（信号与信息处理专业论文）mes通用数据采集终端的研究与实现.pdf

摘要 摘要 通溺数据采集终端是m i s s 系统中基础信息来源的关键设备。及时、有效地采 集车间底层信息，并实现数据的实时互动是实现车间过程管理自动化、信息化、 智能化的基本前提。本终端综合3 种的通讯技术，多种数据采集手段，拥有灵活的 应用软件框架，具有安装和维护方便、价格低廉与通用性强等显著优点。通用与 高集成的采集技术是m e s 系统中的核心技术之一，因此，本文的研究课题其有很 大的理论和应用价值。 本文以广东工业大学工程训练中心一一绺i d 工程应用示范基地( 国家示范基 地) 与广州市攻关项目一一双频电子标签在制造业产品全生命周期管理的应用及 标准研究为研究平台，研究开发了针对i v i e s 的数据采集终溃。论文针对数据采集 终端设计来展开，主要包括以下工作： ( 1 ) 深入了解制造鲎产晶全生命周赣管理过程，针对具体的问题给国了解决 方法。 ( 2 ) 采用实时操作系统pc o s i i 作为数据采集终端的软件平台。 ( 3 ) 研究和分析了多种通讯方式的关键技术，不仅移植了嵌入式t c p i p 协议 栈，还提出了一种基于总线通讯下的竞争轮询协议。 ( 4 ) 针对制造业的特点，提出了种新数据采集的模型以便进一步加快系统 在不同企监的推广速度。 本文不仅对系统的关键技术进行了研究，同时也从一个应用的角度对系统进 行了优化和实现。鋈前，本文的研究成果己应属于广东省多个制造业企业，并取 得了较满意的效果，具有较大的经济价值和应用前景。 关键字：数据采集；a r m 7 ；nc o s i i ；无线组网 广东t 妲人学一r 学硕士学位论文 a b s t r a c t u n i v e r s a ld a t aa c q u i s i t i o nt e r m i n a li st h e k e ye q u i p m e n tt oc o l l e c tt h e f u n d a m e n t a li n f o r m a t i o nf r o mm e s c o l l e c t i n gt h eb a s i si n f o r m a t i o no ft h ew o r k s h o p e f f e c t i v e l ya n dd u l ya n dr e a l i z i n gt h er e a l - t i m ed a t ap r o c e s s i n gi st h ep r e c o n d i t i o nt o m a k et h em a n a g e m e n ta u t o m a t i o n ，i n f o r m a t i o na n di n t e l l i g e n c e t h r e ek i n d so f c o m m t m i c a t i o n st e c h n i q u e sa n dav a r i e t yo fd a t aa c q u i s i t i o nm e t h o d sa r ei n t e g r a t e di n t h i st e r m i n a l t h ea p p l i c a t i o nf r a m e w o r ko ft h i st e r m i n a li sf l e x i b l e b e s i d e st h e s e a d v a n t a g e s ，t h i st e r m i n a lc a na c h i e v ec o n v e n i e n c eo fi n s t a l l a t i o na n dm a i n t e n a n c e ，l o w p r i c e sa n dh i g hu n i v e r s a l i t y u n i v e r s a la n dh i 曲l yi n t e g r a t e dd a t aa c q u i s i t i o nt e r m i n a l i so n eo ft h ek e yt e c h n o l o g i e si nm e ss y s t e m t h e r e f o r e ，t h es u b j e c to ft h i s d i s s e r t a t i o ni so fg r e a ts i g n i f i c a n c ei nb o mt h e o r e t i ca n dp r a c t i c e t h ed i s s e r t a t i o nr e s e a r c h e sa n dd e v e l o p st h ed a t ac o l l e c t i o nt e r m i n a lo fm e si s b a s e do nt w op r o j e c t s 。o n eo ft h ep r o j e c t s i s t e c h n o l o g y r f i da p p l i c a t i o n d e m o n s t r a t i o nb a s e s ( n a t i o n a ld e m o n s t r a t i o nb a s e s ) ”w h i c hi sl o c a t e di nt h e e n g i n e e r i n gt r a i n i n gc e n t e ro fg u a n g d o n gu n i v e r s i t y t h eo t h e ri s t h eg u a n g z h o u c i t y sp r o j e c t s u b b a n d w h i c hr e s e a r c hp l a t f o r mi ss u b f r e q u e n c yr f i di nt h e m a n u f a c t u r i n gp r o d u c tl i f ec y c l em a n a g e m e n ta n dt h ea p p l i c a t i o no fs t a n d a r dp l a t f o r m t h i sp a p e rt a k e st h ed a t aa c q u i s i t i o nt e r m i n a la so b j e c ta n dt h em a i nc o n t e n t sa r ea s f o l l o w s ： ( 1 ) a n a l y z i n gt h em a n u f a c t u r i n gp r o d u c tl i f ec y c l em a n a g e m e n tp r o c e s sd e e p l y a n dg i v i n gt h es o l u t i o n sf o rs p e c i f i cq u e s t i o n s 。 ( 2 ) u s i n gt h er e a l - t i m eo p e r a t i n gs y s t e mpc o s i i a st h ed a t aa c q u i s i t i o n t e r m i n a l ss o f t w a r ep l a t f o r m i n p u t ( ) 及n e f i f - o u t p u t ( ) 进行以太网p a c k e t 的收、发等操 作。在驱动中主要做的就是实现网络接墨的收、发、初始化以及中断处理。驱动 程序工作在i p 协议模型的网络接口层，它提供给上层( d 层) 的接口函数如下： l 。网卡初始化函数e n t h e m e t i fi n i t ( ) 的实现，主要完成的工作是初始化结构 n e t i f 的变量与方法、网卡初始化、中断初始化等工作。 2 。网卡接收函数e t h e m e t i fi n p u t ( ) 的实现，该函数在网卡中断处理函数中被 调用，从网络接口接收以太网数据包，并把其中的i p 报文向i p 层发送。 3 网卡发送函数e t h e m e t i fo u t v u t ( ) 的实现，该丞数p 层传过来的撑报文加 上以太网包头并通过网络接口将数据包发送出去。 通过实现以上缀数并可以实现l w l p 在本系统的硬件上的移植。 3l w l p 的测试结果 采用围定i p 来测试l w i p 的u d p 通讯效果，为? 更好的测试网络功能，我 们用d e l p h i 专门编了一个通讯测试程序。测试流程是：首先启动w i n d o w sx p 的 c m d e x e ，采用p i n g 命令测试网络是否连接成功；然后靡动u d p 测试工具不停的 向终端发u d p 数据包，终端接收到数据包后回发给测试程序，u d p 测试工具对 比接收的数据包与发送数据包是否匹配，给出发送的数据总包数与接收终端的总 第三章l ac o s i i 与l w l p 协议栈的移植 包数，最后统计出正确包数与错误的包数。在测试之前，首先如图3 - 6 ，设置好 终端的口地址、m a s k 地址、网关、服务器地址( u d p 测试工具的所在机的地 址) 、终端端口号与u d p 测试工具的端口号。 图3 - 6i p 地址设置界面 f i g u r e3 - 6i pa d d r e s ss e t t i n g s 其次，测试网络是否已通，打开c m d e x e ，如图3 7 ，键入“p i n g1 9 2 1 6 8 1 2 0 0 - 11 0 0 0 - t ”，如图可以看出，长时间不停地向终端p i n g1 0 2 4 个字节都非常稳定。 图3 7l w l p p i n g 效果图 f i g u r e3 - 7p i n gr e s u l t so f t h el w l p 广东工业大学工学硕士学位论文 最后，测试l w l p 的u d p 通讯效果：开启u d p 测试工具，如图3 8 。从u p d 测试工具上可以看出，u d p 测试工具向终端发送了1 0 0 0 0 包数据，时间间隔为 1 0 m s ，终端在接收到数据包后马上回发到上位机。从图上可以看到，测试工具正 确接收到终端返回的数据包是1 0 0 0 0 包，错误包数为0 ，测试效果都表明l w i p 基于实时操作系统l ac o s i i 在本硬件平台中运行稳定可靠。 iu d p c o m l 远程限1 1 9 2 1 8 812 0 0 远程po f i ：可讫i 蚕本地r l ，u 本地p o f ： i 砭f 至 墅。ps e m f ! 发送区 5 ；a s c i i 二j 发送次数。1o o o t ：，b 1 - f m 间隔；1 0 羔a - m s 厂发送前清除接收医内客l e n d c l e a r ； t e s t i n gi d t 测试l i 4 1 p 的u d p 功能，一共发1 0 0 0 咆数据，时间间隔为1 0 m s ，观察数据的正确车 接收区 a s c l_ c l e 型 总次数1 口0 0 0 正确数10 0 0 0错误数o t e s 试l v d p 的u d f 劝能，一其发1 0 0 0 咆数据，b 。闻间慑为1 0 m 观察数据的正确军一 t e s t 试l w i p 的u d p 功能，一共发10 0 0 咆数据，日：间间鬲为1 0 n l 。 观察数据的正确车 t e s t 试l w l p 的u d p 3 - + j t 2 ，一共发1o o o o p 一数据，日间间鬲为1 0 m s ，观察数据的正确军 t e s t 试l w l p 的u d 嘞能，一甚发1 0 0 0 咆数据，日_间间虽为1 0 m s ，观察数据的正确军 t e s t 试l , , v l p 的u d 嘞能，一其发1o o o o 包数据，b -间间鬲为1 0 m s ，观察数据的正确军 t e s t 试l v d p 的i j d p t , j ) 盲毫，一共发10 0 0 0 数据，日：间间鬲为1 0 m s ，观察数据的正确军 t e s t 试l w l p 的u 0 p 功能，一共发1 0 0 0 r f m 一数据，日： 间闻鬲为1 0 m s ，观察数据的正确车 t e s t 试l w l p 的u d p 功能，一共发10 0 0 电数据，日i。间闻鬲为1 0 m 观察数据的正确军 t e 4 i 试l w l p 的u d p 功能，一共发1 0 0 0 0 包数据，日：i 司间鬲为1 0 m s ，观察数据的正确军 t e s t 试l w l p 的u d p 功能，一共发1o o o o 包数椐，日；间间鬲为1o r e s ，观察数据的正确军 t e s t 试l w l p 的u d p 功能，一其发1o o o o i 丑数据，日：间间鬲为1 0 m s ，观察数据的正确车 t e s 试l w l p 的u d p 劝能，一其发1 0 0 0 0 j 已数据，臣间间鬲为1 0 m s ，观察数据的正确车 t e s t 试l w l p 的u d p 功能，一共发1o o o o e 数据，日：间间鬲为1 0 m s ，观察数据的正确军 、， 发送l o 百7 2 0 1 接收0 ) i t 0 0 0 0j 殴击t! 里计z 器狺霉 图3 8 ，u d p 测试结果 f i g u r e3 - 8t e s tr e s u l t so f t h eu d p 本章主要是研究的实时操作系统uc o s i i 在本系统硬件平台上的移植，同时 实现t c p 佃协议栈l w i p 在t - tc o s i i 与r t l 8 0 1 9 a s 上的移植。由于本系统要采 用多线程处理，因而必须有支持多线程机制的操作系统，uc o s i i 提供了操作系 统应有的基本功能，而且内核微小、稳定，它的存在简化了本系统在以后的应用 程序逻辑设计，而且提高了系统的实时性与扩展性。然而uc o s i i 这个操作系统 没有集成t c p i p 协议栈，为了能让本系统拥有稳定的t c p i i p 网络通讯功能，我 第二章”c o s i i 与l w l p 协议栈的移植 们移植了l w i p ，该协议栈稳定，占用内存少，非常适用嵌入式系统。移植了该协 议栈后，数据采集终端支持t c p 、u d p 通讯与d h c p 等功能，在实际应用中能 很好地发挥网络通讯的功能，从测试结果可以看出此协议通讯速率高稳定性强， 有非常好的实用价值。 广东l = 业人学工学硕士学位论文 第四章车间无线组网的研究与实现 在本系统中虽然集成了t c p s p 的网络与r s 4 2 2 通讯，但是他们共同的缺点 都是通信的开通必须架设电缆，或挖掘电缆沟或架设架空明线；受车间条件的限 制，有时不能任意铺设。为了解决以上问题，我们引入了无线通讯技术。无线通 讯无需架线挖沟，线路开通速度快。将所有成本和工程周期统筹考虑，工业型无 线通讯的投资是相当节省的。 4 1 无线通讯概述 目前，市场上推出应用于近距离通信技术主要有：蓝牙( b l u e t o o t h ) ，无线局 域网8 0 2 1 1 ( w i f i ) 和红外数据传输( i r d a ) 。同时还有一些具有发展潜力的近距 无线技术标准，它们分别是：z i g b e e 、w i m e d i a 、专用无线系统等。它们都有其立 足的特点，或基于传输速度、距离、耗电量的特殊要求；或着眼于功能的扩充性； 或符合某些单一应用的特别要求；或建立竞争技术的差异化等。但是没有一种技 术可以完美到足以满足所有的需求。本系统采用了基于c c l 0 2 0 与4 3 3 m h z 的无线 通讯。如表4 - 1 给出了以上各种技术的对比。 表4 - 1 各种短距离无线通讯的对比 t 出l e4 1t h ec o m r a s to fv 描o u ss h o a d i s t a n c ew i t l e s sc o m m u n i c a t i o n s 无线通讯技术频段距离功耗成本速率 蓝牙2 4 g h z1 0 m 左右低高1 i b s w i f i 2 4 c ；h z1 0 0 m 左右高高1 1 m b s z i g b e e 2 4 g h z 8 6 8 m h1 0 0 m 左右 低 中2 5 0 k b s 加1 5 舭 w i m e d i a1 1 0 6 g h z3 1 0 m 高高4 8 0 m b & 本系统基于c c l 0 2 0 的无 4 3 3 m h z1 0 0 0 m 左 低低1 2 0 0 - 11 5 2 0 线通讯技术 右 0 b p s 综合以上距离、成本、频段与速率的对比，本系统选用了基于c c l 0 2 0 的无 第四章车间无线组网的研究与实现 线通讯技术，该技术最大的特点就是功耗低，成本低，应用灵活，通讯距离合适。 最大的缺点是没有标准组网规范( 采用自己的专用标准) 来制定m a c 层、链路层 和网络层的通信协议。但是用户可以灵活的设计自己的通讯组网协议，根据自己 的需求设计适合自己的通讯标准。本文将通过实际项目与严谨的实验认证，提出 一套实用、低成本、可靠的车间无线数据通讯组网方案。 2 无线方案性能的分析 4 2 1c c l 0 2 0 的特点以及其性能分析 c c l 0 2 0 的特点分析： ( 1 ) i s m 频段，无需频段申请； ( 2 ) 数据波特率可选择，从1 2 0 0b p s 到1 1 5 2 0 0b p s ； ( 3 ) 可实现窄带业务，最小可达1 2 5 k ，带宽越小，通讯抗干扰能力越强； ( 4 ) 数据传输可多种编码方式传输，非归零码、曼彻斯特码、u a r t 模式； ( 5 ) 半双工工作模式； ( 6 ) 导频头可以自定义； ( 7 ) 调制数据长度可无限长，可用于灵活的协议定义； ( 8 ) 无线传输接收灵敏度高，可达一1 1 8 d b m ； ( 9 ) 工作时功耗低，发送最大功率为1 0 m w ； ( 1 0 ) 传输距离远，可达1 0 0 0 m 的视线距离； 从上述特点和实现情况进行综合考虑，i s m 频段、窄带业务、导频头可以自 定义、传输距离远等特点在车间应用都带来方便，具有一定的优势。但传输数据 速度不高，半双工方式更加对多台设备通讯造成技术上的难度； 综上所述，我们的实现方案要充分利用c c l 0 2 0 的优点，用多种技术方案来解决 c c l 0 2 0 的不足之处； 数据速率的选择： 因为数据速率越高，要求的通讯带宽就越大，但传输距离就会降低；如何选 择比较合理的数据速率，我们从下面的几个方面进行考虑，4 8 0 0 波特率的带宽 2 5 k ，带宽上占有优势，但速度上不高，如果选择l1 5 2 0 0 b p s 带宽需要5 0 0 k ，传 广东：j ：业大学_ 学硕士学位论文 输距离就会降低，通讯抗干扰能力差，车间环境差，干扰多，建筑物的多样变化， 通信性能上有所降低；另外，速度要求越高，对硬件的驱动要求更高，增加硬 牛 的设计及生产成本。最后经过测试，用1 9 2 0 0 - 3 8 4 0 0 b p s 是比较合适的数据波特率。 定好数据速率后，1 9 2 0 0 b p s 要满足车闻的多个数据设备的终端，显然是不可 能的，我们从用户的使用习惯来分析，一般用户的使用终端时，从一个操作界面 到下一个操作界面可以接受的响应时闯为l 2 秒内，所以我们可以采用下面的方 式进行布置： ( 1 ) 采用总线的方式来处理，个总线上可以挂接1 5 个左右的终瑞； ( 2 ) 总线的终端采用地址编码，使每个终端都具有可识别性； ( 3 ) 翔多串口卡进行睾e l 的扩充，可以增加车间使用的总线条数； ( 4 ) p c 机采用线程的处理方式，可分时，同时处理各个总线上的数据交互； ( 5 ) 每条总线上采用竞争加轮询的机制来实现； 通过以上的解决方式，我们只需要重点分析一条总线上的1 5 个终端的平均响 应时间是否可能满足用户的使黑需求； 我们先假设： ( 1 ) 每个上行数据包的平均长度隽1 6 个字节； ( 2 ) 按1 9 2 0 0 b p s 的速率计算需要约8 m s 时间； ( 3 ) 每个下行数据包无界匿要求的平均长度为1 6 个字节； ( 4 ) 按1 9 2 0 0 b p s 的速率计算需要约8 m s 时间； ( 5 ) 每个下行数据包有界面要求的平均长度为1 6 0 个字节； ( 6 ) 按1 9 2 0 0 b p s 的速率计算需要约8 4 m s 时间； ( 7 ) 半双工c c l 0 2 0 的收发切换时间为1 5 0 u s 6 0 0 u s ，我们以1 m s 进彳亍计算； ( ，8 ) 一次完整的数据交互，的过程： 令 有界面情提：下行询问一 上行要求取数一 下行界面一 上行确认收 到。 令无界巍情况：下行询问一 上行无取数要求。 ( 9 ) 假设每个终端的经过一轮的轮询，都有界面的要求，所以在一轮中所需 的总的时间为：8 m s 下行+ l m s 切换+ 8 趣s 上行+ l m s 切换+ 8 4 m s 下行+ l m s 切 换+ 8 m s 上行确认，一轮总时间为： f 8 + l + 8 + l + 8 4 + l + 8 ) m s 1 5 = 1 l l m s 1 5 = 1 6 5 5 ( 秒) 第四章车间无线纽网的研究与实现 ( 1 0 ) 由上面的理论计算值可以得出，完成轮的处理般处理的时阆会在2 秒内可以响应，可以满足车间的用户要求。 4 2 2 竞争加轮询方式信道有效利用率分析 虽然上面的计算可以从理论上可以达到车间用户的使用要求，但是实现中还 有些情况没有考虑到，下面列举这些情况： ( 1 ) 下发的数据包在有赛西要求的情况下，下行的数据长度远不止1 6 0 个字 节，例如，工艺图纸、工艺操作指南等。 ( 2 ) 车间的通讯电磁干扰，车床的动作电流波动等会给通信质量带来负面作 用。 ( 3 ) 大数据包的传输正确率，重发率过高等。 以上的情况进都实实在在的影响整个系统的性能，这魃因素会导致车间终端 豹响应速度，所以我们必需得从技术方面进行性能的提高；我们可以从下面静各 种角度进行分析，从而可以提高整个系统的性能。 ( 1 ) 工艺图纸、工艺操作指南可以采用下载的方式，将内容保存到终端里面， 一次下载，多次测览，从而可以降低通信静数据量。 ( 2 ) 采用数据压缩技术，将的大数包进行压缩后传输，传输完成后进行解压。 ( 3 ) 通信过程采用向前纠错编码，使得传输过程中即使有错，在接收方可以 找出错的数据位，进行分柝薏并更正( 纠错) ，这样可减少传输过程中的误码率和 重传的次数。 ( 4 ) 数据在通信信道中传输，设计上要尽量不让信道处于空闲状态，使信道 的剩餍率达到最高。 ( 5 ) 应用概率方法来分析，从轮询机制来分析，是一个个地址的进行询问 某个终端是否有事务进行处理，在这种询问结果会有两种结果，一种是终端并没 有事务需处理，另种是终端有事务处理；从翔户的操作终端的情况上，不是每 轮每个终端都有界面的数据要求，所在存在概率问题。 ( 6 ) 采用竞争碰撞策略来解决概率问题。 广东i ：业人学1 ：学硕士学佗论文 4 3 网络结构与数据帧结构 图4 - 1 ，示出了基于c c l 0 2 0 在车间的无线通讯组网模型。车间整个系统由工 作站、多串口卡、无线基站与无线终端组成。网络由多个无线子网络构成，子网 络命名为l a n 。每个i 。a n 中的每个节点有唯一的标识地址，地址由频道号、节点 号组成。频道号有0 - - 2 5 5 ，地址号有0 - - - 2 5 5 ，所以一个l a n 最多只能有2 5 5 个终 端。 多串口卜 工作站 o7 辔_ 。7 炒一冀怒2 3 1 6 占 无笔基站 - ，一! 一 厂j 一， f 唾趣鼬f 隆隧豳 ：，苫建隧一l盘照一l f i g u r e4 - 1w o r k s h o pw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n sn e t w o r km o d e l 数据帧包括：广播帧( 基站一 终端) ，注册帧( 终端一 基站) ，注册确认帧 ( 基站一 终端) ，上行有效数据帧( 终端一 基站) ，下行有效数据帧( 基站一 ( 1 ) 广播帧：基站向所在频道的终端广播的，作用是告诉终端，现在信道空 闲，终端可以向基站注册获取信道，其格式如表4 2 所示。 表4 2 广播帧格式 t a b l e4 - 2t h ef o r m a to ft h eb r o a d c a s t i n gf r a m e 帧同步头( 4b y t e )地址( 2b y t e )和校验( 1b y t e ) 广播导频头 o x 0 0 0 00 x 0 0 ( 2 ) 注册帧：终端向所在频道的基站注册地址与经过退避算法后获取的时序 第四章车间无线组网的研究与实现 号，作用是告诉基站有数据要发送，其格式如表4 3 所示。 表4 3 注册帧格式 t a b l e4 - 3t h ef o r m a to ft h er e g i s t r a t i o nf r a m e 帧同步头( 4 b y t e )地址( 2b y t e )时序号( 1b y t e )和校验( 1b y t e ) 注册导频头 o x x x x xo x x x0 x x x ( 3 ) 注册确认帧：基站向所在频道的终端回复已成功接收到终端的注册信息， 作用告知终端可以进入等待轮询状态，一共有1 6 位代表1 6 个时序，其格式如表 4 - 4 所示。 表4 - 4 注册确认帧格式 t a b l e4 - 4t h ef o r m a to ft h er e g i s t r a t i o nc o n f i r m a t i o nf r a m e 帧同步头( 4b y t e )确认表( 2b y t e )和校验( 1b y t e ) 确认导频头 o x x x x xo x x x ( 4 ) 上行下行有效数据帧，其格式如表4 5 所示。 表4 5 上行下行有效数据帧格式 t a b l e4 - 4t h ef o r m a to ft h eu p | d o w ne f f e c t i v ed a t af r a m e 帧同步头( 4 b y t e )链路层数据包( n b y t e )帧结束头( 2 b y t e ) 无线数据导频头n = 1 0 2 4 b y eo x 一一一 链路层数据包格式 数据包头 终端地址数据长度有效数据 c r c 校验数据包尾 数据协议头 x x x xx x x x n = 1 0 2 4 b y t e x x x x 数据协议尾 4 4 碰撞避免策略 由于大多数的无线收发芯片没有冲突检测功能，如果在同一频道有两个或两 个以上射频模块同一时间发送时，必然会发生空中数据相互碰撞，造成数据丢失， 因此为了解决空中碰撞只能依靠通讯协议，从软件上来避免空中数据的碰撞。因 此为了保证这一点，首先必须保证在同一个l a n ( 同一频道的小单元网络) 中有 且只能有一个r f 模块在发送。 由于基站向终端发送数据不存在碰撞问题，所以我们主要考虑是终端向基站 发送数据时，终端与终端之间的数据碰撞问题。如图4 - 2 ，在这罩我们采用了基 站广播，终端听到广播后注册，基站根据注册上来的地址轮询终端采集数据通讯 广东- j ：业人学丁学硕十学位论文 模式，在这个过程中会出现碰撞的情况是基站发送广播后，有多个终端会同时向 基站注册地址，为了减低碰撞的发生，在终端听到基站的广播后，并不是马上向 基站发送注册帧，而是先退避，退避n 个时序后再向基站发送注册。具体实现是： 当某个想发送数据的站使用退避算法选择了注册窗口中的某个时隙后，就根据该 时隙的位置设置一个退避计时器( b a c k o f f t i m e r ) ，当退避时间减少到零时，就开 始发送数据，这样就可以减少发生碰撞的概率( 当多个站都打算占用信道) 。在这 里我们使用二进制指数退避算法，但具体做法稍有不同。这就是，第i 次退避就 是2 2 + 1 8 个时隙总随即选择一个即第1 次退避就是在8 个时隙( 而不是2 个) 中 随机选择一个，而第2 次退比是在1 6 个时隙( 而不是4 个) 中随机选择一个。模 8 是因为一个注册窗口只设计了8 个时序，在这里每个小时序为6 m s ，一个注册 串口就是5 0 m s 左右，因此在5 0 m 秒内有8 台终端同时要发送数据的几率是很小 的，因而可以保证窗口不过于饱和，但是如果同一基站的所在频道的终端过多， 就会增加通讯的压力，使得注册窗口过于饱和会增加通讯的时延，但是这个问题 可以通过增加基站来解决。采用以上的办法就可以解决了通讯问的碰撞问题。 广可以容纳8 个时序i 1 一 基站i 二兰臣 三 丑二工二臣立鳘l 芏| i 芏i ，t i 阿降骊网， 终端1 4 j _ l l l 篮垄塑l l _ 1 黼| 囝匿， 终端2 l ! - 一一 鬯，父竺l 1 图4 2 基站与终端间通讯协议时序图 f i g u r e4 - 2t h ep r o t o c o lt i m i n gp l a n sb e t w e e nt h eb a s es t a t i o n sa n dt e r m i n a l s 4 5 数据可靠性与重传处理 无线通讯除了碰撞问题外，另外一个问题就是无线数据的干扰无时无刻都存 在，因此设计一个检错与重传机制是十分必要的。在本系统中，错误主要发生在 有效数据帧，因为有效数据帧的数据量大，出错几率较高，因此本节主要讨论如 何保证数据的可靠性及其重传处理策略。 第四章车间无线组网的研究与实现 4 5 1 数据可靠性处理 为保证传输过程的正确性，需要对通信过程进行差错控制。实现检错功能的 差错控制方法很多，传统的有：奇偶校验、校验和检测、重复码校验、恒院码校 验、行列冗余码校验等，这些方法都是增加数据的冗余量，将校验码和数据一起 发送到接受端。接受端对接受到的数据进行相同校验，再将得到盼校验码和接受 到的校验码比较，如果二者一致则认为传输正确。但这些方法都有各朗的缺点， 误翔的概率比较麓。 c r c 校验的全称是循环冗余校验，其特点是：检错能力强，开销小。从检错 能力来看，它所不能发现的错误几率为0 0 0 4 7 以下。从性能上和开销上考虑， 均远远优于奇偶校验及算术和校验等方式。在纠错编码代数中，把以二进制数字 表示的一个数据系歹l 看成一个多项式。例如二迸制数字穿列1 0 1 0 1 1 1 1 ，可以表忝 成公式4 1 【4 0 】： 掰( x ) = 露7 x 7 + 露6 x 6 + 翁5 x 5 蔽4 x 4 + 握s x 3 + 菇2 x 2 + 翁l x + 露。x 。 2 x+x+x+x+x+1 ( 41 ) 式中的x7 表示代码盼位置，或某个二进铡数位豹位置，前瑟的系数国表 示码的值。若a 7 是一位二进制代码，则取值是0 或1 。膨例称为信息代码多项式。 如果一个k 位的二进制信息代码多项式为髟御，再增麴( n k ) 位酶校验码后，信 息代码多项式在新的数据块中就表示成，啊例，如图4 3 所示。 x n - k m ( x ) 一一聪x ) 一 信息代码多项式校验位 图4 - 3 增翻梭验码蜃的信息代码结构 f i g u r e4 - 3i n f o r m a t i o nc o d es t r u c t u r ew i t hc h e c kc o d e 如果雳一个校验码生成多项式9 0 去除代码多项式x 融磁力，得到的商得到 的商假定为p 例，余式为斤例，则可写成公式4 2 4 0 1 ： “东工业人学丁学硕士学位论文 x ”等+ 器 2 ， 因为模2 多项式的加法和减法运算结果相同，可把上式写成公式4 3 【4 0 】： x - k m ( x ) + 尺( x ) = q ( x ) g ( x ) ( 4 3 ) g 例称为校验码生成多项式，余式月例称为肜例的c r c 。从该式中可以看到， 代表新的代码多项式f 咄以为+ 月( 为是能够被校验码生成多项式g 例除尽的，利 用这一特性，可以检验f 咄以力+ 月( 为是否有错。 本文采用c r c - c c i t t ( 循环冗余码) 检验技术。c r c - c c i t t 是一个1 7 位生成 多项式g = 10 0 0 10 0 0 00 0 1 00 0 0 1 ，用多项式形式表示为公式4 4 【4 0 】： g ( x ) = x1 6 + x ”+ x5 + x 1 ( 4 4 ) 由它产生的检验码r 的二进制位数是1 6 位( 2 字节) 。为了提高通讯时校验的效 率，采用了查表法，提前够造了0 2 5 5 的c r c 表。当接收数据包时，只需查表校 验，校验函数实现如下c r c ( ) 函数与c r c c h e c k ( ) 函数，其中h _ c r c j a b 2 5 6 与 l _ c r c j a b 2 5 6 是构造好的c r c 表，表如图4 4 所示。其实是一个1 6 位的2 5 6 的数组，h - c r c j a b i 与l - c r c j a b i 分别是1 6 位数组第i 个数据的高低位。 通过c r c c h e c k ( ) 的返回值来确定数据的正确与否。 v o i dc r c ( i n t 8 u 木a ，i n t 8 u 木b ，i n t 8 u 冰c ) 木c = l - - c r c j a b 木a 宰c ； 拳a = h _ c r c _ t a b 水a 】人； 母b = 牛c ； ) i n t 8 uc r c c h e c k ( i n t 8 u 水s ，i n t l 6 u l e n ) i n t 8 u j = l e n - 2 ； i n t 8 u i ： i n t 8 u c r c a ，c r c b ，c r e c ； c r c a = s o 】； c r c b = s 1 ； 第四章车间无线组网的研究与实现 c r c c = s 【2 】； f o r ( i 之；两；i + + ) c r c ( & c r c a ，& c r c b ，& c r c c ) ； c r c c s 羹+ l 】； i f ( ( s j 】2 = c r c a ) & & ( s 0 + l 】一c r c b ) ) r e l l l l t ll ： e l s e r e t u i t l0 ： c o n s tu n s i q n e dc h a rhc r ct a b r 2 5 6 1 * o x 0 0 。0 x 1 0 ，0 x 2 0 ，0 x 3 口，o x k o ，o x 5 0 ，0 x 6 0 ，o x 7 0 ，0 x 8 1 ，0 x 9 1 ，o x r i ，o x b l ，o x c l ，o x d l ，o x e l ，o x f l ， 0 x 1 2 。o x 0 2 ，0 x 3 2 ，0 x 2 2 ，0 x 5 2 ，o x 4 2 ，0 x 7 2 ，0 x 6 2 ，0 x 9 3 ，0 x 8 3 ，o x b 3 ，o x r 3 ，o x d 3 ，o x c 3 o x f 3 。o x e 3 ， 0 x 2 4 ，0 x 3 4 ，戤0 4 ，0 x 1 4 ，0 x 6 4 ，0 x 7 4 ，0 x 4 4 ，8 x 5 4 ，o x r 5 ，o x b 5 ，o x 8 s ，0 x 9 5 ，o x e 5 ，g x f 5 。o x c s ，o x d s ， 0 x 3 6 ，0 x 2 6 。0 x 1 6 ，秘x 驻6 ，0 x 7 6 ，0 x 6 6 ，o x s 6 ，0 x 4 6 ，o x b 7 ，o x 9 7 ，8 x 9 7 ，0 x 8 7 ，g x f 7 ，o x e 7 ，o x d 7 ，9 x c 7 ， 0 x 4 8 ，0 x 5 8 。0 x 6 8 。0 x 7 8 。b 0 8 ，0 x 1 8 ，0 x 2 8 ，0 x 3 8 ，o x c 9 ，o x d 9 ，o x e 9 ，o x f 9 ，0 x 8 9 ，0 x 9 9 ，o x 9 9 ，o x b 9 ， o x s a ，o x 4 a ，o x 7 a ，o x g a ，0 x l n ，0 x 日n ，o x 3 0 ，g x 2 r ，o x d b ，o x c 8 ，o x f b ，o x e b ，o x 9 b ，9 x 8 b ，b x b b ，n x r b - g x 6 c ，o x 7 c 。0 x 4 c 。o x s c ，o x 2 c 0 x 3 c ，8 o c ，o x l c ，o x e d ，o x f d ，o x c d - o x d d ，o x r d ，o x b d - o x 8 d ，o x 9 d ， o x 7 e ，瓤6 ，o x s e 。嚣x 4 e ，o x 3 e ，g x 2 e ，8 x i e ，毵蛭，戮# # 。g x e f ，o x d f ，溉f ，瓤馨f ，g x a f ，瓤9 f ，g x 8 f ， 0 x 9 1 ，0 x 8 1 ，o x b l 。o x a l ，o x d l ，o x c l ，o x f l ，o x e l ，o x l 0 ，o x 0 0 ，0 x 3 0 ，o x 2 0 ，o x 5 0 ，o x 4 0 ，o x 7 0 ，o x 6 0 ， 0 x 8 3 ，0 x 9 3 ，g x 9 3 ，o x b 3 ，0 x c 3 ，o x d 3 ，g x e 3 ，o x f 3 ，0 x 目2 ，o x l 2 ，0 x 2 2 。0 x 3 2 ，0 x 4 2 ，0 x 5 2 ，0 x 6 2 ，0 x 7 2 ， o x b 5 。o x g s ，0 x 9 5 。0 x 8 5 ，o x f 5 o x e s ，o x d s ，g x c s ，0 x 3 4 ，0 x 2 4 ，o x l | ，o x 0 4 0 x 7 4 0 x 6 4 0 x 5 4 g x 4 4 ， g x 9 7 ，o x b 7 ，0 x 8 7 ，救9 7 ，o x e 7 ，o x f 7 ，o x c 7 ，o x d 7 ，0 x 2 6 ，0 x 3 6 ，o x 0 6 。o x l 6 ，0 x 6 6 ，g x 7 6 ，0 x 4 6 ，o x s 6 ， g x d 9 ，0 x c 9 ，g x f p ，g x e 9 ，0 x 9 9 ，0 x 8 9 ，g x b 9 ，g x 9 9 ，0 x 5 8 ，o x k 8 ，8 x 7 8 ，0 x 6 8 ，o x l 8 ，o x 0 8 ，0 x 3 8 ，0 x 2 8 ， o x c b ，o x d b 。o x e b ，o x f b 。o x s b ，8 x 9 b 。o x a b ，o x b b ，o x 4 9 ，o x s a ，o x 6 r ，o x 7 9 ，o x o r ，o x l a ，o x 2 9 ，g x 3 r ， o x f d ，o x e d ，o x d d ，o x c d ，o x b i ) ，o x r d ，o x 9 d ，g x 8 d ，g x 7 c ，0 x 6 c ，g x s c ，o x 4 c ，o x 3 c ，o x 2 c ，o x l c ，o x o c ， o x e f 。o x f f ，o x c f ，o x d f 。o x r f ，o x b f ，o x 8 f 。o x 9 f 。o x 6 e ，o x 7 e ，o x 4 e ，o x 5 e ，o x 2 e ，o x 3 e ，a x 旺，o x l e ，； c o n s tu n s i q n e dc h a rlc r ct r b 【2 5 6 】t 珏x 0 0 ，0 x 2 1 ，0 x 4 2 ，0 x 6 3 ，0 x 8 4 ，o x 9 5 ，0 x c 6 ，o x e 7 ，秘x 精转，0 x 2 9 ，敝肆r ，o x 6 b ，o x s c ，g x r d ，o x c e ，o x e f 。 0 x 3 1 0 x 1 0 0 x 7 3 。g x 5 2 ，o x b 5 ，0 x 9 4 ，g x f 7 ，o x d 6 。0 x 3 9 ，0 x 1 8 ，o x 7 b g x s r ，o x b d 0 x 9 c ，o x f f ，o x d e - 0 x 6 2 ，0 x 4 3 。o x 2 髓，0 x 0 1 ，g x e 6 ，o x c 7 ，o x r 4 ，g