具有微硬碟及數據同步能力的無線傳感器網絡測試節點的製作方法
2023-05-27 07:24:36
專利名稱：具有微硬碟及數據同步能力的無線傳感器網絡測試節點的製作方法
技術領域：
本發明屬於感知與測控技術領域，涉及一種具有微硬碟及異步時鐘數據同步能力的無線網絡測試節點。
背景技術：
測試數據的可靠採集與大數據量存儲是分布式測試領域中最為關注的一個問題。常用的分布式測試方法有有線測試法、存儲測試法以及無線測試法。由於外接信號線的存在，測試傳感器的安裝極為不便。同時，噪聲信號容易通過信號線幹擾有用信號而降低測試精度。在安裝空間狹小以及有相對運動的測試應用中，測試設備的安裝和設計都不方便，試驗時，還可能帶來安全隱患。通常，測試設備的成本也相對較高。傳統的存儲測試設備需要將測試裝置安裝在測試部位，必須等測試流程結束後， 將測試裝置拆除下來方可獲得數據。在測試周期較長、測試的項目繁多、測試點多的應用中，採用存儲測試手段不能在測試過程中在線獲取測試數據，只能拆下裝置後才能知道測試結果，往往導致測試結果不理想時不得不再次進行實驗，造成大量的人力物力浪費。無線測試法中遙測法主要基於點對點測試，不能同時獲得多個測試點的數據信息。存儲測試技術和遙測技術都不能做到多個測試點間的同步協作。在測試數據時間基準不統一的情況下，無法建立被測信號的場信息。基於無線傳感器網絡的無線測試法可以實現多點分布式測試，但受節點資源限制，傳統的無線傳感器測試節點數據採集與存儲能力不足，無法滿足高採樣率的應用需求。 網絡內節點一般採用「採樣-發送」的工作模式，當網絡發生意外時無法保證測試數據的及時可靠收集與回收，且無法保證測試數據的校驗，為試驗結果分析以及信息場的重建帶來不確定因素。
發明內容
針對現有無線傳感器網絡測試技術中測試數據不能被長時間高速採集、大容量存儲以及校驗的問題，本發明提供了一種具有微硬碟及數據同步能力的無線傳感器網絡測試節點，可實現大容量無線測試數據的高速採集以及實時可靠存儲和回傳。本發明所述的無線傳感器網絡測試節點包括傳感器模塊、AD轉換模塊、微硬碟控制器、無線通訊模塊和電源管理模塊；微硬碟控制器包括採樣控制器模塊、異步FIFO緩存、 文件系統、讀控制器、寫控制器、底層驅動以及存儲介質；傳感器模塊與AD轉換模塊連接， AD轉換器模塊與微硬碟控制器中的採樣控制器模塊相連，採樣控制器模塊與異步FIFO緩存相連，異步FIFO緩存與寫控制器相連，寫控制器與文件系統相連，文件系統同時與底層驅動以及讀控制器相連，讀控制器與外部的無線通訊模塊相連；其中傳感器模塊將測得的信息傳送給AD轉換模塊，AD轉換模塊將信號進行調理、轉換後將數據送至微硬碟控制器中的採樣控制器模塊，採樣控制器模塊控制AD轉換模塊將測試數據傳輸至異步FIFO緩存，當異步FIFO緩存寫滿後，通過寫控制器將數據從異步FIFO中讀出，在文件系統的支持下以文件的形式寫入存儲介質中；當無線通訊模塊需要讀取數據時，通過讀控制器將數據從存儲介質中讀出並無線發送。所述的文件系統通過Nios II I/O控制模塊將通用的fatfs文件系統移植到Nios II軟核中，實現文件的生成、讀寫以及關閉的中間層操作。所述存儲介質的設備驅動程序包括以下庫函數=MicroSD卡復位、MicroSD卡初識化、MicroSD數據寫入、MicroSD數據讀取以及MicroSD基本信息提取庫函數；上述庫函數結合Nios II I/O控制模塊實現對FPGA I/O接口的操作，最終實現設備驅動程序的功能； MicroSD卡復位函數與初始化函數在節點上電之後進行復位與初始化操作，工作在400KHz 頻率時鐘下；完成初始化操作之後，MicroSD卡工作時鐘提升到20MHz，根據應用層函數的需要，調用MicorSD卡的數據寫入、讀取函數實現數據的高速讀寫。本發明的有益效果本發明所述的無線傳感器網絡測試節點的特點是可以實現測試過程中異步時鐘條件下的「高速採樣-數據文件管理-微硬碟讀寫-無線傳輸」數據流同步。
圖1是本發明的具備微硬碟及異步時鐘數據流同步能力的無線傳感器網絡測試節點組成框圖；圖2是異步時鐘條件下數據流同步結構示意圖；圖3是微硬碟數據管理的軟體結構；圖4是MicroSD卡的設備驅動結構圖；圖5是本發明所構成的測試系統的框架圖。
具體實施例方式下面根據附圖，作進一步更詳細的說明，本發明的附圖僅是示意性說明，並無限制的意圖。其中異步時鐘條件是指FPGA內部的集成的各功能模塊需要不同頻率時鐘驅動的情況。所指的數據流不同步是指在此條件下，各模塊之間會由於的數據吞吐量不一致產生的數據丟失以及擁塞。以本文所述的無線測試節點的一種工作頻率為例(僅為示意頻率，具體頻率值可變)，FPGA自身使用20MHz晶振驅動，AD採樣控制器使用2. 5MHz晶振驅動， Nios II軟核使用50MHz驅動，系統SDRAM需要與Nios II相同頻率但相位不同的時鐘驅動， MicroSD卡在初始化時需要400KHz以下的時鐘，之後為保證高速讀寫需要上調到20MHz。在此條件下，AD模塊採用硬體描述語言實現，其每秒鐘產生的數據是可計算的；而Mos II軟核中加載的文件系統以及硬體驅動等功能由C語言實現，其每秒的數據吞吐量無法精確計算；數據存儲介質(MicroSD卡)的讀寫操作是以塊(512位元組)為單位實現，其讀寫速度在時間域內呈現不均勻的特點。所述的異步時鐘條件下數據流同步，是指在FPGA片內工作在不同時鐘域的功能模塊之間實現數據傳輸速率的匹配，確保某一功能模塊產生的數據可以被下一個功能模塊完全接收。以本測試節點為例，使用異步時鐘數據流同步機制可以實現測試過程中的跨時鐘域數據速率匹配，實現「高速採樣-數據文件管理-微硬碟讀寫-無線傳輸」過程中的數據流同步。圖1中所示為本發明的無線傳感器網絡測試節點。所述的無線傳感器網絡測試節點包括傳感器模塊、AD轉換模塊、微硬碟控制模塊、無線通訊模塊和電源管理模塊。傳感器模塊測得的信息經過信號調理後輸入到AD轉換模塊中的AD轉換晶片，由微硬碟控制模塊中的採樣控制器控制AD將模擬信號轉換成數位訊號，該數位訊號經過異步FIFO緩存後送到MOS II軟核中，由NIOS II軟核控制將該數位訊號以文件的形式寫入MicroSD卡中；同時微硬碟控制模塊與無線通訊模塊相連，當通訊模塊收到外部網關的控制指令時，對其進行響應，並控制微硬碟控制模塊完成相應的操作。圖2所示數據流同步示意圖。其中的各信號代表含義如下E0C信號是AD晶片模擬/數位訊號轉換結束的指示信號，AD_RD信號是讀取AD晶片中轉換完成數據的控制信號， FIF0_WR_ENABLE是異步FIFO緩存的允許寫入使能信號，FIF0_WR是異步FIFO緩存的寫入控制信號，FIF0_RD_ENABLE是異步FIFO緩存的允許讀取使能信號，FIF0_RD是異步FIFO緩存的讀取控制信號。FIFO 「半滿」是指寫入的數據達到FIFO存儲深度的一半。系統工作在三個時鐘域中。以節點的一種工作頻率為例(僅為示意頻率，具體頻率值可變)，AD採樣控制器工作在2. 5MHz時鐘域中；Nios II軟核工作在50MHz時鐘域中；異步FIFO緩存的寫操作部分與AD採樣控制器相連，工作在2. 5MHz時鐘域中，讀操作部分與NiosII軟核相連，工作在50MHz時鐘域中；MicroSD卡的文件讀寫頂層操作受Nios II軟核控制，工作在50MHz 時鐘域中；MicroSD卡的讀寫底層驅動時鐘由Nios II軟核控制，先工作在400KHz時鐘頻率下，之後由20MHz的時鐘驅動，工作在20MHz的時鐘域中。異步時鐘數據流同步機制的流程為一方面，AD採樣控制器啟動採樣，當EOC信號與AD_RD信號同時為1是，表示一次採樣結束，可讀取產生的數據；隨後將FIF0_WR_ENABLE與FIF0_WR同時置1，將讀取的數據寫入異步FIFO中；之後進入「採樣-讀取-寫入」循環，在2. 5MHz時鐘的驅動下，每秒鐘約有 2Mbytes的數據被持續寫入FIFO中。另一方面，Nios II軟核每當檢測到異步FIFO的寫入 「半滿」信號後，一次讀取512位元組的數據存入軟體緩存中，準備將其寫入MicroSD卡中，在 50MHZ時鐘的驅動下，Nios II軟核讀取數據的速度大於2Mbytes/s，因此，異步FIFO不會由於寫入速度大於讀取速度被寫滿而導致數據丟失。在MicroSD卡準備寫入數據時，需要調用其底層驅動程序實現數據的寫入，執行此任務時，MicroSD卡由20MHz的時鐘驅動，在SPI 模式工作模式下，結合圖3所示的微硬碟數據管理結構，其峰值寫入速度大於2MbyteS/S， 可以保證Nios II軟核讀入的數據不丟失的寫入MicroSD卡中。綜上可得，異步時鐘數據流同步機制確保了數據流傳輸過程中兩次數據同步，第一次數據同步通過異步FIFO實現， 確保AD採樣的數據可以可靠的送入Nios II軟核中；第二次數據同步通過Nios II的軟體緩存結合微硬碟數據管理結構實現數據在MicroSD卡中的高速寫操作，確保Mos II軟核讀入的數據不丟失的寫入MicroSD卡中。圖3所示為微硬碟數據管理的軟體結構。此結構確保MicroSD卡在文件系統的支持下可以保持大於2MbyteS/S的峰值寫入速度。數據管理軟體結構有四部分構成，自下而上分別為Nios II I/O控制、diskio硬體驅動層、fatfs文件管理系統以及應用層程序。 Nios II I/O控制通過Nios II軟核執行硬體驅動層的基本指令，對FPGA的I/O 口進行直接操作。Diskio底層硬體驅動實現MicroSD卡的與硬體相關聯的讀寫操作，如圖4所示。Fatfs文件系統調用diskio層的驅動函數，提供文件生成、讀寫、關閉等中間層操作的實現。該文件系統的輕量級操作特徵可以保證數據的高速讀寫操作。頂層的應用層程序調用 fatfs文件層提供的中間函數，實現文件的創建、讀寫、關閉等操作。圖4為MicroSD卡的設備驅動結構圖。MicroSD卡的設備驅動程序包括以下庫函數MicroSD卡復位、MicroSD卡初識化、MicroSD數據寫入、MicroSD數據讀取以及MicroSD 基本信息提取庫函數。上述庫函數結合Nios II I/O控制模塊實現對FPGA I/O接口的操作，最終實現設備驅動程序的功能。MicroSD卡復位函數與初始化函數在節點上電之後進行復位與初始化操作，工作在400KHz頻率時鐘下。完成初始化操作之後，MicroSD卡工作時鐘提升到20MHz，根據應用層函數的設計需要，調用MicorSD卡的數據寫入、讀取函數實現數據的高速讀寫。MicroSD基本信息提取函數可以提取卡的基本信息，如MicroSD卡的容量、 版本號等信息。圖5中所示為本發明可構成測試系統的框架圖，該系統包含無線傳感器網絡測試節點1、網關2、無線網橋3以及測控終端4。多個測試節點形成多跳自組織的無線測試網絡，測試數據首先回傳至網關。無線網橋將網關收集的數據遠程傳輸至測控終端，測控終端根據需要對測試數據進行處理，顯示給終端用戶。終端用戶根據結果確定是否需要重新回傳測試數據。若需要重新回傳數據，測控終端發布重讀指令，對節點本地存儲的測試數據進行重新讀取。測試結果在網絡內的數據流方向為測試節點將採集到的信息本地存儲同時將數據發送到網關2，網關2與無線網橋3相連或直接將數據傳輸至測控終端4，無線網橋3 將數據遠程傳輸至測控終端4.網絡控制命令按照測試結果的數據流反方向逆向傳播。其中所述的網關2的處理能力、存儲能力和通信能力相對較強，它是連接測試網絡與PC機或 Internet等外部網絡的通道，實現兩種協議之間的通信協議轉換，同時發布管理節點的監測任務，並把收集的數據轉發到無線網橋。無線網橋3採用一對無線網橋作為遠程傳輸平臺，連接網關與測控終端，將數據進行雙向高速傳輸。無線網橋3為可選件，當不選用時，網關2直接與測控終端4通過網口通訊。測控終端4，操作人員通過測控終端4可對測試網絡進行管理與控制，實現測試數據的讀取控制、顯示、數據處理和分析。
權利要求
1.一種具有微硬碟及數據同步能力的無線傳感器網絡測試節點，包括傳感器模塊、AD 轉換模塊、微硬碟控制器、無線通訊模塊和電源管理模塊；其特徵在於微硬碟控制器包括採樣控制器模塊、異步FIFO緩存、文件系統、讀控制器、寫控制器、底層驅動以及存儲介質； 傳感器模塊與AD轉換模塊連接，AD轉換器模塊與微硬碟控制器中的採樣控制器模塊相連， 採樣控制器模塊與異步FIFO緩存相連，異步FIFO緩存與寫控制器相連，寫控制器與文件系統相連，文件系統同時與底層驅動以及讀控制器相連，讀控制器與外部的無線通訊模塊相連；其中傳感器模塊測得的信息傳送給AD轉換模塊，AD轉換模塊將信號進行調理、轉換後將數據送至微硬碟控制器中的採樣控制器模塊，採樣控制器模塊控制AD轉換模塊將測試數據傳輸至異步FIFO緩存，當異步FIFO緩存寫滿後，通過寫控制器將數據從異步FIFO中讀出，在文件系統的支持下以文件的形式寫入存儲介質中；當無線通訊模塊需要讀取數據時，通過讀控制器將數據從存儲介質中讀出並無線發送。
2.如權利要求1所述的一種具有微硬碟及數據同步能力的無線傳感器網絡測試節點， 其特徵在於所述的文件系統通過Nios II I/O控制模塊將通用的fatfs文件系統移植到 MosII軟核中，實現文件的生成、讀寫以及關閉的中間層操作。
3.如權利要求1或2所述的一種具有微硬碟及數據同步能力的無線傳感器網絡測試節點，其特徵在於所述存儲介質的設備驅動程序包括以下庫函數=MicroSD卡復位、MicroSD 卡初識化、MicroSD數據寫入、MicroSD數據讀取以及MicroSD基本信息提取庫函數；上述庫函數結合Nios II I/O控制模塊實現對FPGA I/O接口的操作，實現設備驅動程序功能； MicroSD卡復位函數與初始化函數在節點上電之後進行復位與初始化操作，工作在400KHz 頻率時鐘下；完成初始化操作之後，MicroSD卡工作時鐘提升到20MHz，根據應用層函數的需要，調用MicorSD卡的數據寫入、讀取函數實現數據的高速讀寫。
全文摘要
本發明公開了一種具有微硬碟及數據同步能力的無線傳感器網絡測試節點，屬於感知與測控技術領域。其中傳感器模塊測試的數據傳送給AD轉換模塊，AD轉換模塊將信號進行調理、轉換後將數據送至微硬碟控制器中的採樣控制器模塊，採樣控制器模塊控制AD轉換模塊將測試數據傳輸至異步FIFO緩存，當異步FIFO緩存寫滿後，通過寫控制器將數據從異步FIFO中讀出，在文件系統的支持下以文件的形式寫入存儲介質中；當無線通訊模塊需要讀取數據時，通過讀控制器將數據從存儲介質中讀出並無線發送。本發明的無線傳感器網絡測試節點可以實現測試過程中異步時鐘條件下的「高速採樣-數據文件管理-微硬碟讀寫-無線傳輸」數據流同步。
文檔編號H04W84/18GK102592420SQ20111045290
公開日2012年7月18日 申請日期2011年12月30日 優先權日2011年12月30日
發明者宋萍, 李科傑, 陳昌 申請人:北京理工大學