CN101662399B - 工业现场通信质量在线定量评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种工业现场通信质量在线定量评估方法。它包括以下步骤：工业现场信号源端以设定的通信速率带同步号连续发送特征数据，每发送一帧，同步号加一，同步号累计到设定值时，清零从头开始计数；接收端解析收到的数据，从同步号标识中计算出单位时间丢掉的数据帧数，即实时的丢帧率；工业现场信号源端产生两路或两路以上的特征数据，接收端将接收的两路特征数据相互对比，判定特征数据是否有错误的情况，计算出单位时间内出现错帧的数目，即误码率；根据丢帧率和误码率在线评估工业现场通信质量。本发明可在线定量评估工业现场通信设备的通信质量在。

Description

工业现场通信质量在线定量评估方法

技术领域

本发明涉及一种工业现场通信质量在线定量评估方法。

背景技术

目前工业现场应用的各种通信技术在实际工程投运过程中存在如何定量评估的问题，一般现场工程师只要通信双方能收到信号就认为“没问题”了。实际上具体的通信质量既是考察通信线路硬件质量及环境干扰的重要判据；又是检验通信系统稳定性及通信方案设计好坏的依据。当通信系统正式投运后，如何在线实时对通信质量进行评估更是实际应用过程中故障诊断及环境干扰源排除的依据，特别对因线路破损或意外干扰源这种突发性原因造成的通信故障，在排查过程中更是需要在线通信质量评估的历史数据支持。在现场控制系统故障中通信故障是最“头痛”的，现场维护人员迫切需要一种能在线监测通信质量好坏，并提供历史情况查询的评估系统。目前商用通信质量定量检测系统大都是离线检测，而且设备非常昂贵，一般企业无法承担这种设备的购置费用，定期请专业公司检修非常麻烦。企业希望控制系统本身具有通信质量在线定量评估的功能，而通信质量定量检测方法大都是保密的，公开的往往非常复杂，不便于在控制系统中实现。

发明内容

为了解决现有工业现场通信质量在线定量评估存在的上述技术问题，本发明提供一种实用的工业现场通信质量在线定量评估方法，本发明可有效的定量评估工业现场在线通信质量。

本发明解决上述技术问题的技术方案包括以下步骤：

工业现场信号源端以设定的通信速率带同步号连续发送特征数据，每发送一帧，同步号加一，同步号累计到设定值时，清零从头开始计数；接收端解析收到的数据，从同步号标识中计算出单位时间丢掉的数据帧数，即实时的丢帧率；

工业现场信号源端产生两路或两路以上的特征数据，接收端将接收的多路特征数据相互对比，判定特征数据是否有错误的情况，计算出单位时间内出现错帧的数目，即误码率；

根据丢帧率和误码率在线评估工业现场通信质量。

本发明实现的基本原理：信号源端以一定的速率和规则发出特征数据，接收端解析收到的数据，并依据预先设定的规则来计算通信数据的丢帧率及误码率。本发明算法的特征表述为“随机数双路同步”，具体计算方法如下：

1.本发明信号源发出的特征数据采用随机数，随机数既可用软件产生；又可用采集的环境信息，比如环境温度、电池剩余电压等来代替。

2.通信质量的好坏用两个量化的指标来衡量：丢帧率和误码率。

(1).丢帧率的计算方法：信号源端以一定的通信速率带同步号(时间标签)连续发送特征数据，每发送一帧(帧是工业现场通信协议中数据发送的基本单位)，同步号加一，同步号累计到某个值时，清零从头开始计数；接收端解析收到的数据，从同步号标识中可计算出单位时间丢掉的数据帧数(接收端软件设计中要考虑同步号归零这种特殊情况的剔除)，这样就可以计算出实时的丢帧率。

(2).误码率的计算方法：要求同一信号源端产生两路以上的特征数据来相互对比才能判定特征数据是否有错误的情况，为提高运行效率，从实用的角度来看，用两路来做比对就可以了，比对过程中结合同步号就可计算出单位时间内出现错帧的数目(误码率)。很多硬件电路设计中也经常使用双路采样数据校正，实际上采用的思想和误码率评判方法是一致的。

3.本算法丢帧率及误码率的计算过程中，包括了信号源端硬件原因引起的通信故障、通信介质传输过程中的通信故障及接收端硬件原因引起的通信故障，在确保通信质量在线评估两端硬件稳定的前提下，才可以断定因介质原因所造成的通信故障，即线路原因和环境因素引起的现场通信问题。

4.实现完整的通信质量在线评估系统需要在接收端开发一套评估软件，一般将接收端信号引入工业计算机，引入手持式终端可开发出便携式测试设备。评估软件除具备丢帧率及误码率动态数据的显示外，还需要将实时数据保存下来供历史查询使用，另外可以考虑具备多路数据通信质量的集成监视功能。

本发明的技术效果在于：本发明采用信号源端以一定的速率和规则发出两路的特征数据，接收端解析收到的数据，并依据预先设定的规则来计算通信数据的丢帧率及误码率，根据丢帧率和误码率评估工业现场通信质量，解决了现有工业现场通信质量无法定量评估的技术问题。

下面结合附图对采用本发明作进一步说明。

附图说明

图1为本发明的流程图。

图2为本发明的系统结构图。

具体实施方式

1.评估信号的选定：

设计通信质量检测系统首先要确定采用那些信号来做评估，既可以用从现场实际信息源采集到的传感器信号做评估信号；也可以用随机数产生算法生产的模拟信号来代替。

2.现场数字信号的处理：

评估信号经中央处理模块实现符合评估算法要求的应用层通信协议封装，同时中央处理模块还实现通信速率设定、用户权限设定、通信加密算法设置等与评估系统相关的管理功能。中央处理模块的物理载体可以是各种中央处理单元(CPU)，既可以是单片机，也可以是各种嵌入式处理器(ARM、DSP或嵌入式X86)。

3.封装后的现场信号发送：

经过中央处理模块处理后的评估信息经过通信物理介质发送到信息综合处理终端。发送模块所采用的通信协议既可以是工业总线(CAN、PROFIBUS等)及工业以太网；也可以是无线通信协议(ZIGBEE、WIFI等)。

4.面向用户的人机交互终端：

任何评估系统最终都需要一个信息显示及管理的终端，终端负责计算一定时间单位内的丢帧率及错帧率，并以曲线形式显示评估信号、丢帧率及错帧率；同时根据终端设备的资源情况，还提供一定时期内上述数据的历史曲线显示及数据统计结果。另外终端必须实现各种系统参数配置、用户权限管理、通信安全措施等方面的功能。

下面以CAN总线为例来分析一套基于本发明的通信质量在线评估系统的具体设计方法：

1.硬件系统构建：

CAN总线通信质量评估系统采用环境温度作为评估信号，整个硬件由三部分组成：CAN总线信号源模块、CAN以太网转换器及带评估系统软件的笔记本电脑。CAN总线信号源模块是通信质量检测的发起者，由Atmega48单片机、MAX6610环境温度采集芯片及CAN接口芯片SJA1000三部分组成，它负责提供环境温度评估信号，并对信号进行协议封装，然后通过CAN总线接口发送出去；CAN以太网转换器采用广洲致远周立功公司的CANET-200，负责将CAN总线协议信号转换为以太网协议信号，然后送到笔记本电脑的网络接口；笔记本电脑负责对收到的环境温度评估信号进行应用层通信协议解析得到原始环境温度信息，并按本发明评估方法计算出以1分钟为单位的丢帧率和误码率，其结构示意图2所示：

2.环境温度评估信号的应用层协议封装：

根据本发明的评估算法的要求，CAN总线应用层协议帧格式如表1所示：

表1.CAN总线应用层通信协议帧

其中RTR表示远程发送请求位；DLC表示数据帧长度；信息源标识码用于区别不同的CAN节点，即区分不同的环境温度评估信号；帧类型目前只有两种，即1号帧及2号帧；评估信号Tt＝Th*256+Tl；评估信息同步号(时间标签)用6个字节(同步标识字节1-6)来表示，基本上能满足不同通信频率、较长在线时间对同步号计数上限的要求，同步号的计算方法为：

Ns＝SB1*256⁵+SB2*256⁴+SB3*256³+SB4*256²+SB5*256+SB6

信息源重启时，同步号Ns从0开始计数，CPU处理器按一定的速率对环境温度进行采样，每采集到一次环境温度信号就用上述帧格式连续发送两次(这是本发明算法要求双路的特别之处)，先发出去的为1号帧，后发出去的为2号帧。

3.环境温度评估信号的应用层协议解析：

封装后的评估信息通过CAN总线——CAN以太网转换器——最后到达信息终端(笔记本电脑)进行应用层协议帧解析，解析程序按封装时同样的帧格式和计算方法去取出同步号Ns及Tt，然后存入缓冲区等待处理。

丢帧率和错帧率将根据帧间关系，通过计算来获得。比如当前帧(1号帧)得到的同步号及环境温度分别为Ns、Tt，上一帧(2号帧)得到的同步号及环境温度为Ns^*、Tt^*，则具体的计算方法如下：

①.如果Ns与Ns^*相差不为1，说明信息有丢失，丢帧计数器计数将增加(Ns-Ns^*-1)；

②.如果Ns与Ns^*相等，则判断Tt与Tt^*是否相等；如果Tt与Tt^*不相等，则错帧计数器计数将增加1；

③.每分钟丢帧计数器和错帧计数器均清0；

④.如果Ns为0，说明评估信号源重启了，需要重新开始计算。

Claims (1)

1.一种工业现场通信质量在线评估方法，包括以下步骤：

工业现场信号源端以设定的通信速率带同步号连续发送特征数据，每发送一帧，同步号加一，同步号累计到设定值时，清零从头开始计数；接收端解析收到的数据，从同步号标识中计算出单位时间丢掉的数据帧数，即实时的丢帧率；

工业现场信号源端产生两路或两路以上的特征数据，接收端将接收的多路特征数据相互对比，判定特征数据是否有错误的情况，计算出单位时间内出现错帧的数目，即误码率；

根据丢帧率和误码率在线评估工业现场通信质量。