CN102592420B

CN102592420B - 具有微硬盘及数据同步能力的无线传感器网络测试节点

Info

Publication number: CN102592420B
Application number: CN 201110452907
Authority: CN
Inventors: 宋萍; 李科杰; 陈昌
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2011-12-30
Filing date: 2011-12-30
Publication date: 2013-06-05
Anticipated expiration: 2031-12-30
Also published as: CN102592420A

Abstract

本发明公开了一种具有微硬盘及数据同步能力的无线传感器网络测试节点，属于感知与测控技术领域。其中传感器模块测试的数据传送给AD转换模块，AD转换模块将信号进行调理、转换后将数据送至微硬盘控制器中的采样控制器模块，采样控制器模块控制AD转换模块将测试数据传输至异步FIFO缓存，当异步FIFO缓存写满后，通过写控制器将数据从异步FIFO中读出，在文件系统的支持下以文件的形式写入存储介质中；当无线通讯模块需要读取数据时，通过读控制器将数据从存储介质中读出并无线发送。本发明的无线传感器网络测试节点可以实现测试过程中异步时钟条件下的“高速采样-数据文件管理-微硬盘读写-无线传输”数据流同步。

Description

具有微硬盘及数据同步能力的无线传感器网络测试节点

技术领域

本发明属于感知与测控技术领域，涉及一种具有微硬盘及异步时钟数据同步能力的无线网络测试节点。

背景技术

测试数据的可靠采集与大数据量存储是分布式测试领域中最为关注的一个问题。

常用的分布式测试方法有有线测试法、存储测试法以及无线测试法。

由于外接信号线的存在，测试传感器的安装极为不便。同时，噪声信号容易通过信号线干扰有用信号而降低测试精度。在安装空间狭小以及有相对运动的测试应用中，测试设备的安装和设计都不方便，试验时，还可能带来安全隐患。通常，测试设备的成本也相对较高。

传统的存储测试设备需要将测试装置安装在测试部位，必须等测试流程结束后，将测试装置拆除下来方可获得数据。在测试周期较长、测试的项目繁多、测试点多的应用中，采用存储测试手段不能在测试过程中在线获取测试数据，只能拆下装置后才能知道测试结果，往往导致测试结果不理想时不得不再次进行实验，造成大量的人力物力浪费。

无线测试法中遥测法主要基于点对点测试，不能同时获得多个测试点的数据信息。存储测试技术和遥测技术都不能做到多个测试点间的同步协作。在测试数据时间基准不统一的情况下，无法建立被测信号的场信息。

基于无线传感器网络的无线测试法可以实现多点分布式测试，但受节点资源限制，传统的无线传感器测试节点数据采集与存储能力不足，无法满足高采样率的应用需求。网络内节点一般采用“采样-发送”的工作模式，当网络发生意外时无法保证测试数据的及时可靠收集与回收，且无法保证测试数据的校验，为试验结果分析以及信息场的重建带来不确定因素。

发明内容

针对现有无线传感器网络测试技术中测试数据不能被长时间高速采集、大容量存储以及校验的问题，本发明提供了一种具有微硬盘及数据同步能力的无线传感器网络测试节点，可实现大容量无线测试数据的高速采集以及实时可靠存储和回传。

本发明所述的无线传感器网络测试节点包括传感器模块、AD转换模块、微硬盘控制器、无线通讯模块和电源管理模块；微硬盘控制器包括采样控制器模块、异步FIFO缓存、文件系统、读控制器、写控制器、底层驱动以及存储介质；传感器模块与AD转换模块连接，AD转换器模块与微硬盘控制器中的采样控制器模块相连，采样控制器模块与异步FIFO缓存相连，异步FIFO缓存与写控制器相连，写控制器与文件系统相连，文件系统同时与底层驱动以及读控制器相连，读控制器与外部的无线通讯模块相连；其中传感器模块将测得的信息传送给AD转换模块，AD转换模块将信号进行调理、转换后将数据送至微硬盘控制器中的采样控制器模块，采样控制器模块控制AD转换模块将测试数据传输至异步FIFO缓存，当异步FIFO缓存写满后，通过写控制器将数据从异步FIFO中读出，在文件系统的支持下以文件的形式写入存储介质中；当无线通讯模块需要读取数据时，通过读控制器将数据从存储介质中读出并无线发送。

所述的文件系统通过Nios II I/O控制模块将通用的fatfs文件系统移植到Nios II软核中，实现文件的生成、读写以及关闭的中间层操作。

所述存储介质的设备驱动程序包括以下库函数：MicroSD卡复位、MicroSD卡初识化、MicroSD数据写入、MicroSD数据读取以及MicroSD基本信息提取库函数；上述库函数结合Nios II I/O控制模块实现对FPGA I/O接口的操作，最终实现设备驱动程序的功能；MicroSD卡复位函数与初始化函数在节点上电之后进行复位与初始化操作，工作在400KHz频率时钟下；完成初始化操作之后，MicroSD卡工作时钟提升到20MHz，根据应用层函数的需要，调用MicorSD卡的数据写入、读取函数实现数据的高速读写。

本发明的有益效果：

本发明所述的无线传感器网络测试节点的特点是可以实现测试过程中异步时钟条件下的“高速采样-数据文件管理-微硬盘读写-无线传输”数据流同步。

附图说明

图1是本发明的具备微硬盘及异步时钟数据流同步能力的无线传感器网络测试节点组成框图；

图2是异步时钟条件下数据流同步结构示意图；

图3是微硬盘数据管理的软件结构；

图4是MicroSD卡的设备驱动结构图；

图5是本发明所构成的测试系统的框架图。

具体实施方式

下面根据附图，作进一步更详细的说明，本发明的附图仅是示意性说明，并无限制的意图。其中：

异步时钟条件是指FPGA内部的集成的各功能模块需要不同频率时钟驱动的情况。所指的数据流不同步是指在此条件下，各模块之间会由于的数据吞吐量不一致产生的数据丢失以及拥塞。以本文所述的无线测试节点的一种工作频率为例(仅为示意频率，具体频率值可变)，FPGA自身使用20MHz晶振驱动，AD采样控制器使用2.5MHz晶振驱动，Nios II软核使用50MHz驱动，系统SDRAM需要与Nios II相同频率但相位不同的时钟驱动，MicroSD卡在初始化时需要400KHz以下的时钟，之后为保证高速读写需要上调到20MHz。在此条件下，AD模块采用硬件描述语言实现，其每秒钟产生的数据是可计算的；而Nios II软核中加载的文件系统以及硬件驱动等功能由C语言实现，其每秒的数据吞吐量无法精确计算；数据存储介质(MicroSD卡)的读写操作是以块(512字节)为单位实现，其读写速度在时间域内呈现不均匀的特点。

所述的异步时钟条件下数据流同步，是指在FPGA片内工作在不同时钟域的功能模块之间实现数据传输速率的匹配，确保某一功能模块产生的数据可以被下一个功能模块完全接收。以本测试节点为例，使用异步时钟数据流同步机制可以实现测试过程中的跨时钟域数据速率匹配，实现“高速采样-数据文件管理-微硬盘读写-无线传输”过程中的数据流同步。

图1中所示为本发明的无线传感器网络测试节点。所述的无线传感器网络测试节点包括传感器模块、AD转换模块、微硬盘控制模块、无线通讯模块和电源管理模块。传感器模块测得的信息经过信号调理后输入到AD转换模块中的AD转换芯片，由微硬盘控制模块中的采样控制器控制AD将模拟信号转换成数字信号，该数字信号经过异步FIFO缓存后送到NIOS II软核中，由NIOS II软核控制将该数字信号以文件的形式写入MicroSD卡中；同时微硬盘控制模块与无线通讯模块相连，当通讯模块收到外部网关的控制指令时，对其进行响应，并控制微硬盘控制模块完成相应的操作。

图2所示数据流同步示意图。其中的各信号代表含义如下：EOC信号是AD芯片模拟/数字信号转换结束的指示信号，AD_RD信号是读取AD芯片中转换完成数据的控制信号，FIFO_WR_ENABLE是异步FIFO缓存的允许写入使能信号，FIFO_WR是异步FIFO缓存的写入控制信号，FIFO_RD_ENABLE是异步FIFO缓存的允许读取使能信号，FIFO_RD是异步FIFO缓存的读取控制信号。FIFO“半满”是指写入的数据达到FIFO存储深度的一半。系统工作在三个时钟域中。以节点的一种工作频率为例(仅为示意频率，具体频率值可变)，AD采样控制器工作在2.5MHz时钟域中；Nios II软核工作在50MHz时钟域中；异步FIFO缓存的写操作部分与AD采样控制器相连，工作在2.5MHz时钟域中，读操作部分与NiosII软核相连，工作在50MHz时钟域中；MicroSD卡的文件读写顶层操作受Nios II软核控制，工作在50MHz时钟域中；MicroSD卡的读写底层驱动时钟由Nios II软核控制，先工作在400KHz时钟频率下，之后由20MHz的时钟驱动，工作在20MHz的时钟域中。异步时钟数据流同步机制的流程为：一方面，AD采样控制器启动采样，当EOC信号与AD_RD信号同时为1是，表示一次采样结束，可读取产生的数据；随后将FIFO_WR_ENABLE与FIFO_WR同时置1，将读取的数据写入异步FIFO中；之后进入“采样-读取-写入”循环，在2.5MHz时钟的驱动下，每秒钟约有2Mbytes的数据被持续写入FIFO中。另一方面，Nios II软核每当检测到异步FIFO的写入“半满”信号后，一次读取512字节的数据存入软件缓存中，准备将其写入MicroSD卡中，在50MHZ时钟的驱动下，Nios II软核读取数据的速度大于2Mbytes/s，因此，异步FIFO不会由于写入速度大于读取速度被写满而导致数据丢失。在MicroSD卡准备写入数据时，需要调用其底层驱动程序实现数据的写入，执行此任务时，MicroSD卡由20MHz的时钟驱动，在SPI模式工作模式下，结合图3所示的微硬盘数据管理结构，其峰值写入速度大于2Mbytes/s，可以保证Nios II软核读入的数据不丢失的写入MicroSD卡中。综上可得，异步时钟数据流同步机制确保了数据流传输过程中两次数据同步，第一次数据同步通过异步FIFO实现，确保AD采样的数据可以可靠的送入Nios II软核中；第二次数据同步通过Nios II的软件缓存结合微硬盘数据管理结构实现数据在MicroSD卡中的高速写操作，确保Nios II软核读入的数据不丢失的写入MicroSD卡中。

图3所示为微硬盘数据管理的软件结构。此结构确保MicroSD卡在文件系统的支持下可以保持大于2Mbytes/s的峰值写入速度。数据管理软件结构有四部分构成，自下而上分别为Nios II I/O控制、diskio硬件驱动层、fatfs文件管理系统以及应用层程序。Nios II I/O控制通过Nios II软核执行硬件驱动层的基本指令，对FPGA的I/O口进行直接操作。Diskio底层硬件驱动实现MicroSD卡的与硬件相关联的读写操作，如图4所示。Fatfs文件系统调用diskio层的驱动函数，提供文件生成、读写、关闭等中间层操作的实现。该文件系统的轻量级操作特征可以保证数据的高速读写操作。顶层的应用层程序调用fatfs文件层提供的中间函数，实现文件的创建、读写、关闭等操作。

图4为MicroSD卡的设备驱动结构图。MicroSD卡的设备驱动程序包括以下库函数：MicroSD卡复位、MicroSD卡初识化、MicroSD数据写入、MicroSD数据读取以及MicroSD基本信息提取库函数。上述库函数结合Nios II I/O控制模块实现对FPGA I/O接口的操作，最终实现设备驱动程序的功能。MicroSD卡复位函数与初始化函数在节点上电之后进行复位与初始化操作，工作在400KHz频率时钟下。完成初始化操作之后，MicroSD卡工作时钟提升到20MHz，根据应用层函数的设计需要，调用MicorSD卡的数据写入、读取函数实现数据的高速读写。MicroSD基本信息提取函数可以提取卡的基本信息，如MicroSD卡的容量、版本号等信息。

图5中所示为本发明可构成测试系统的框架图，该系统包含无线传感器网络测试节点1、网关2、无线网桥3以及测控终端4。多个测试节点形成多跳自组织的无线测试网络，测试数据首先回传至网关。无线网桥将网关收集的数据远程传输至测控终端，测控终端根据需要对测试数据进行处理，显示给终端用户。终端用户根据结果确定是否需要重新回传测试数据。若需要重新回传数据，测控终端发布重读指令，对节点本地存储的测试数据进行重新读取。

测试结果在网络内的数据流方向为：测试节点将采集到的信息本地存储同时将数据发送到网关2，网关2与无线网桥3相连或直接将数据传输至测控终端4，无线网桥3将数据远程传输至测控终端4.网络控制命令按照测试结果的数据流反方向逆向传播。其中所述的网关2的处理能力、存储能力和通信能力相对较强，它是连接测试网络与PC机或Internet等外部网络的通道，实现两种协议之间的通信协议转换，同时发布管理节点的监测任务，并把收集的数据转发到无线网桥。无线网桥3采用一对无线网桥作为远程传输平台，连接网关与测控终端，将数据进行双向高速传输。无线网桥3为可选件，当不选用时，网关2直接与测控终端4通过网口通讯。测控终端4，操作人员通过测控终端4可对测试网络进行管理与控制，实现测试数据的读取控制、显示、数据处理和分析。

Claims

1.一种具有微硬盘及数据同步能力的无线传感器网络测试节点，包括传感器模块、AD转换模块、微硬盘控制器、无线通讯模块和电源管理模块；其特征在于：微硬盘控制器包括采样控制器模块、异步FIFO缓存、文件系统、读控制器、写控制器、底层驱动以及存储介质；传感器模块与AD转换模块连接，AD转换器模块与微硬盘控制器中的采样控制器模块相连，采样控制器模块与异步FIFO缓存相连，异步FIFO缓存与写控制器相连，写控制器与文件系统相连，文件系统同时与底层驱动以及读控制器相连，读控制器与外部的无线通讯模块相连；其中传感器模块测得的信息传送给AD转换模块，AD转换模块将信号进行调理、转换后将数据送至微硬盘控制器中的采样控制器模块,采样控制器模块控制AD转换模块将数据传输至异步FIFO缓存，当异步FIFO缓存写满后，通过写控制器将数据从异步FIFO中读出，在文件系统的支持下以文件的形式写入存储介质中；当无线通讯模块需要读取数据时，通过读控制器将数据从存储介质中读出并无线发送；

其中，所述的文件系统通过Nios II I/O控制模块将通用的fatfs文件系统移植到NiosII软核中，实现文件的生成、读写以及关闭的中间层操作；

所述存储介质的设备驱动程序包括以下库函数：MicroSD卡复位、MicroSD卡初识化、MicroSD数据写入、MicroSD数据读取以及MicroSD基本信息提取库函数；上述库函数结合Nios II I/O控制模块实现对FPGA I/O接口的操作，实现设备驱动程序功能；MicroSD卡复位函数与初始化函数在节点上电之后进行复位与初始化操作，工作在400KHz频率时钟下；完成初始化操作之后，MicroSD卡工作时钟提升到20MHz，根据应用层函数的需要，调用MicorSD卡的数据写入、读取函数实现数据的高速读写。