（测试计量技术及仪器专业论文）基于无线移动平台的广域自动测试系统的设计与实现.pdf

摘 曼 广域自动测试系统是测控技术、计算机技术、通信技术的融合，因而 它的发展总是和信息技术的最新进展紧密地联系在一起。近年来，随着微 审i 子集成电路及高性能处理器技术的迅猛发展，预示着自动测试领域正面 临着一场从硬件到软件的新变革。本文借助于移动通信的g p r s 平台，将 异型网络结构的自动测试系统推广设计制作成广域自动测试系统，根据应 用需求，组成了基于w e b 的不受地域限制的测控平台。 广域自动测试系统是多种新技术融合的一次具体实践，本文列荜j j 域网无线接入可用的几种接入技术及选择准则，阐述了g p r s 的特性及其 绍网的方式。重点讨论了异种轻网的互联互通问题，将异种网络整合成一 个有机的整体。并详细地介绍了基于嵌入式处理器平台的系统控制器的软 ：6 更件设计与黼论述了嵌入式w 船瘌x m l 的实现针对广域网系统内 设备同步的难题，提出精确的理论分析模型并实现了有效的解决方案。对 海量数据的组织管理及可视化发布进行了详细的叙述。对测试系统的安全 防护也是本课题的设计内容之一，在系统层和应用层分别采取了不同的安 全并讨论了w e b s e r v e 和g p r s 的安全方案。论文在最后客观分析j 系统的不足和需改进之处。 作为系统工程应用，论文介绍了系统在p c m 音频通路净衰耗频率特性 测试和w c d m a 网络性能测试中的应用实例。从实现目标上看本系统买 王9 ：i i 了：动态远控性、可扩展性、安全性和高效性。 关键 词 广域自动测试系统 嵌入式系统 移动通信 时间同步 现场总线 a bs tra c t w i d ea u t o m a t i ct e s ts y s t e m ( w a t s )c o m b i n e st h et e c h n o l o g yo fm e a s u r e m e n t ， c o m p u t e ra n dc o m m u n i c a t i o n ，s oi t sd e v e l o p m e n ti sa l w a y sr e l a t e dt ot h en e w e s tp r o g r e s so f i n f o n n a t i o nt e c h n o l o g y ( i t ) i nr e c e n ty e a r sw 町si sf a c i n gt h er e f o n n a t i o ni nt e n n so f h a r d w a r ea n ds o r w a r ew i t h r a p i d t h et e c h n o l o g y p r o g r e s s i nm i c r o e l e c t r o n i c sa n d m i c r o p r o c e s s o r i nt h i sp a p e ra u t o m a t i c t e s ts y s t e m( a t s )h a sb e e ne x t e n d e di n t ow a t s b ym e a n so f m o b i l ec o m m u n i c a t i o np l a t f o r m ，a n dm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e mb a s e d o nw e bi sm a d e - u po nt h eb a s i so fa p p l i c a t i o n sr e q u i r e m e n t n 扩a t si st h ec o n c r e t ep r a c t i c eo fm u c hn e wt e c h n 0 1 0 9 yf u s i o n t h i sp a p e re x p o u n d st h e c h a r a c t e r i s t i c so fg p r s( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e )a n dt h em a n n e r so fc o m p o s e dn e t x e n o p l a s t i cn e t sl i n k e dw i t he a c ho t h e ra r et h em a i np o i n t t h es o f t w a r ea n d h a r d w a r ed e s i g n o fs y s t e mc o n t r o l l e rb a s e do ne m b e d d e dm p u ( m i c r op r o c e s s i n gu n i t ) i si n t r o d u c e d ，a n d e m b e d d e dw e ba n de m b e d d e dx m la r er e a l i z e d t h ed i 筒c u l tp r o b l e mo ft h ee q u i p m e n t t i m es y n c h r o n i z a t i o nh a sb e e ns o l v e d ，a n dt h ea c c u r a t en e td e l a ym o d e l i sp u tf o r w a r d t h e m a s s i v ed a t at h a tp r o v i d et h ev i d e od i s p l a ya r eo r g a n i z e da n da d m i n i s t r a t e d t h ep a p e ra l s o p r o p o s e san e wi n s t m m e n tw e b m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls c h e m et h a ti sb a s e do nt h ex m l n e t w o r kd a t at r a n s m i s s i o nt e c h n 0 1 0 9 ya n dc o m p o n e n tt e c h n o l o g y t h es c h e m eo v e r c o m e sa s e r i e so ft r a d i t i o n a lw e bs y s t e ms h o n c o m i n g s t h ep 印e rh a si n t r o d u c e dt h ea p p l i c a t i o n so ft h i ss y s t e mi np c ma n dw c d m a p e r f o r m a n c et e s t i n g f o r mt h ep e r s p e c t i v eo fa t t a i n i n gt h eg o a l ；t h i ss y s t e mh a sa c h i e v e df a 卜 c o n t r 0 1 1 a b l e ，e x p a n s i b l e ，s e c u r e ，e m c i e n tp e r f o m a n c e k e y w o rds w i d ea u t o m a t i ct e s ts y s t e m ( w a t s ) ， e m b e d d e ds y s t e m ， m o b i l ec o m m u n i c a t i o n ， t i m es y n c h r o n i z a t i o n ，f i e l db u s i，【iii一_】lii-r lplrl-r_ri-i，p，l【p lky ，hvl p 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 绪论 绪论 按照系统工程的技术观念，产品生产的技术结构可以分为能量流、物质流和信息流 三大部分。其中信息流包括信息的获取、变换、控制、监测、处理、显示等技术系统， 如仪器仪表、计算机、通信装置、自控系统等。用信息流可以控制能量流和材料流。与 国外企业相比，中国的企业信息化控制程度还比较低，例如只有1o 左右的企业使用了 的物流企业信息化技术。 当今世界已经进入信息社会时代，信息技术成为推动国民经济和科学技术发展的关 键技术。科学家钱学森明确指出：“信息技术包括测量技术、计算机技术和通信技术。 而测量技术是关键和基础。 现代仪器仪表是对物质世界的信息进行测量与控制的基础手段和设备，完成信息流 从获取到处理、传输、控制、显示等全过程。现代测量技术已成为系统数据处理和管理 信息获取的源头。美国商务部19 9 9 年报告在关于新兴数字经济部分提出，信息产业包 括计算机软硬件行业、通信设备制造及服务行业、仪器仪表行业。 随着生产规模的扩大，现代工业测控的对象不再是以往那样局限于一点一地，一个 大型自动测控系统的功能部件往往在地理上是分散的，但却要求在测控系统内信息与管 理的集成，以集中管理、分布控制、数据共享为策略，以个别参数的测量转变成整个系 统特征参数的测量，从单纯的接收显示转变为控制、分析、处理、计算与显示输出，从 用单台仪器测量转变为用测量系统测量，从离线测量转变为在线检测，并已介入于安装 和制造等综合领域。 上世纪9 0 年代，一个突破性的进展是仪器仪表智能化程度的提高；各种性能的数 字信号处理( d s p ) 芯片和专用电路( a s i c ) 【2 j 的大量问世，使仪器仪表数字信号处理 功能大大加强；微型机的发展，使仪器仪表具有更强的数据处理能力和图象处理功能。 信息技术特别是网络技术和计算机技术的飞速发展已经对社会生产、生活和管理产 生了深远的影响。测控领域对新技术的敏感性，吸收和采纳了几乎最新的信息、通讯、 电子、计算机方面一切新技术。传统的测控技术与计算机技术、网络技术和通信技术的 融合，在测控技术产生了深刻的变革，原先只能集中在一地的数据采集、数据分析、数 据存储和数据表现可实现地理位置上的分离和逻辑功能上的分离，而测控仪器则可通过 网络实现系统的集成。现场总线技术是9 0 年代迅速发展起来的一种用于各种现场自动 化设备与其控制系统的网络通信技术，工业以太网也已进入控制领域。现代仪器仪表已 经向着计算机化、智能化、网络化、软件化、综合化、多功能化的方向发展。仪器网络 化测控技术是现代测控技术的一个重要发展方向。多台仪器、多个实验室的综合分析管 理系统( l i m s ，l a b o r a t o r yi n f o n n a t i o nm a n a g e m e n ts y s t e m ) 【3 4 j 理念已经得到了肯定与 实践；仪器可以上网，制造商可以同全球用户或用户之间实现信息交流，厂商对用户正 在使用的仪器进行远程诊断、指导f 确使用或提出维修指导，各同类仪器用户或相同分 析工作用户直接进行数据、情报共享、仪器的远程校准和量值溯源等已指日可待。 使用信息传输网络与测控仪器相融合，就能实现远程、快速和可靠的测量与控制。 现在普遍应用于测控通信网络的技术有以太网和i n t e m e t 网j ，它们都是以有线网络为 骨架，其缺点是构建网络需要布线，在某些不易布线或无法布线的地区将无法发挥作用， 同时使仪器的分布和活动范围受到局限。针对这种情况，基于无线移动通信平台形成的 全分布式测控网络的建设可弥补这些不足。 强而有力的软件技术的进步，在增强仪器功能和数据处理能力的同时，也为用户自 东南大学博士学位论文 由组合定义测试平台、完善人机界面提供了方便，以计算机软件技术为核心的虚拟仪器， 因具有功能强大、测量速度快、自动化程度高、人机界面友善、灵活性极强等优点，正 越来越受到关注【，j 。 仪器综合功能的提高：软件与硬件的有机配合；仪器功能的综合，也日益受到人们 的重视与追捧【8 j 。仪器设备结构功能的复杂化，催生着新的测量方式、测量理念和测量 范围的不断更新。 根据我国国民经济和社会发展提出的需求，充分认识到国际仪器仪表发展的趋势， 国家制定仪器仪表发展的战略目标是：在未来1o 到15 年内，充分利用我国经济高速发 展和巨大的市场优势，大力推进新技术新工艺在仪器仪表中的应用研究，掌握各类仪器 仪表的设计、生产工艺等关键技术，使我国仪器仪表产业总体水平同国际水平的差距缩 短到3 至5 年，约3 0 的产品达到国际同期先进水平，国产仪器仪表在大工程中的配套 能力达到8 5 以上，在国内市场需求中占领7 5 以上的份额。 依据国家的仪器仪表的发展目标，我们提出了以重大工程项目为依托工业自动化 仪表与控制系统的性能改善与功能完善，致力于新一代测控系统【9 j 及其综合自动化技术 研究，开发、深化自动测试技术与系统集成技术、网络化技术。 本文的组织结构： 本文在开篇绪论中，阐述了课题研究的背景及意义，给出本课题研究方向。 第一章中回顾了测控技术与仪器发展历程，粗略的介绍了自动测试系统构成、经历、 现状及其不足，论述了本课题的研究内容、特色和已解决的问题。 在第二章中，结合课题内容介绍了数据无线接入的一些常用手段及使用准则，设计 了广域自动测试系统的组成架构和通信链路的建立过程。 第三章重点阐述了接口的互联转换，包括：常用专业总线的特点介绍；总线接口转 换的软硬件设计，操作系统与通信协议的裁剪等。 第四章介绍了基于a r m 的嵌入式控制系统硬件结构，软件功能模块及程序流程， g p r s 模块的工作过程，最后介绍了嵌入式w e b 服务器的设计和基于x m l 的数据组织 方案。 第五章提出了网络化设备间的同步问题，并给出了解决方案，同时精确地给出了网 络时延模型，科学地估计出网络时延的数值。 第六章讲述了海量三维测试数据的显示发布问题，包括数据的分类与组织；测试数 据的三维变换与显示等内容。 第七章讨论了系统安全防护问题。介绍了防护措施与手段，系统安全策略等。 第八章，结合两个已投入使用的实测例子，介绍系统了的具体应用与测试结果。 第九章总结了论文的主要工作内容及主要工作成果，并指出了系统尚待完善和改进 的方面和进一步的研究方向。 第一章自动测试系统提出与发展 第一章自动测试系统提出与发展 1 1测控技术与仪器发展历程 测试技术与仪器是人们揭示客观世界规律，用数学语言描述周围世界，进而改造世 界的的主要技术手段，著名科学家门捷列夫一句“没有测量，就没有科学”简练的概括 了测量对科学的作用。现代测量技术水平已被公认为是衡量一个国家的科学技术水平和 现代化水平的重要标志之一。仪器仪表是我们在信息社会中定量认识客观世界的基本工 具，它的进步与发展，直接催生着测量理论、测量技术、测量方法、测量手段的进步与 发展。 在过去的几十年里，仪器仪表技术的发展大致经历了模拟仪器、数字化仪器和智能 仪器等多个阶段【1 。但这些仪器功能单一，只能面向特定的对象，完成确定的测试任务， 难以胜任复杂的多参数、多任务测量要求j 。近年来，世界上工业发达国家都十分重视 仪器仪表的发展，其发展速度已远远超过国民经济其他部门。 对国内外测控仪器发展的历史和现状进行分析，其发展趋势可概括为高精度、高效 率、智能化和多样化与多维化。尤其是微计算机与测控仪器的结合，使测控仪器精度提 高、功能增强、可靠性增加，从而使测控仪器发展进入了一个新的阶段。 8 0 年代末，美国国家仪器公司1 1 2 j ( n i 公司n a t i o n a li n s t r u m e n t s ) 推出了虚拟仪器 ( v i r t u a l i n s t r u m e n t s ) ：在一定的硬件环境和平台下，充分利用其计算、存储、处 理、显示及控制、文件管理等强大的功能，通过编制和执行不同功能的软件，将传统仪 器的专业化功能和面板控制部件软件化，使之与计算机控制系统成为一体。虚拟仪器的 出现，改变了传统仪器的设计思想和理念，突破了“硬件固定”的模式，因而有了“软 件就是仪器 的说法【1 3 】。但因受仪器硬件模块性能的限制，许多应用领域特别是高频高 速的测量领域，虚拟仪器尚不能取代传统的测试仪器。 由于测控领域的技术特点就是与自然科学技术的最新发展紧密相连，使得这门学科 充满了生命力。怎样将多年集攒的测控技术和经验与科技新成果有机的融合? 如何将新 思想、新技术为我测控系统所用? 我们的研究正是结合科学技术的发展步伐，将一些i t 业中的新兴技术与传统的测量技术相结合，使传统的仪器和先进的仪器在新的形势下充 分发挥了它们的潜能。 1 2 传统自动测控系统的构成 正如第一小节所述：功能单一仪器难以胜任复杂的多参数、多任务测量要求，随着 科学技术的不断进步、测试项目的不断增加和测试要求的不断提高，出现了完成多功能 综合性计算机操控测试的自动测试系统( a t sa u t ot e s ts y s t e m ) ( 也称自动测试设备a t e a u t ot e s te q u i p m e n t ) 1 3 】。它的研究和开发始于5 0 年代的美国，当时是为满足军事工业 中测试自动化的需要。该系统的出现受到了民用工业的商家和用户的广泛重视，7 0 年以 来，各种自动测试系统的产品以及组建自动测试系统的仪器仪表的生产销售一直保持着 旺盛的势头，产值增长率在仪器仪表行业中处于领先地位。 自二十世纪5 0 年代初期到现在，自动测试系统的发展大体经历了三个阶段i i 4 】： ( 1 ) 总装阶段。针对不同的测试任务将几种不同种类的可程控仪器总装在一起形成 一个组装系统，主要用于针对性较强、测试工作量很大的重复测试。这种系统 的设计、维护复杂，适应性不强，接口非标准化，研制费用较高。但这是人工 东南大学博士学位论文 测试向自动测试迈出的重要一步。 ( 2 ) 接口标准化阶段。这种系统组装方便，专用的标准接口电路( i e e e 4 8 8 ，c a m a c ) ， 更改、增删测试内容也很灵活，针对不同的测试要求，灵活地组建不同的自动 测试系统。设备资源的重复性较好，即可作为系统设备使用，亦可作为独立的 仪器使用，显示了很大的优越性，因此得到广泛的应用。 ( 3 ) 基于p c 仪器阶段。这阶段以出现虚拟仪器为代表，它整合了上一阶段的内 容，在此基础上，发展了相应的软硬件系统，推出了v x i 、p x i 总线的仪器和 l a b v i e w 、h p v e e 等图形化编程测试软件，给测试系统带来了冲击，对测试 理论、测试方法等许多方面都产生了很大的影响。 但是这些自动测试系统，因受总线性能的限制，仪器设备的分布半径有限，通常在 几米到一千米的范围之内。图1 1 表示了由r s 4 8 5 总线【1 5 ，1 6 】连成的仪器系统，r s 一4 8 5 是一种数据传送距离较长的串行总线，其最大通信距离也只有12 0 0 米。由于其主从式 结构，数据传输效率和可靠性低。 k ，= 4 8 5 k ，= r 控 制 计 算 二e 二f r s 2 3 2 4 2 2 4 8 5r s 2 3 2 4 2 2 4 8 5r s 2 3 2 4 2 2 4 8 5 转换器转换器转换器 隹阿巨臣阿隹臣回 鬟筹，| |鬟荨，f 它r ，ik ，= o f fk ，= o f f ，k ，= r， 图1 1基于r s 一4 8 5 总线的系统连接图 i e e e 4 8 8 总线 图1 2基于i e e e 4 8 8 总线的自动测试系统 图1 2 给出了基于i e e e 4 8 8 总线【1 7 】的自动测试系统组成方框。该自动测试系统主要 由计算机系统、可程控测量仪器、i e e e 标准接口总线系统三大部分组成，这是自动测 试系统典型的传统组成方式，虽然组成灵活、测量过程高度自动化，但因总线性能的限 制，器件容量15 台，电缆总长度2 0 米，这些限制制约了系统规模和使用的地域范 围，在地域上分散的各作业系统难以组成一个大的综合的复杂的测试系统。 就可程控仪器的组成来看，虽然“接口”本身只占很小一部分，但是实践证明：组 4 踮 一a 捌蟠丁鬻 -i，l_-，i i一fr i l i l i一i l i 第一章自动测试系统提出与发展 建测试系统的关键之一就是要解决仪器设备之间、仪器与控制计算机之间的接口技术问 题。 1 3 自动测试系统发展现状 多年的发展完善，自动测试系统己形成了多种标准、多种总线、多种技术各类不同 性能和不同使用场合的专用测试系统。如飞机舰船等军用平台使用的m i l s t d 一1 5 5 3 总 线【1 8 】；汽车工业领域常用的c a n 总线【1 9 】；工业测控系统使用的各种现场总线 1 9 ，2 0 2 1 】： 简单设备互连系统的r s 2 3 2 总线【2 2 j 和其改进型r s 一4 2 2 4 8 5 总线；近年来伴随计算机技 术进步而出现的高速总线u s b 【23 | 、i e e e139 4 【2 4 j ；仪器测控领域历史最久的测控专 用总线i e e e 4 8 8 等等，这些总线技术的发展，推动了测试技术的革命1 25 2 6 j ，同时其种种 局限性也限制了它们的应用与成长【27 1 。首先，这些总线从硬件结构到通信传输协议都是 相互封闭、互不兼容的，并且由于投资效益和商业利润的影响，在相当长的一段时期内， 多种总线并存的现象仍将持续下去，19 9 9 年底，i e c 6 115 8 【2 l j 推荐的工业现场总线新标 准就有8 种之多。由于各种总线差别差异很大，设备互联十分困难，虽然前人已经作了 许多工作，有些问题解决的尚不是十分理想。主要表现在：技术实现不统一，缺乏标准 化设计；基本没有互换性，开放性差。例如因为控制器资源的限制，在异种网络连接时， 只是进行了接口协议的简单电平转换，而难以完成全面的控制与管理功能，以至于仪器 设备性能受到制约而无法充分发挥【2 8 _ 2 9 j ；或者使用功能完善、资源丰富但却价格昂贵、 体积庞大的计算机作为系统控制器1 3 u 3 1j ，灵活性差。 各类工业通信总线和现场总线的出现确实给工业自动化带来一场深层次的革命，但 多种现场总线互不兼容，不同公司的控制器之间不能相互实现高速的实时数据传输，在 一些工业和汽车应用中，为了实现多个m c u ( 微控制器m i c r o c o n t r lu n i t ) 之间的信息 交流，利用c a n 、r s 2 3 2 、r s 一4 8 5 等总线将m c u 组网，可就象前一节中的描述，这 种网络的有效半径非常有限，有关的通信协议也互不兼容，并且一般是孤立于i n t e m e t 以外的【3 2 】。 因特网的发展拓展了自动测试系统的应用范围，利用网络通信技术将分散在不同地 理位置不同功能的测试设备联系在一起，使昂贵的设备硬件、软件、数据在网络内得以 共享。但对于不易于架设有线网络的山野乡村、临时测控点和可移动装置，仍存在着测 控盲点，其固定性也无法解决城市布局迅速发展变化的要求。并且测控系统与其它的工 商信息系统不同，它需要有极强的组成灵活性，大部分接入点测控设备是临时的、变化 的和可移动的。这些特性催生着新的自动测试技术的发展。 嵌入式i n t e m e t 与m c u 技术密切相关，需要多方面的协作，因此包括s i e m e n s 、 i n f i n e o n 、p h i l i p s 和m o t o r 0 1 a 在内的数十个公司联合成立了“嵌入式i n t e m e t 联盟( e t i e x t e n dt h ei n t e r n e t ) ，共同推动这一市场。可以预言，嵌入式设备和i n t e m e t 的结合代表 着嵌入式系统和网络技术的真正未来。 我们为了解决仪器设备上网的问题，设计制作了专用的嵌入式软硬件模块，解决了 多种总线与e t h e m e t ( 以太网) 转换接口。针对不同的使用场合和功能要求，我们设计 制作了不同规模的总线接口协议转换设备和系统控制器，能够将多种异构测控网络集成 为一整体，有效地管理与控制。鉴于当前的智能仪器仪表系统大多都是基于8 位或16 位m c u 的，而e m i t ( 嵌入式微型英特网互连技术) 仅占用系统数k 的存储资源，因 而该技术不管是对于老仪器仪表系统的改造，还是构建新的仪器仪表系统都具有很强的 现实意义和发展前景。 随着移动通信技术的发展，无线通信的平台对广域工业测控系统的吸引力日益增 强，其所带来的诸多优势包括：可实现更快的安装、毋需重新配置即可进行物理移位， 东雨大学博士学位论文 通过消除线缆及降低安装成本能大大节约资金，并避免了大多数工厂环境中天罗地网般 连线的混乱局面。但是，工业控制要求强大可靠的接口解决方案，以保证工业环境中至 关重要的服务质量及安全性，并且安全保障与抗干扰等问题仍有待解决。 虽然近年来国内外对仪器网络化控制与管理的研究已成为测控技术领域的一个热 点【6 ，3 3 ，3 4 ，35 | ，但大多数研究成果仅限于对个体仪器设备的远程透明控制和数据收集，单机 单仪器的数据传送【3 6 j 。如k e i t h l e y 公司的2 7 0 1 型6 位半数字多用表，内置1 0 1 0 0b a s et x 网络连接，使用t c p i p 协议。由于硬件性能和通信技术的限制，对于自动测试系统的 远程组网控制与管理鲜有报道，特别是对基于i e e e 4 8 8 等常用总线组成的自动测试系统 级的远程控制与管理更很少涉及。国内的仪器仪表厂家尚没有带工业以太网接口的仪器 设备。 1 4 本课题研究内容与系统特色 本课题研究基于广域网络的自动测试系统的组成与实现技术，是复杂系统多技术融 合，内容跨专业跨学科，涉及计算机技术、工业现场总线、软件技术、移动通信技术、 数据通信技术、电子技术和自动测试技术等。 将基于传统的工业总线设备，以无线和有线的形式，借助与g p r s ( g e n e r a lp a c k e t r a d i os e r v i c e ) 和i n t e m e t 平台，建设成真正的无缝广域测试系统。为了组建测试系统， 验证设计结论，我们搭试了实验系统的硬件平台和软件平台。并结合生产实际，设计并 制作了已投入使用的广域自动测试系统。 因无线移动数据传输技术是近两年来新出现的远程数据传输手段，国内外将其应用 于自动测试系统领域尚不多见，我们将其通过嵌入式系统与自动测试技术相结合，解决 了临时测控点、移动测控点、偏远测控点的远控和管理问题，将其平滑的纳入自动测试 系统。 我们的研究将在前人的基础上，把自动测试系统、计算机技术和通信技术有机的结 合在一起，拓展自动测试系统的应用领域，提升其测控性能。 广域远程自动测试系统与其它测试系统相比有如下特点： ( 1 ) 布控区域辽阔。嵌入式w 曲服务器与有线无线网络连接，没有线缆长度和信号 衰减的限制，彻底抛弃了地域的概念，无限扩展了布控区域。 ( 2 ) 几乎无限的无缝扩展能力。以模块结构为基础，所有设备都以i p 地址进行标识， 增加设备只是意味着i p 地址的扩充。即插即用。 ( 3 ) 可组复杂测控网络。采用基于嵌入式w 曲服务器为核心的测控系统，在组网方 式和数据发布上与传统测控系统和基于p c 平台的测控方式有很大的不同，由 于w 曲服务器输出采用统一的协议在网络上传输，支持跨网关、跨路由器的远 程传输。 ( 4 ) 完成异构总线网络的融合，消除“信息孤岛 。 ( 5 ) 性能稳定可靠。测控服务器实际上基于嵌入式电脑技术，采用嵌入式实时多任 务操作系统，直接连入局域网或广域网，系统的实时性、稳定性、可靠性大大 提高，也无需专人管理，非常适合于无人值守的环境。 ( 6 ) 系统内仪器设备准同步工作。 ( 7 ) 系统向上兼容。模块化的组成结构，标准的接口功能，完成对新技术的兼容， 可使系统性能随着技术的发展而提高。 ( 8 ) 系统向下兼容。专门设计的接口转换器，充分发挥现有仪器设备的功效与潜能。 ( 9 ) 单用户同时监控多个子系统实时数据或多用户同时监控单子系统实时数据。 ( 1 0 ) 多种测试数据发布方式。 第一章自动钡0 试系统提出与发展 本系统充分采用较新与最新的技术，又注意与传统成果的结合，系统向上向下兼容， 各种技术有机融合，实现真正意义上的开放。充分地挖掘传统仪器设备的潜能，拓展仪 器设备的应用领域，延长仪器设备的使用年限。 针对不同的系统规模、不同的应用、不同的管理要求，我们设计了从8 位单片机到 3 2 位嵌入式系统的不同级别的控制硬件。真正做到了当远程通信管理不畅的情况下，在 系统级别上本地实现自治的控制与管理。本设计依据硬件资源的不同，安排了不同的管 理性能，为不同的管理系统设计了不同性能的w e b 服务器，充分发挥了硬件和技术的 作用。 面对错综复杂的网络测控系统，数据特征没有统一的描述模型，每一台设备的数据 都独立设计，并且数据本身具有自述性和动态可变性，各种异构数据的集成、组织、查 询和管理已成为一个急待解决的问题，我们创造性地将x m l ( 可扩展标记语言) 技术 与嵌入式w e b 系统相结合，采用已获广泛商家和市场支持的x m l 技术解决了用户界 面统一、数据资源的获取、远程动态交互、系统向下兼容等问题。 本系统的特色之处还在于建立了一种全新的网络传输时延统计模型，科学地解决了 广域网络范围内系统设备时钟准同步的技术难题。经过严格的论证，修正了网络传输时 延，使互联网系统内设备时钟同步精度提高了10 1o o 倍，可控制在1o 5 0 “s 的范围以 内，满足了广域自动测试系统的要求。 解决了测试数据三维图形动态显示发布的问题。 因工作量繁重，工作任务复杂，论文篇幅有限，本文将着重介绍一些思想与结论性 的内容和成果，中间论述和具体调试过程大部分进行了省略。如t c p i p 裁减修改的细 节；系统抗干扰和电磁兼容设计；各类协议解读与转换；系统的配置与调试过程；嵌入 式操作系统的移植、内存管理、函数调用、外设驱动、工作机制等移植修改细节。 1 6小结 本章总结了自动测试系统的发展历程，及其所经历的各个阶段与特点，阐述了传统 总线技术的典型运用与局限性，针对这些局限性，我们充分利用最新的计算机技术、通 信技术加以改进，提出了基于无线移动通信平台的自动测试系统的结构，建设成广域的 自动测试系统，多方面地改善了自动测试系统的性能，拓展自动测试系统的应用领域， 并组织归纳了自制系统的特色。 东南大学博士学位论文 第二章基于移动平台的自动测试系统架构 近年来，随着数据信息技术的普及与进步，人们对全球无缝漫游的个人宽带移动通 信和各种数据应用业务不断提出新的需求，这些需求推动了移动数据通信技术的向前发 展。移动数据通信就是让使用者能在任意地点或在运动中，通过无线数据终端与其它数 据终端交换数据、传递文件、提取资料，以及访问数据库。 目前，移动数据通信的工作平台主要分为三大类：一类是在以传输电话为主的蜂窝 移动通信系统中增加数据传送信道，如c d p d 系统、g p r s 、i s 9 5 c 等；另一类是移动 i n t e m e t 技术，包括宽带无线接入网、移动i p 、无线应用协议( w a p ) 、蓝牙( b 1 u e t o o t h ) 技术等：再一类就是借助于第三代宽带移动通信技术。 2 1 主流的无线数据通信技术【3 7 3 9 】 模拟无线接入：模拟无线接入在农村电话普遍服务中起到了一定作用，但技术落后、 频谱利用率低、网络容量有限、网络成本和终端价格高昂，并且与现有城市的通信网络 不兼容。c d p d ( c e l l u l a rd 酒t a lp a c k e td a t a ) 系统是在模拟蜂窝移动电话网上提供分组 数据服务的一种系统，信道最高传输速率为19 2k b i t s ，采用i p 高层网间协议，各部分 通信靠t c p i p 来连接。 p h s 【4 u j 和d e c t ：p h s 技术即“小灵通”，其知识产权掌握在日本公司手中；d e c t 为欧洲的无绳电话制式。它们的基站覆盖半径小，仅为几十到几百米，在偏离基站较远 处或高速移动的目标上，无法满足通信要求，且不能漫游。p h s 无线数据业务目前采用 的标准是p i a f s ( p h si n t e m e ta c c e s sf o r u ms t a n d a r d ) ，这是一个以电路交换模式为基 础的数据通信方式，通过信道捆绑最高数据传输速度3 2 6 4 k b i t s 。 卫星通信：在大区域稀路由、无缝隙通信方面有着其他通信方式无法比拟的优势。 早期建立的v s a t 系统【4 l j 是省内通信网，端站设在没有通电话的县和乡一级，每一个端 站须投资好几万美元。采用卫星数据通信，系统体积庞大，成本和通信费用昂贵。且卫 星信道尚存在时延长、差错率较高、上下行信道非对称、空间传播损耗严重等很多问题。 g s m ：g s m 9 0 0 和g s m l8 0 0 系统为城市密集人口设计的移动通信系统，由于频率 高，绕射能力弱，覆盖面积小，投资较大，用户数少的条件下造价高、终端设备较贵； 采用t d m a 技术频谱利用率低。而g s m 为欧洲通信标准，知识产权由欧洲的公司控制， 如果改频还须研究开发。只提供的9 6 0 0 b i t s 以下数据业务。在g s m 基础上开设的高速 数据业务主要有三种【4 2 】：h s c s d ( 高速电路交换数据业务) ，最高6 4 k b i t s 的接入速率； g p r s ( 通用分组无线业务) ，理论上最高能够达到171 2 k b i t s ；e d g e ( 增强数据率的 全球演进技术) ，最高38 4 k b i t s 的传输速度。但h s c s d 尚未进入商用阶段就被放弃， 而e d g e 提供数据业务时，有资源利用率低、使用成本高等问题。 c d m a ：作为码分多址的接入系统，c d m a 相对于频分多址和时分多址的接入系统 有频谱利用率高的特性。c d m a 8 0 0 和c d m a l 9 0 0 系统是按2 5 g 移动通信的需求设计 的，网络建设同样由于频率高而使得系统的建设造价高、终端昂贵。至于c d m a 4 5 0 ， 其频段虽适宜农村通信，但由于是美国通信标准，知识产权由高通公司控制，网络基础 设施和终端的成本仍较高，为我国政府所限制。它所推出的高速数据业务包括i s 9 5 b ( 最大速率115 2 k b i t s ) 、i s 9 5 c ( 14 4k b i t s ) 和i s 9 5h d r ( 1 2 5 m b i t s ) 。 t d s c d m a 【4 3 】：s c d m a 是我国自主开发的同步码分多址无线接入系统，是信息产 业部在村村通工程中推广的技术手段。在农村进行无线覆盖时，其组网一般均为大区制， 第二荦基于移动平台的自动钡0 试系统架构 且覆盖半径一般考虑在2 0 l 以上。s c d m a 综合无线接入系统从城乡普遍服务出发， 以宏蜂窝网络结构为基础，采用先进的智能天线和同步码分多址以及时分双工工作方 式，提供了覆盖区域大、每线造价成本低、终端形式多样、数据带宽足以胜任大多数宽 带应用需求的无线接入系统。虽然其一、二阶段测试已通过，但基于t d s c d m a 标准 的3 g 终端芯片尚未问世，还没有投入商用。 g p r s ：是g s mp h a s e2 + 引入的重要内容之一【44 | 。它是在g s m 之上增加了服务支 持节点和网关支持节点，并部分修改了软硬件而成。它们也是第三代核心网络的一部分， 是向3 g 平滑过渡的重要一环。g p r s 是一种基于g s m 的移动分组数据业务，面向用户 提供移动分组的i p 或x 2 5 连接【45 l 。详细内容将在下面的章节中叙述。 移动i p 【4 6 ，47 j 移动i p 将是最终彻底实现移动接入i n t e m e t 的一种网络协议，它是基 于i p v 6 的。移动i p 是在i p 网络中增加了移动节点、本地代理和外地代理3 个功能实体。 在i m t - 2 0 0 0 中已明确规定，第三代移动通信系统必须支持移动i p 分组业务。移动i p 是解决i p 网络宏移动性问题的标准，不是针对微移动性的解决方案，因此应用到下一 代无线网络结构中尚存在一些局限性【48 1 ，主要是i p v 6 方案也还没有最终完善，移动i p 不支持无缝移动，不支持永远在线被动连接，不支持寻呼，移动i p 完整的技术规范尚 在制订之中。 蓝牙技术和无线局域网( w l a n ) ：b l u e t o o t h 是一种小范围的无线通信标准【49 l ，它 可以使各种通信设备、计算机及其终端设备、各种数字数据系统甚至家用电器用无线的 方法联接起来，建立一种小型、经济、短距离的无线链路，传输距离1o 10 0 m 。w l a n 使用i s m ( i n d u s t r i a l 、s c i e n t i n c 、m e d i c a l ) 无线电广播频段通信，遵循8 0 2 11a 、8 0 2 11b 和8 0 2 1lg 等标准，细节参见文献 5 0 1 。g p r s 虽然比b 1 u e t o o t h 和w l a n 速率低，但可 用于大范围移动领域。 3 g 宽带移动数据通信【4 3 j ：要提供高速的数据服务，最根本的条件还是要有足够的 频率资源和带宽。第三代移动通信系统i m t - 2 0 0 0 确定的基本带宽为5 m h z ，服务目标 是在移动车辆环境下提供14 4 k b i t s ，步行环境下为38 4 k b i t s ，在室内环境下为 2 0 4 8 m b i t s 。人们很难预测2 m b i t s 业务的市场需求将会如何。到目前为止，我国尚未 提供3 g 的商用网络。 2 2各种无线接入系统比较分析的准则 一般而言，任何无线电系统都可用于无线接入，但其适用性是若干因素的函数。依 据国内无线移动通信网络的资源，无线接入的方式主要有：无线局域网、蜂窝移动电话 系统、数字无绳电话系统及点到多点微波系统等多种技术体制可供选用。从适应性的角 度去考虑，蜂窝宏区移动系统( 如s c d m a 4 0 0 、c d m a 4 5 0 、g s m 9 0 0 ) 主要用于乡村 郊区、高车速和中业务量密度；蜂窝微区移动系统( 如s c d m a l9 0 0 、g s m l8 0 0 ) 适用 于市区、慢车速和高业务量密度；无绳微微区移动系统( 如p h s ) 适用于市区室内、低 速和高业务量密度。系统适用准则的因素一般考虑到：业务类型和业务量密度，性能价 格比承受力，空中接口技术体制的特性，覆盖地区实际蜂房大小能否满足要求，用户设 备建设费用、运营费用，无线接入系统与运营商现有网络特点相融合以充分利用运营者 已有的网络资源和号码资源【j 川，等等。 可靠性与成熟性是无线网络设计人员在创建工业应用系统时必须考虑的主要因素。 接入网是一个承载i p 业务且基于分组的宽带网络，有着较大的统计复用性。接入点的 接入方式要充分和业务拓展相结合。 g p r s 是一种新的移动数据通信业务，提供点对点业务和点对多点业务，采用与 g s m 同样的无线调制标准、同样的频带、同样的突发结构、同样的跳频规则以及同样 东雨大掌博士学位论文 的t d m a 帧结构，是在成熟的g s m 网络的基础上增加了部分功能实体所构成，具有与 g s m 网络同样的覆盖范围。其覆盖性、可靠性和成本更加适合于工业应用。 和其它无线接入系统相比，g p r s 的技术优势在于：资源利用率高；覆盖范围广； 传输速率大；接入时间短；支持i p 协议和x 2 5 协议：连接费用低廉。 目前能提供烈t e r n e t 、移动商务、多媒体、娱乐等多种业务的第三代移动通信在 国外部分地区已经投入商用，数据传输速率可从几k b s 到2 m b s 。3 g 的目标是：能够 提供全球统一覆盖、支持多媒体功能、高服务质量、具有全球漫游能力等。但在推广中 遇到很多困难，如手机技术不成熟，网络覆盖不好等问题，目前正在逐步解决。在我国 第三代移动通信的部分试验测试工作已完成，但何时建设如何建设第三代移动通信网络 仍在激烈的争论之中。从技术发展的角度，高速宽带的网络建设是历史的必然，我们的 工作正是现有网络和未来网络的_ 个应用领域和经济增长点。 2 3 基于g p r s 平台的自动测试系统 2 3 1 g p r s 系统简介3 8 】 g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 是通用分组无线业务的简称，是在现有g s m 系统上发展出来的一种新的承载业务，其基本功能是在移动终端之间或与计算机通信网 络的路由器之间提供分组传递业务，最高速率可达115 k b i t s ( c s 一3 ，8 个时隙) ，理论带 宽可达1