（机械电子工程专业论文）无线多信道数据包监听系统的fpgap实现.pdf

摘要 摘要 2 0 0 8 年1 0 月重庆邮电大学受邀参加了美国( 休斯敦) 国际仪器仪表、阀门、 自动控制展览会，在会上展示了i s a l 0 0 1 l a 开发成果，其中包括基于a r m 的全 信道抓包器。由于工业无线网络结构复杂，节点数量众多，整个网络数据包数量 非常大。传统的基于a r m 处理器的监听系统受限于a r m 处理的串行处理方式， 在复杂现场环境中，会发生数据拥塞现象。为了解决这一问题，本文设计了以灵 活的现场可编程门阵列f p g a 为核心的多信道监听系统。 f p g a 的u o 口数量多，采集速度快，可以并行的处理多个信道的数据，同时 结合高速存储和调度算法，有效提升多信道数据处理的效率。本文实现了基于 f p g a 的工业无线数据监听系统，采用多个无线射频模块捕获工业现场的数据报 文，将数据通过串行数据接口发送给f p g a 芯片，在f p g a 中完成时间戳的捕获 和信道号的识别，采用异步f i f o 高速存储数据包，通过信道实时调度算法将数据 上传给上位机。本系统采用了锁相环、硬件定时器、高效数据存储、实时调度算 法等技术。 本文为各个功能模块建立不同的测试模型，并设计了相应的测试平台 ( t e s t b e n c h ) 。在验证了各个子模块功能的基础上，本文对整个系统进行了逻辑综合 测试。在工业无线i s a l 0 0 1 1 a 工控实验中心，同时覆盖了w i a p a 、无线传感器 网络和i e e e 8 0 2 1 5 4 e 等无线通信网络，本文设计的多信道无线数据监听系统能够 实时的捕获4 个信道的数据并能长期稳定运行。实际应用验证了本系统具有实时 性、稳定性、可靠性和误码率低等性能。 关键词：工业无线，时间戳，调度，f p g a 重庆邮电大学硕士论文 a b s t r a c t c h o n g q i n gu n i v e r s i t yo fp o s t sa n dt e l e c o m m u n i c a t t i o n sw a si n v i t e dt op a r t i c i p a t e i n 也eu n i t e ds t a t e s ( h o u s t o n ) i n t e r n a t i o n a li n s t n m a e n t s ，v a l v e s ，a u t o m a t i o ne x h i b i t i o n i no c t o b e r2 0 0 8 ，a n ds h o w e di s a l0 0 1lad e v e l o p m e n ta c h i e v e m e n t si n c l u d e dt h e a r m - b a s e dw h o l ec h a n n e lp a c k e tc a p t u r ei nt h a te x h i b i t i o n a st h ec o m p l i c a t e d t o p o l o g yo fi n d u s t r i a lw i r e l e s sn e t w o r ka n dt h el a r g en u m b e ro fn o d e s ，t h e r ea r em a n y d a t ap a c k e t si n t h en e t o w r k w h i l et h ea r mi sas e r i a lp r o c e s s o r , t h et r a d i t i o n a l a r m b a s e dw h o l ec h a n n e lp a c k e tc a p t u r em a yo c c u rd a t ac o n g e s t i o ni nt h e c o m p l i c a t e de n v i r o m e n t t os o l v et h i sp r o b l e m ，t h i sa r t i c l ed e s i g n sam u l t i c h a n n e l m o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do nf l e x i b l ef i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a yf p g a f p g ah a sp l e n t yo fi op o r t sa n dq u i c ka c q u i s i t i o ns p e e d ，i tc a nh a n d l em u l t i p l e c h a n n e l so fd a t ap a r a l l e l l y , c o m b i n e dw 池l l i 曲- s p e e ds t o r a g ea n ds c h e d u l i n ga l g o r i t h m t oe n h a n c et h ee f f i c i e n c yo fm u l t i - c h a n n e ld a t ap r o c e s s i n g t h j sa r t i c l ei m p l e m e n t s i n d u s t r i a lw i r e l e s sd a t am o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do nf p g a f i r s t l yt h es y s t e mu s em a n y r a d i o 行e q u e n c ym o d u l e st oc a p t u r et h ed a t ap a c k e t s ，a n ds e n dt h ed a t et ot h ef p g a c h i pt h r o u g hs e r i a ld a t ai n t e r f a c e ，a n dt h e nc o m p l e t et h et i m es t a m pc a p t u r ea n dc h a n n e l n u m b e ri d e n t i f i c a t i o n ，a d o p tt h eh i g h s p e e da s y n c h r o n o u sf i f ot os t o r ed a t ap a c k e t si n t h ef p g ac h i p ；f i n a l l y , t h ec h i pu p l o a d st h ed a t at ot h eh o s tc o m p u t e ri nt h ea l g o r i t h m o f4 一c h a n n e lr e a l - t i m es c h e d u l i n g n es y s t e mi nt h i sa r t i c l ea d o p t ss o m et e c h n o l o g i e s ， s u c ha sp l l ，t h eh a r d w a r et i m e r , e f f i c i e n td a t as t o r a g e ，a n dr e a l - t i m es c h e d u l i n g a l g o r i t h m 嘶sa r t i c l ee s t a b l i s h e dd i f f e r e n tt e s tm o d e lf o re a c hf u n c t i o nm o d u l e ，a n dd e s i g n t h ec o r r e s p o n d i n gt e s tp l a t f o r mt e s t b a n c h a f t e rv e r i f yt h ef u n c t i o no fe a c hs u b - m o d u l e ， t h i sp a p e rm a k e sal o g i cs y n t h e s i st e s tf o rt h ew h o l es y s t e m i nt h ee x p e r i m e n t sc e n t e r o fi n d u s t r i a lw i r e l e s si s a l0 0 1la , w h i l ec o v e rs o m ew i r e l e s sc o m m u n i c 撕o nn e t w o r k s s u c h 弱w i a - p a ，w i r e l e s 苓s e n s o rn e t w o r k s ，i e e e 8 0 2 15 4 e ，t h i ss y s t e mc a nc a p t u r e t h ed a t ao ff o u rc h a n n e l s ，e x p e f i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h i ss y s t e mh a sr e a l - t i m e ， s t a b i l i t y , r e l i a b i l i t ya n dl o w r a t eo fb i te r r o r sa n ds oo i l k e yw o r d s ：i n d u s t r i a lw i r e l e s s ，t i m es t a m p ，s c h e d u l i n g ，f p g a n 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 2 0 0 8 年1 0 月重庆邮电大学受邀参加了美国( 休斯敦) 国际仪器仪表、阀门、 自动控制展览会，在会上免费展示i s a l 0 0 1 l a 开发成果，其中包括基于a r m 的 全信道抓包器。由于现场网络复杂，数据包数量大，而a r m 是一个串行处理器， 在复杂现场环境中，会发生数据拥塞现象。为了解决这一问题本课题提出了以灵 活的现场可编程门阵列f p g a 为核心的多信道监听系统。 当前的软件调试方式是使用抓包软件p a c k e ts n i f f e r 在1 6 个信道上搜索数据， 采用跳信道的方式，只能同时在一个信道上抓包，无法完成多个信道的同时抓包 技术。并且如果在恶劣的工业现场环境中存在多个信道通信的设备时，将会给设 备调试和监控带来一定的不便。 目前工业领域的无线网络标准有i e e e8 0 2 1 5 4 【l 】，i s a l 0 0 1 l a 2 1 标准， w i r e l e s sh a r t f 3 l 标准、以及w i a - p a n 标准等，这些标准都是使用自然语言描述， 并且涉及很多关键技术，如跳信道技术，调度技术，安全机制等，实现者对于协 议的不同理解会导致不同的协议实现。因此，必须对协议实现方的协议进行严格 的一致性测试，来检测被测协议实现与协议规范的符合程度，这就需要工业无线 的一致性测试系统【8 】。然而工业无线网络的测试系统中，捕捉到所有信道的数据 是测试系统中的必要条件，只有获取到了所有信道的数据，才能对数据进行分析 与测试，检测是否符合协议标准，因此数据包监听系统对工业无线的测试是不可 或缺的装备之一。 随着工艺技术的发展与市场需要，超大规模、高速、低功耗的新型 f p g a c p l d 不断推陈出新。新一代的f p g a 甚至集成了中央处理器r ( c p u ) 或数 字处理器( d s p ) 内核，在一片f p f i a 上进行软硬件协同设计，为实现片上可编程 系统( s o p c ，s y s t e mo np r o g r a m m a b l ec h i p ) 提供了强大的硬件支持。到2 1 世纪 早期，已经可以买到有数百万门容量的高性能f p g a 。这些器件内嵌了微处理器 核、高速输入输出( i o ) 接口和类似的模块。目前f p g a 几乎可以用来实现任 何东西，包括通信设备和由软件定义无线电：雷达、影像和其他数字信号处理 ( d s p ) 的应用等 9 1 。 f p g a 的i o 数量多，采集速度快，可以并行的处理所有信道过来的数据， 这样能保证数据采集的实时性。同时f p g a 内部由一个晶振驱动定时器记录时间 戳，能很大程度的提高它的同步精度。因此针对监听系统对实时性和f p g a 来实 重庆邮电大学硕士论文 现无线多信道数据监听系统是必要的而且是可行的。 1 2 多信道监听系统的发展现状 1 2 1 监听系统国内外现状 基于网络数据捕获【4 】【l l 】和协议分析技术，可以应用在广义上的协议分析仪 ( a n a l y z e r ) 上，之所以这样定义是因为侧重于网络捕获数据捕获和侦听的纯软 件协议分析系统叫做嗅探器( s n i f f e r ) ，而基于硬件或软硬件结合的网络数据捕 获和分析系统叫协议分析仪。但在某些场合他们的分界是模糊的，因为它们在功 能上都能捕获并分析数据。 目前典型的协议分析仪有h p 公司的i n t e r a c ta d v i s o r ( 网络专家系统) 、 f l u k e ( 福禄克公司) 的o p t i v i e w - p e 、w g 公司的d o m m o 系列协议分析仪，n a i 公司出品的n e t w o r ka s s o c i a t e ss n i f f e rp o r t a b l e 等，这类协议分析软件无论在协议 分析软件在数据分析的实时性以及数据流量的产生能力上与硬件实现的协议分 析仪相比仍有差距。还有一些比协议分析仪更高层次的网络性能测试工具，站在 应用层的角度使用一些基准流量和对网络系统的性能进行分析，代表性的软件是 g a n y m e d es o f t w a r e 公司的c h a r i o t 软件【5 1 1 6 1 1 7 1 。另外还有一类软件就是用于网络 系统规划验证的网络系统模拟环境，国外已有一些这样的软件能对用典型的网络 技术或它们的组合构建的较大型的网络系统进行模拟，但往往价格十分昂贵。 在网络协议分析的研究与开发方面，虽然国内外已有一系列协议分析系统， 但是这些都是针对有线或者某一个无线通信技术的协议分析方法和设备。到目前 为止，还没有一个专门针对i e e e 8 0 2 1 5 4 工业无线的协议分析设备，无线网络 协议分析的研究与开发工作还处于探索阶段。国内外针对无线的协议分析方法与 技术还不成熟，面临着许多基础问题和难题需要解决。 1 2 2 现场可编程门阵列( f p g a ) f p g a 是英文f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y 的缩写，即现场可编程门阵列， 它是p a l 、g a l 、c p l d 等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专 用集成电路( a s i c ) 领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不 足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。它是当今数字系统设计的主 要硬件平台，其主要特点就是完全由用户通过软件进行配置和编程，从而完成某 种特定的功能，且可以反复擦写。在修改和升级时，不需额外地改变p c b 电路 2 第一章绪论 板，只是在计算机上修改和更新程序，使硬件设计工作成为软件开发工作，缩短 了系统设计的周期，提高了实现的灵活性并降低了成本，因此获得了广大硬件工 程师的青睐【1 0 1 【1 2 j 【1 3 l 。 可编程逻辑器件的发展可以划分为4 个阶段，即从2 0 世纪7 0 年代初到7 0 年代中为1 阶段，2 0 世纪7 0 年代中到8 0 年代中为第2 阶段，2 0 世纪8 0 年代到 9 0 年代末为第3 阶段，2 0 世纪9 0 年代末到目前为止为第4 个阶段。 第1 阶段的可编程器件只有简单的可编程只读存储器( p r o m ) 、紫外线可 擦除只读存储器( e p r o m ) 和电可擦只读存储器( e e p r o m ) 3 种，由于结构 的限制，它们只能完成简单的数字逻辑功能。 第2 阶段出现了结构上稍微复杂的可编程阵列逻辑( p a l ) 和通用阵列逻辑 ( g a l ) 器件，正式被称为p l d ，能够完成各种逻辑运算功能。 第3 阶段a l t e r a 和赛灵思x i l i n x 分别推出了与标准门阵列类似的f p g a 和类 似于p a l 结构的扩展性c p l d ，提高了逻辑运算的速度，具有体系结构和逻辑单 元灵活、集成度高以及适用范围宽等特点，兼容了p l d 和通用门阵列的优点， 能够实现超大规模的电路，编程方式也很灵活。这一阶段，c p l d 、f p g a 器件 在制造工艺和产品性能都获得长足的发展。 。第4 阶段出现了s o p c 和s o c 技术，是p l d 和a s i c 技术融合的结果，涵 ：盖了实时化数字信号处理技术、高速数据收发器、复杂计算以及嵌入式系统设计 i 技术的全部内容。这一阶段的逻辑器件内嵌了硬核高速乘法器、差分串行接口、 摹时钟频率高达5 0 0 m h z 的微处理器、软核、n i o s 以及n i o s l l 0 4 1 ，不仅实现了软 件需求和硬件设计的完美结合，还实现了高速与灵活性的完美结合，使其已超越 了a s i c 器件的性能和规模。 未来f p g a 将集成更大的存储单元和其他功能器件，f p g a 正向超级系统芯 片的方向发展，相信f p g a 的应用会得到更大的发展。 一般来说，完整的f p g a c p l d 设计流程包括电路设计与输入、功能仿真、 综合、综合后仿真、实现、布线后仿真与验证、板级仿真验证与调试等主要步骤， 如图1 1 所示。 3 重庆邮电大学硕士论文 图1 1 完整的f p g a 设计沉程 电路设计与输入 电路设计与输入是指通过某种规范的描述方式，将工程师电路构思输入给 e d a 工具。目前进行大型工程设计时，最常用的设计方法是h d l 设计输入方法， 其中影响最为广泛的h d l 语言是v h d l 和v e r i l o gh d l 。它们的共同特点是利 于由顶向下设计，利于模块的划分与复用，可移植性好，通用性好，设计不因芯 片的工艺与结构的不同而变化，更利于向a s i c 的。 功能仿真 电路设计完成后，要用专门的仿真工具对设计进行功能仿真，验证电路功能 是否符合设计要求。功能仿真有时也被称为前仿真。通过仿真能及时发现设计中 的错误，加快设计进度，提高设计的可靠性。常用的仿真工具是m o d e lt e c h 公 司的m o d e l s i m ，s y n o p s y s 公司的v c s 等。 4 第一章绪论 综合优化 综合优化是将h d l 语言翻译成有与、或、非门，r a m ，触发器等基本逻辑 单元组成的逻辑连接( 网表) ，并根据目标要求( 约束条件) 优化所生成的逻辑 连接，输出e d f 和e d n 等标准格式的网表文件，供f p g a 厂家的布局布线器进行 实现。常用的专业综合优化工具有s y n p l i c i t y 公司的s y n p l i f y s y n p l i f yp r o 等。另 外，f p g a 厂商的集成开发环境也自带综合工具。 综合后仿真 综合后仿真是检查综合结果是否与原设计一致。在仿真时，把综合生成的标 准延时文件反标注到综合仿真模型中去，可估计门延时带来的影响。综合后仿真 虽然比功能仿真精确一些，但是只能估计门延时，不能估计线延时。对于一般性 设计，如果设计者确信自己表达明确，没有综合歧义发生则可以省略综合后仿真。 实现与布局布线 使用f p g a 厂商提供的软件工具，根据所选芯片的型号，将综合输出的逻辑 网表适配到具体f p g a 器件上，这个过程叫实现。实现最主要的过程是布局布线： 布局是指将逻辑网表中的硬件原语或者底层单元合理地适配到f p g a 内部的固 有硬件结构上；布线是指根据布局的拓扑结构，利用f p g a 内部的各种连线资源， 合理连接各个元件的过程。 时序仿真与验证 将布局布线的时延信息反标注到设计网表中，所进行的仿真就叫时序仿真或 布局布线后仿真，简称后仿真。布局布线之后的生成的仿真时延文件不仅包含门 延时，还包括实际布线延时。一般来说布局后仿真步骤必须进行，通过布局布线 后仿真能检查设计时序与f p g a 实际运行情况是否一致，确保设计的可靠性和稳 定性。 板级仿真与验证 在有些高速设计情况下还需要使用第三方的板级验证工具进行仿真和验证。 调试与加载配置 设计开发的最后步骤就是在线调试或者将生成的配置文件写入芯片中进行 测试。示波器和逻辑分析仪是逻辑设计的主要调试工具。但对于相对简单一些的 设计，使用q u a r t u si i 【1 5 】【1 6 】内嵌的s i g n a l t a p 对设计进行在线逻辑分析。 介绍了完整的f p g a 通用设计流程，这里我们强调一下f p g a 系统的设计规 划流程如图1 2 所示。 重庆邮电大学硕士论文 图1 2 系统规划的简化流程 对设计的整体意义上的模块复用应该在系统功能定义后就初步考虑，并对模 块的划分起指导性作用。模块划分非常重要，除了关系到是否最大程度上发挥项 目成员的协同设计能力，而且直接决定着设计的综合、实现效果和相关的操作时 间。 模块化设计是系统原则的一个很好的体现，它不仅是一种设计工具，它更是 一种设计思路、设计方法，它是由顶向下、模块划分，分工协作设计思路的集中 体现，是当代大型复杂系统推荐设计方法。模块划分后然后单独设计和优化每个 模块，最后将每个模块融合到顶层设计中，从而实现了团队协作、并行设计的模 6 第一章绪论 块化优化设计方法。合理地使用这些方法，能在最大程度上继承以往设计成果， 并行分工协作，有效利用开发资源，缩短开发周期。 本研究课题就是利用f p g a 的f o 数量多，传输速率高的优势来实现4 个信 道数据同时接入。f p g a 内部只有一个晶振，4 个信道数据时间戳的时间源都以 一个时钟晶振为准，这样就避免了因晶振偏移而产生的误差。 1 2 3 监听系统的应用 工业无线一致性测试 工业无线协议一致性测试系统针对工业无线协议特点和要求，能够根据测试 案例自动制定和构建相应模拟测试环境，以便有效、全面检测测试案例的实现效 果。此外，该测试系统能够利用智能测试分析仪中的全信道数据捕获控制模块获 取测试环境中所有信道上的实时数据，结合测试代理返回的数据和结果，依据智 能分析与预测评估等技术，提供测试结果及测试报告信息，并分析导致测试未通 过的原因。测试系统结构图如图1 3 所示。 被测设备 被测试 代理 ( u t a ) 被测协 议实现 ( i i j t ) 图1 3 测试系统结构图 工业无线协议一致性测试方法及测试系统包括，人机接口模块、智能测试分 析仪、一致性测试模块，人机接口模块导入需要被测试设备的协议实现一致性说 7 重庆邮电大学硕士论文 明p i c s 文件和协议实现附加说明p i x i t 文件；智能测试分析仪采用多个独立的 无线数据采集模块实时监听网络信道中所有频点，每个无线数据采集模块分别监 听一个独立信道，获得无线网络中的所有数据并进行处理，将处理后数据发送到 一致性测试模块，一致性测试模块根据被测试设备的协议实现一致性说明文件和 协议实现附加说明文件确定协议的实现声明对其进行测试。 全信道数据捕获控制模块控制并确定哪个无线数据采集模块对无线信道进 行数据捕获，监听的信道中有数据到来时，无线数据采集模块立即产生一个同步 中断，记录接收到数据的时间，在获取的数据包的包头添加时间戳、信道戳。数 据处理模块对捕获数据的数据包头信息和长度信息进行处理，丢弃无效和损坏数 据包。无线数据采集模块对无线信道进行数据捕获中各模块同步。 本文无线多信道监听系统实现了全信道数据捕获控制模块中的任意4 个信 道数据的实时监听，本系统具有实时性、稳定性、可靠性和误码率低等性能。 i e e e 8 0 2 1 5 4 本课题的研究是面向i e e e 8 0 2 1 5 4 规范内的2 4 5 0 m h z 频段内的1 6 个信道， 频率和信道分布如图1 4 所示。本文设计的无线多信道监听系统可以对2 4 5 0 m h z 频段内的1 6 个信道中的任意4 个信道的数据进行数据处理和分析。 8 0 2 。4 5 ( c h a n r 潮 4 孱恳悬扇露邕庶扁恩盛垂受垒& 舀险 ii 卜一- 2 2m h z - - - , - - h il 2 4 0 0 阱眨2 舱5 m 嗽2 4 m 2 4 7 5 姗i z 图1 4 频率和信道分布 i e e e8 0 2 1 5 4 包括用于低速无线个域网( u o w p a n ) 的物理层和媒介访问 控制子层两个规范。它能支持消耗功率最少，一般在个人活动空间( 1 0 m 直径或 更小) 工作的简单设备。支持两种网络拓扑，即单跳星状或当通信线路超过1 0 m 时的多跳对等拓扑，但是对等拓扑的逻辑结构由网络层定义。l r w p a n 中的设 备既可以使用6 4 位i e e e 地址，也可以使用在关联过程中指配的1 6 位短地址。 一个i e e e8 0 2 1 5 4 网络最多可以容纳2 1 6 个设备。 由于i e e e8 0 2 1 5 4 标准的优越性，已经被i s a l 0 0 1l a 、w i r e l e s sh a r t 、 w i a p a 等标准采用为底层的可选标准。 i e e e8 0 2 1 5 4 的主要特点如下： 3 第一章绪论 1 ) 工作频段和数据速率 i e e e8 0 2 1 5 4 工作在工业科学医疗( i s m ) 频段，定义了两个物理层，即 2 4 g h z 频段物理层和8 6 8 915 m h z 频段物理层。免许可证的2 4 g h zi s m 频段全 世界都有，而8 6 8 m h z 和9 1 5 m h z 的i s m 频段分别只在欧洲和北美有。在i e e e 8 0 2 1 5 4 中，总共分配了2 7 个具有三种速率的信道：在2 4 g h z 频段有1 6 个速 率为2 5 0 k b p s 的信道，在9 1 5m h z 频段有1 0 个4 0 k b p s 的信道，在8 6 8m h z 频 段有1 个2 0 k b p s 的信道。i s m 频段全球都有的特点不仅免除了i e e e8 0 2 1 5 4 设 备的频率许可要求，而且还给许多公司提供了开发可以工作在世界任何地方的标 准化产品的难得机会，这将减少投资者的风险，与专门解决方案相比可以明显降 低产品成本。在保持简单性的同时，i e e e8 0 2 1 5 4 还试图提供设计上的灵活性， 一个i e e e8 0 2 1 5 4 网络可以根据可用性、拥挤状况和数据速率在2 7 个信道中选 择一个工作信道。从能量和成本效率来看，不同的数据速率能为不同的应用提供 较好的选择，例如，对于有些计算机外围设备与互动式玩具，可能需要2 5 0 k b p s ， 而对于其他许多应用，如各种传感器、智能标记和家用电器等，2 0 k b p s 这样的 低速率就能满足要求。 ! 。2 ) 支持简单设备 i e e e8 0 2 1 5 4 低速率、低功耗和短距离传输的特点使它非常适宜支持简单 设备。在i e e e8 0 2 1 5 4 中定义了1 4 个物理层基本参数和3 5 个媒介访问控制层 基本参数，总共为4 9 个，仅为蓝牙标准参数的三分之一，这使它非常适用于存 储能力和计算能力有限的简单设备。在i e e e8 0 2 1 5 4 中定义了两种设备：全功 能设备( f f d ) 和简化功能设备( i 江d ) 。对于全功能设备，要求它支持所有的 4 9 个基本参数；而对于简化功能设备，在最小配置时只要求它支持3 8 个基本参 数。一个全功能设备可以与简化功能设备或其他全功能设备通话，可以按三种方 式工作，即个域网协调器、路由器或设备。而简化功能设备只能与全功能设备通 话，仅用于非常简单的应用。 3 ) 信标方式和超帧结构 i e e e8 0 2 1 5 4 网络可以工作于信标使能方式或非信标使能方式。在信标使 能方式中，协调器定期广播信标帧，以达到相关设备同步及其他目的。在非信标 使能方式中，协调器不定期广播信标，而是在设备请求信标时才向它单播信标帧。 在信标使能方式中使用超帧结构，超帧结构的格式由协调器来定义，一般包括活 跃部分和任选的非活跃部分。 4 ) 数据传输和低功耗 9 重庆邮电大学硕士论文 i e e e8 0 2 1 5 4 网络有三种不同的数据转移：从设备到协调器、从协调器到 设备、在对等网络中从一方到另一方。为了突出低功耗的特点，把数据传输分为 以下三种方式： 曲直接数据传输：这适用于以上所有三种数据转移。采用非时隙c s m a c a ( 载波检测多址接入碰撞避免) 或时隙的c s m a c a 的数据传输方法， 这与非信标使能方式还是信标使能方式有关。 b ) 间接数据传输：这仅适用于从协调器到设备的数据转移。在这种方式中， 数据帧由协调器保存在事务处理列表中，等待相应的设备来提取。通过 检查来自协调器的信标帧，设备就能发现在事务处理列表中是否挂有一 个属于它的数据分组。有时，在非信标使能方式中也可能发生间接数据 传输。在数据提取过程中也使用时隙c s m a c a 或非时隙c s m a c a 。 c ) 有保障时隙( g t s ) 数据传输：这仅适用于设备与其协调器之间的数据 转移，既可以从设备到协调器，也可以从协调器到设备。在g t s 数据 传输中不需要c s m c a 。 低功耗是i e e e8 0 2 1 5 4 最重要的特点。因为对电池供电的简单设备而言， 更换电池的花费往往比设备本身的成本还要高。在有些应用中，更换电池不仅麻 烦，而且实际上是不可行的，例如嵌在汽车轮胎中的气压传感器或高密度布设的 大规模传感器网。因此在i e e e8 0 2 1 5 4 的数据传输过程中引入了几种延长设备 电池寿命或节省功率的机制，多数机制是基于信标使能的方式，主要是限制设备 或协调器的发射机开通时间，或者在无数据传输时使它们处于休眠状态。 5 ) 安全性 安全性是i e e e8 0 2 1 5 4 的另一个重要问题。为了提高灵活性和支持简单设 备，i e e e8 0 2 1 5 4 在数据传输中提供了三级安全性。第一级实际是无安全性方 式，对于某种应用，如果安全性并不重要或者上层已经提供足够的安全保护，设 备就可以选择这种方式来转移数据。第二级安全性，设备可以使用接入控制清单 ( a c l ) 来防止非法设备获取数据，在这一级不采取加密措施。第三级安全性在 数据转移中采用属于高级加密标准( a e s ) 的对称密码。a e s 可以用来保护数据 净荷和防止攻击者冒充合法设备，但它不能防止攻击者在通信双方交换密钥时通 过窃听来截取对称密钥。为了防止这种攻击，可以采用公钥加密。 6 ) 自配置 i e e e8 0 2 1 5 4 在媒介访问控制层中加入了关联和分离功能，以达到支持自 配置的目的。自配置不仅能自动建立起一个星形网，而且还允许创建自配置的对 等网，在关联过程中可以实现各种配置，例如为个域网选择信道和识别符( i d ) ， 为设备指配1 6 位短地址，设定电池寿命延长选项等。 1 0 第一章绪论 1 3 研究内容及论文结构 1 3 1 研究的主要内容 本文围绕基于f p g a 的无线监听系统的设计，重点进行了这方面的工作： 分析国内外最新的无线监听技术，在此基础上深入地研究了基于f p g a 的多信道监听系统的数据的采集，信道值的添加： 对f p g a 时序问题进行了深入的研究，针对不同的时钟域的问题，提出不 同的解决方案，其中包括同步器的设计，异步f i f o ，握手协议等等； 定时器的设计，保证时间戳信号能及时有效的采集，并触发定时器中断 记录数据时间戳。 高速缓存的设计，4 个信道的数据能及时有效的缓存在f p g a 内部，等待 信道调度器的统一调度。 同时还研究了多信道数据的调度算法。调度算法所考虑到的是如何来调 度4 个信道的数据，使之按序的高效的传递给上位机。 ? 通过设计相应的测试平台t e s t b e n c h ，对各个模块进行了功能测试和验证， 最后对整个监听系统进行了综合仿真和验证，并对结果进行了深入分析。 1 3 2 论文的内容安排 本论文一共分为五章，各章内容安排如下： 第一章“绪论 ，首先阐述了本课题研究的目的和意义，对多信道监听系统 的发展现状进行了概述，接着简单介绍了现场可编程门阵列( f p g a ) 和监听系 统的应用，最后总结了本文的主要工作及论文内容安排。 第二章“监听系统总体设计”，给出了监听系统的总体设计方案，包括各个 模块之间的信号传递，f p g a 芯片与无线终端设备、与上位机之间的传输接口， 最后介绍了监听系统的软硬件开发环境和相关的辅助设备。 第三章“监听系统各模块的f p g a 实现 ，对监听系统的各个模块进行了结 构和功能设计，并实现了各个模块。 第四章“测试与验证，为各个功能模块建立不同的测试模型，并设计了相 应的测试平台( t e s t b e n c h ) 。在验证了各个模块功能的基础上，对整个系统进行了 逻辑综合测试。 第五章“结论与展望 ，进行了全文总结，并指出了本次设计中存在的不足 和需要进一步研究及完善的地方，为后继的研究工作指明了方向。 重庆邮电大学硕士论文 2 1 总体方案 第二章监听系统总体设计 多信道无线监听系统方案分为无线射频终端c c 2 4 3 0 和可编程门阵列f p g a 两个部分，其中在f p g a 中记录数据报文的时间和信道值以供测试软件分析。无 线射频终端c c 2 4 3 0 捕获基于i e e e 8 0 2 1 5 4 的各个信道的数据报文，并且将捕获 的数据迅速通过串口发送给f p g a 。可编程门阵列f p g a 采用并行的接收数据方 式来处理来自每个射频终端c c 2 4 3 0 的数据，同时记录当前的时间戳和每个射频 终端的信道值，然后分别存储来自各个信道数据报文，最后使用串口将存储的数 据通过调度的方式串口转发给上位机的协议测试软件进行协议分析。多信道无线 监听系统方案如图2 1 所示。 f p g a 调 + 圉 度 算 法 图2 1 系统结构图 在整个系统中，无线射频终端c c 2 4 3 0 不断的捕获基于i e e e 8 0 2 1 5 4 的数据 报文，它不需要记录时间，只要将报文转发给f p g a ，因此无线射频芯片的接收 机总处于打开状态，以保证系统能捕获每个数据报文。在f p g a 中使用高速i o 口来接收来自射频芯片的数据，这样达到了并行处理数据的要求，防止数据在处 理器的发生拥塞。为了准确记录当前数据报文的时间，特别在工业无线系统中需 要区别各个信道的数据报文先后顺序，因此需要工业系统中数据报文精确的相对 时间。本系统中的每个射频芯片c c 2 4 3 0 都有时钟晶振，如果在c c 2 4 3 0 中记录 时间，则受到恶劣环境的影响，并不能准确的记录系统的时间，然而采用f p g a 处理器中记录时间戳，共用一个晶振，这样相对时间就更加精确。上位机不能使 用并行接口来接收各个信道上的报文，因此在f p g a 中首先使用高速存储的方法 将数据报文暂时存储，然后通过调度算法转发各个信道的报文，这样上位机就能 快速有序的接收各个信道的数据。 多信道的监听系统总体方案是基于f p g a 和c c 2 4 3 0 处理器，c c 2 4 3 0 处理 器只需要捕获无线数据报文，f p g a 来处理各个信道的数据的报文，f p g a 的内 部实现具体方法如图2 2 所示。 1 2 第二章监听系统总体设计 图2 2 监听系统整体设计框架图 由图2 2 可知：f p g a 数据处理系统总共分为6 个模块：时钟信号产生模块， 接收模块，定时器，发送模块，异步f i f o ( f i r s tl n p u tf i r s to u t p u t ) ( 分为f i f ot i m e 和f i f od a t a ) ，和调度算法模块。 监听系统的整体设计输入有主时钟信号i n c l k ，每个射频终端的串行数据输 入s dd a t a ，当然还有系统复位信号r e s e t ( 该信号在图中省略) 。监听系统的整体 设计输出有串口输出信号d o u ts r l ，e n dw f u l l 信号和e n dr e m p t y 信号。e n dw f u l l 信号是将f i f od a t a 和f i f ot i m e 的满标志信号进行线性连接而产生，e n dr e m p t y 信号是将f i f od a t a 和f i f ot i m e 的空标志信号进行线性连接而产生，为清晰可 见这两个信号在下图中省略。各个模块实现方法如下所示： 时钟信号产生模块：主时钟i n c l k 在经过p l l 锁相环的倍频产生两个时钟信 号c o 和c 1 ，接着将产生c o 和c 1 经过波特率发生器分频出系统所需要的写时 钟信号w c l k 和读时钟信号r c l k ，同时主时钟i n e l k 直接经过波特率发生器分频出 定时器所需要的时钟信号e l ko u t 。 接收模块：无线射频终端c c 2 4 3 0 通过天线将无线信号转换为有线信号然后 通过串口传给f p g a ，监听系统中接收模块通过i o 模拟串口接收到串行s r ld a t a ， 进行串并转换，起始字节和结束字节的判断等等一系列处理后，产生时间戳触发 重庆邮电大学硕士论文 信号t i m e t r i g g e r ，f i f od a t a 的写使能信号w r e q 和写入的8 位数据wd a t a l ，同 时产生检测到起始字节和结束字节的使能信号s e n de n 和f i n i s he r l 供调度算法模 块进行调度。 异步h f o 分为存储器f i f ot i m e 和存储器f i f o 模块发送的g 位数据和定甜囊模瑛爱篷萌量8 4 厶圬：。：j 两举彝步存储嘉的鬣 写使能单独控制，f i f o d a t a 的读使能由发送模块控制，f i f ot i m e 的读使能由 定时器模块控制，写使能则都由发送模块来控制，使整个数据包能高速有序的完 成发送。 定时器模块主要包括同步器模块s y n c h r o n o u s 和硬件定时器t i m e ，同步器模 块主要是对异步信号时间戳使能进行同步，定时器则是完成记录时间戳的功能， 收到同步器模块的时间戳发使能信号，则触发定时器一个中断记录下定时器的当 时的时间值，时间戳采用6 4 位数据来记录。 发送模块主要完成数据的整包发送，包括起始字节、时间戳、信道号、接收 到的整包数据以及结束字节，有序的以串口的格式发送给上位机。输入的信号不 仅包括f i f o 中的数据，还有调度算法的发送使能信号c h a n n e le l l 和接收模块的 c o u n t e rf i n i s he n d 信号。 调度算法模块完成对4 个信道的调度，按时按序的发送信道的数据。包括算 法模块和选通模块。调度算法的输入来自接收模块的起始字节有效使能信号 s e n de i l 和结束字节有效使能信号f i n i s he l l ，还包括来自发送字节的发送整包结 束使能信号f i n i s hp a c k e t 。选通模块则是对信道进行选通，即将各个模块发送的 数据连接到主输出接口d o u t s r l ，选通模块的输入来自调度算法模块的信道使能 信号c h a n n el 。 一 整个监听的系统设计是每个信道单独工作，通过调度算法将它们融合起来， 同时通过选通模块将数据通过r s 2 3 2 串口上传给上位机，供上层软件对数据的 协议解析和判断。图中接收模块，定时器，同步器，f i f ot i m e ，f i f od a t a 和发 送模块都有4 个模块，而调度算法和选通模块是同一个模块。每个信道的使能信 号都接入调度算法，每个信道输出的串行数据接入选通模快，由选通模块进行选 通信道后将最后的输出上传给上位机。 2 2 系统平台介绍 2 2 1 硬件平台 根据本课题提出的系统设计方案，系统的硬件结构如图2 3 所示，本系统的 1 4 第二章监听系统总体设计 硬件结构主要由f p g a 芯片和无线射频芯片组成，其中为f p g a 处理器是来自 a l t e r a 公司的e p 2 c 2 0 f 4 8 4 c 7 n 1 7 】芯片，它主要用来接收、存储和转发各个信 道的数据报文，其中无线射频芯片是c c 2 4 3 0 处理器，它主要用来捕获各个信道 的数据，为了满足要求，本系统捕获基于i e e e 8 0 2 1 5 4 的任意4 个信道的数据。 e p 2 c 2 0 f 4 8 4 c 7 n ( f p g a ) t k d c ( 处 c ( 处 c ( 处 c c 2 4 3 0 处理器 电源管理模块 复位电路 调试接口 天翟印f 配 电路 图2 3 系统硬件结构图 f p g a 开发板采用a l t e r a 公司的基于s t r a t i xi i 的9 0 n m