(tài)管腳進行檢測，在鏈路中斷后無線模塊會將無線狀態(tài)管腳置高，將該管腳信號作為約束信號，控制數(shù)據(jù)幀的發(fā)送，檢測到該管腳為高時停止發(fā)送數(shù)據(jù)。等待無線鏈路建立后，從接收端讀取已收到的數(shù)據(jù)幀號，然后FPGA從該幀重新發(fā)送數(shù)據(jù)。接收端從該幀起繼續(xù)存儲，覆蓋不完整的數(shù)據(jù)幀，確保數(shù)據(jù)的不丟失，保證數(shù)據(jù)的連續(xù)性。

圖4　無線鏈路建立

3.2天線的選擇與安裝

天線是發(fā)射和接收電磁波的重要無線電設備，使用時主要關心天線的極化方向和增益等指標。極化方式主要是指天線輻射時所形成的的電場強度的方向，如果電場強度方向和地面平行則為水平極化，若與地面垂直則為垂直極化波。因此水平極化的天線在貼近地表使用時，會在地表感生出極化電流，在大地阻抗的作用下變?yōu)闊崃可l(fā)出去，降低了電場的信號強度。而垂直極化天線因其自身的特點而不易產生極化電流，近地使用時，能量損失較少。常用的2.4G天線類型有PCB天線、螺旋天線和鞭狀天線。表1對幾種天線性能進行了對比。

表1　3種天線的優(yōu)缺點對比

對棒狀天線、吸盤天線和PCB天線進行試驗，如圖5所示，其中對吸盤天線進行改進，將其地線接到設備的金屬外殼上作為地網(wǎng)。

圖5　天線性能測試

改裝吸盤天線距地面較高，受地面影響相對較小，其信號強度比PCB天線好，且易于更換，但因其樹立在空中，對壓力場信號造成干擾，在沖擊波的作用下容易變形性能變差，存活性低，實驗中受到損壞將無法進行無線通信，可靠性差；而PCB天線為定向天線，能將能量集中到一個方向傳播出去，能夠避免隱藏節(jié)點的出現(xiàn)，安裝在設備表面與其平齊，不影響沖擊波場，存活性高，信號強度較吸盤天線弱但仍能滿足系統(tǒng)需求。因此測試節(jié)點選用PCB天線。

4　性能分析

4.1無線性能測試

為了驗證測試系統(tǒng)的相關無線功能，進行了多次性能驗證實驗。在控制端對多套設備進行參數(shù)設置、軟件觸發(fā)、狀態(tài)監(jiān)控、數(shù)據(jù)回讀以及軟件復位等操作，共進行6組，每組測試10次。其中AP距地面1 m，設備與AP之間的距離為5 m，設備天線正對著AP，試驗結果如表3所示。通過無線AP設置管理軟件對無線鏈路的建立情況、數(shù)據(jù)的傳輸情況進行實時監(jiān)測，經(jīng)過多次實驗，上位機接收到的數(shù)據(jù)完全正確，實驗結果如圖6所示。

表3　系統(tǒng)無線參數(shù)設置十次成功情況

圖6　測試節(jié)點數(shù)據(jù)采集驗證

實驗時的無線環(huán)境較為復雜如圖7所示，對無線鏈路造成一定的干擾，但是參數(shù)設置正常，數(shù)據(jù)傳輸過程中沒有出現(xiàn)太大的波動，沒有掉線和卡頓現(xiàn)象出現(xiàn)，數(shù)據(jù)傳輸速率整體比較穩(wěn)定，其噪底（noise floor）基本在88%左右，信號傳輸質量總體在90%以上，回傳數(shù)據(jù)正確，無丟點現(xiàn)象。

圖7　周圍無線干擾及鏈路監(jiān)測圖

4.2無線傳輸距離測試

為了測試系統(tǒng)在實際應用環(huán)境下準確的無線通信距離，在與系統(tǒng)應用環(huán)境較為一致的野外開闊場地進行無線傳輸距離試驗。測試節(jié)點埋于地下，表面與地表平齊，與測試現(xiàn)場相同，AP架設3 m高，天線下傾角度為3°，主瓣方向正對著設備分布范圍，設備分別放置在距離AP為50 m、100 m、150 m、200 m、250 m和300 m處進行測試。圖8為節(jié)點設備布設方案，表4是在野外平坦開闊的環(huán)境進行多次實驗后的測量結果。

圖8　節(jié)點設備野外布設方案

表4　無線傳輸距離實驗結果

實驗結果表明，控制中心能夠對各測試節(jié)點的狀態(tài)進行控制，實現(xiàn)測試系統(tǒng)所需的各項功能。但是隨著傳輸距離的變長，路徑損耗加大，無線信號衰減很快。因天線貼近地表使用，天線的各項性能發(fā)生較大改變，大大縮短了無線傳輸距離。

4.3低溫性能測試

為了驗證系統(tǒng)能否在低溫下穩(wěn)定的進行工作，對系統(tǒng)進行了低溫試驗，如圖9所示。將測試節(jié)點置于低溫箱中，逐步冷凍到零下20°，觀察其在各個溫度下的工作情況，主要是監(jiān)測無線傳輸能否正常工作。具體步驟如下：①在常溫下給測試節(jié)點上電，等待其掛載到相應的AP上；②使用Ping指令確認無線鏈路暢通后，通過上位機軟件對設備進行參數(shù)設置等操作；③將模塊置于低溫箱內，分別將溫度降至-5°、-10°、-15°以及-20°，等待低溫箱內溫度恒定后，給系統(tǒng)上電建立起無線鏈路后通過無線對其進行操作。觀察系統(tǒng)在低溫下的工作情況。

在每個溫度下，對系統(tǒng)進行多次重復操作，結果如表5所示。測試結果表明，在0～-20°的范圍內，隨著溫度的降低，系統(tǒng)仍能正常的進行工作，基本不受低溫影響。能夠完成無線通信的各項功能，如參數(shù)設置、數(shù)據(jù)回傳等功能，滿足工業(yè)級的低溫要求。

圖9　低溫驗證實驗

表5　低溫性能測試表

5　結論

該無線測試系統(tǒng)將存儲測試系統(tǒng)與無線通信技術結合在一起，充分發(fā)揮了存儲測試系統(tǒng)體積小、功耗低、可靠性高的優(yōu)點，結合無線傳輸靈活性高、布局方便、擴展性強的特點，能夠對各測試節(jié)點狀態(tài)進行控制和集中管理，使數(shù)據(jù)采集更加可靠、便捷。使得測試系統(tǒng)完全勝任復雜信號的測試與監(jiān)控，解決了布線困難、組網(wǎng)不便、管理困難以及擴展性差的問題，增強了系統(tǒng)使用的靈活性。

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軒春青（1982-）女，河南周口人，碩士，現(xiàn)任鄭州成功財經(jīng)學院講師，主要為從事數(shù)據(jù)采集、嵌入式系統(tǒng)等方面的研究，完成省部級課題4項，在國內刊物發(fā)表論文20篇，Zhangxuanchunqing@163.com；

軒志偉（1989-）男，河南周口人，碩士，主要為從事動態(tài)測試與嵌入式系統(tǒng)等方面的研究，在國內刊物發(fā)表論文12篇，shine071201@163.com；

賴富文（1973-），男，四川鄰水人，中國白城兵器試驗中心高級工程師，主要為研究方向武器動態(tài)測試，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

項目來源：河南省科技廳科技攻關項目（162102210367）；河南省教育廳重點基金項目（16A520093）

2015-05-27修改日期：2015-09-22