基于WIA-PA的現(xiàn)場設備數據鏈路層的設計與實現(xiàn)

韓 闖, 封岸松, 邱雪維

(1.沈陽化工大學 信息工程學院， 遼寧 沈陽 110142； 2.沈陽建筑大學 理學院， 遼寧 沈陽 110168)

工業(yè)過程自動化的無線網絡技術(WIA-PA)是具有我國自主知識產權，符合我國工業(yè)應用國情的一種無線標準體系.WIA-PA與Wireless HART、ISA SP100是三個并列的主流工業(yè)無線網絡標準，與其他兩種標準相比，WIA-PA具有集中式和分布式管理相結合的特點，以此來維護網絡的長期運行[1].它基于網狀和星型混合的網絡拓撲結構，以此來保證傳輸的靈活性和可靠性.WIA-PA是一款可靠性強、低成本、低功耗的工業(yè)無線網絡.這種網絡適用于家庭自動化、醫(yī)療、安全管理、資產管理等多方面應用，尤其適用于工業(yè)無線自動化領域.

WIA-PA網絡拓撲結構由上位機、網關、路由設備、現(xiàn)場設備組成.其通信模型主要由應用層、網絡層、數據鏈路層、物理層組成，物理層完成啟動和終止無線射頻收發(fā)器、能量探測及其空閑信道檢測等功能；數據鏈路層保證現(xiàn)場設備間數據安全、可靠、實時性的傳輸；網絡層提供在網設備可靠的端到端通信及其超幀、鏈路的管理；應用層提供數據傳輸服務和數據管理服務[2].本文主要介紹現(xiàn)場設備的數據鏈路層的設計與實現(xiàn).

1 數據鏈路層的總體設計

在設計時將數據鏈路層分為2個子系統(tǒng)：DLSL(數據鏈路子層)層子系統(tǒng)和MAC(介質訪問控制子層)層子系統(tǒng).

DLSL層子系統(tǒng)依功能可劃分為：DLSL初始化模塊、DLSL狀態(tài)機模塊、DLSL數據服務模塊、DLSL管理服務模塊、DLSL處理MAC層消息模塊、通信調度模塊、信道跳頻模塊和安全模塊.

MAC層子系統(tǒng)依功能可劃分為：MAC層初始化模塊、MAC層狀態(tài)機模塊、MAC層數據服務功能模塊、MAC層管理服務功能模塊、MAC層處理RF消息模塊、時隙處理模塊和時間同步模塊.數據鏈路層的總體框圖如圖1所示.

整個應用程序所用的3個任務分別為：管理任務(DMAP_Task())、用戶任務(User_Task())、協(xié)議棧任務(Stack_Task()).任務與任務之間的通信采用隊列方式[3]，三個隊列分別Q1、Q2、Q3(如圖1所示)，數據鏈路層總體分為DLSL層和MAC層，分別提供外部接口供其他層調用.DLSL層向外部提供層發(fā)送接口DLS_TxServ()和層接收接口DLS_RxServ()，在接口中依據服務原語調用下層提供的接口或上層提供的接口.MAC向外部提供層發(fā)送接口MAC_TxServ()和層接收接口MAC_RxServ()，在接口中調用底層驅動來完成發(fā)送或接收硬件中斷數據送上層處理.

圖1 數據鏈路層總體框圖

接口初步設計流程如圖1所示(以DLSL發(fā)送接口與MAC層接收接口調用為例)：協(xié)議棧初始化完成后，協(xié)議棧依據消息隊列Q2非空來取消息，依據層標識來判斷其任務調用的是哪層接口，當底層中斷接收到數據后將層標志置為MAC_LAYER，然后放入到Q2中，棧任務從Q2中取出消息判斷是MAC_LAYER后，調用MAC接收接口先進行接收數據的解析，然后逐層調用上層接口.當Q2中取出的消息不是接收數據時，棧任務根據層標識，調用相應的層發(fā)送接口，然后逐層調用下層發(fā)送接口[4].

2 數據鏈路層的模塊設計

2.1 DLSL子系統(tǒng)模塊設計

2.1.1 DLSL各模塊功能

DLSL子系統(tǒng)各模塊功能如表1所示.

表1 DLSL子系統(tǒng)各模塊功能

2.1.2 DLSL核心模塊的設計

（三）病理變化 對死亡羊只進行剖檢，該羊消瘦、眼結膜蒼白，顯貧血癥狀，唇內及外陰口各有兩個丘疹；心肝未見明顯病變。肺微紅、無彈性，有一處淤血，兩側腎上有大量壞死灶，前胃及四胃上有少許硬實的結節(jié)單個存在；腸系膜淋巴結微腫、發(fā)白，其余未見明顯示病癥狀。

DLSL層狀態(tài)機模塊是DLSL子系統(tǒng)模塊設計的核心部分，將其設計成接收狀態(tài)和發(fā)送狀態(tài)來完成DLSL層狀態(tài)機功能.接收狀態(tài)機主要是根據當前所處的設備狀態(tài)來處理從底層傳到上層的各種原語消息并修改設備狀態(tài)；發(fā)送狀態(tài)機主要是根據當前所處的設備狀態(tài)來處理從上層傳到下層的消息并修改設備狀態(tài).

DLSL層狀態(tài)機模塊設計流程如圖2所示.硬件上電復位，協(xié)議棧進行初始化，此時將設備狀態(tài)設定為初始狀態(tài)，DMAP向隊列中投遞請求網絡發(fā)現(xiàn)消息，協(xié)議棧任務從隊列中取出，進入DLS_TxServ()接口中，在該接口中運行發(fā)送狀態(tài)機，依據設備狀態(tài)(Init)調用MAC層的發(fā)送接口MAC_TxServ().在MAC_TxServ()中運行MAC層發(fā)送狀態(tài)機，依據網絡發(fā)現(xiàn)原語類型進行信道掃描，依次掃描到在網路由設備信標幀后，依據信號強度選取信號強度最強的路由作為父設備.在硬件接收ISR中將接收數據加上原語標識和層標識，送到MAC層接口處理，若是信標幀則進行時間同步且發(fā)送網絡發(fā)現(xiàn)證實原語[5].在MAC_RxServ()中依據網絡發(fā)現(xiàn)證實原語調用DLS_RxServ()，在DLS_RxServ()中依設備狀態(tài)和原語將消息送隊列供DMAP處理，并將設備狀態(tài)修改為入網(Joining)狀態(tài).DMAP處理網絡發(fā)現(xiàn)證實后，向隊列投遞加入請求消息，協(xié)議棧任務從隊列中取出，進入DLS_TxServ()接口中，在該接口中運行發(fā)送狀態(tài)機，依據設備狀態(tài)(Joining)調用MAC層的發(fā)送接口MAC_TxServ().在MAC_TxServ()中運行MAC層發(fā)送狀態(tài)機，依據加入請求原語類型進行信息發(fā)送.在硬件接收ISR中將接收數據加上原語標識和層標識，送MAC層接口處理.在MAC_RxServ()中依據加入請求證實原語調DLS_RxServ()，在DLS_RxServ()中依設備狀態(tài)(Joining)和原語將消息送隊列供DMAP處理，DMAP處理后若成功將設備狀態(tài)修改為在網(Join)狀態(tài)，若加入失敗將重新加入.

圖2 DLSL層狀態(tài)機框圖

2.2 MAC子系統(tǒng)模塊設計

2.2.1 MAC各模塊功能

MAC各模塊功能如表2所示.

表2 MAC子系統(tǒng)各模塊功能

續(xù) 表

2.2.2 MAC核心模塊的設計

MAC層狀態(tài)機模塊是MAC層子系統(tǒng)模塊的核心部分，將其設計成接收狀態(tài)和發(fā)送狀態(tài)來完成MAC層狀態(tài)機.接收狀態(tài)機主要是根據當前所處的設備狀態(tài)來處理從底層傳到上層的各種原語消息并修改設備狀態(tài)；發(fā)送狀態(tài)機主要是根據當前所處的設備狀態(tài)來處理從上層傳到下層的消息并修改設備狀態(tài)[6].

MAC層狀態(tài)機模塊設計流程如圖3所示.

圖3 MAC層狀態(tài)機框圖

協(xié)議棧上電復位后，MAC層發(fā)送狀態(tài)機處于空閑狀態(tài)，當DMAP請求進行網絡發(fā)現(xiàn)時，此時狀態(tài)機轉向“信道掃描”狀態(tài)，調用MAC層的相關原語進行信道掃描.當監(jiān)聽到所有在網的信標幀，并依據信號強度選擇最大信號強度路由設備作為簇首且DMAP收到網絡發(fā)現(xiàn)證實原語后，進入“加入請求狀態(tài)”，開始發(fā)送加入請求，當加入失敗，重新加入.當加入成功后，進入空閑狀態(tài).當到達時隙邊緣且為發(fā)送鏈路時，進入“發(fā)送”狀態(tài)，相反當到達時隙邊緣且為接收鏈路時.設備根據接收到的信標幀或時間同步命令幀進行時間同步處理進入“時間同步”.當設備處于“離開”狀態(tài)時，處理離開過程，若成功離開后，進入“空閑”狀態(tài).

3 數據鏈路層的關鍵算法

3.1 通信調度算法

數據鏈路子層中通信調度算法決定每次數據在何時隙何信道進行傳輸.該算法原理為：在通信調度模塊中，依據傳入的相對時隙參數，調用DMAP相關接口，取得DMAP維護的超幀表和Link表對應該時隙的通信資源[7]，并依據信道狀態(tài)調用3種跳頻接口，然后再依據取得的Link類型決定接收還是發(fā)送.其流程如圖4所示.

圖4 通信調度算法流程

3.2 時間同步算法

為保證 TDMA通信的可靠性，WIA-PA網絡中的設備要與時間源進行時間同步，本設計采用的算法為：使用幀定界符(SFD)中斷，時間源在發(fā)送信標幀或時間同步命令幀時，在SFD中斷中發(fā)送完前導碼后將全局時間以4B的時間戳形式添加到MAC幀中；同步方在收到信標幀或時間同步幀時，在SFD中斷中記錄本地時間作為接收時間戳，這個時間差僅是傳輸過程中的延時，減少了發(fā)送時間等其他不確定時間延時.

將本地接收時間和發(fā)送方發(fā)送時間保存到一個表中，一般情況下將時鐘模型簡化為一個線性模型.如公式(1)所示.

T(t)=β+αt

(1)

其中：β為接收延遲時間;α為接收速率系數.使用線性回歸思想和算法取得時鐘漂移參數估計，根據高斯馬爾科夫理論證明至少使用4組數據可以獲得最好的時鐘漂移參數估計[8]，因此在初步設計中，保存的表項最大定為6項.依據公式(2)和(3)進行線性回歸.

(2)

(3)

其中：n為參與回歸的數據組數；Tsend為發(fā)送時戳;Tarrive為接收時戳;Tlocal為節(jié)點本地時間；Tglobal為節(jié)點轉換后的全局時間；α*為接收時戳速率接收的節(jié)點獲得與發(fā)送的節(jié)點相同的全局時間.

4 測試分析

對1個網關設備、1個路由設備、3個現(xiàn)場設備進行組網，當電源啟動后，網關設備、路由設備、現(xiàn)場設備均能正常上線工作，設備狀態(tài)報告和信道狀態(tài)報告數據正常.網絡由啟動到穩(wěn)定，設備的丟包率由多到少，最后趨于穩(wěn)定并滿足工業(yè)現(xiàn)場的要求.

使用Sniffer工具對信道上數據包進行抓取和分析，得出不同設備之間的誤差在10～50 μs，能夠滿足一個時隙內的同步要求，保證現(xiàn)場設備不同節(jié)點間的時間同步.

在通信兩端的源設備和目的設備間加入障礙物，使其信號強度變差，致使其通信質量降低，利用串口調試助手進行測試，如圖5所示，若出現(xiàn)丟包現(xiàn)象，則丟包后進行重傳，確保數據鏈路層數據傳輸的安全可靠.

圖5 串口數據重傳測試

5 結 論

以WIA-PA為基礎對現(xiàn)場設備的數據鏈路層進行設計，提出了數據鏈路層總體框架的設計，并在DLSL層和MAC層提出狀態(tài)機模塊的設計.針對現(xiàn)場設備不同節(jié)點之間時間不同步，利用線性回歸思想設計出節(jié)點之間的時間同步.實驗結果表明：該設計在保證不同節(jié)點之間時間同步的基礎上，又保證了不同節(jié)點間數據傳輸的安全可靠，對WIA-PA工業(yè)無線網絡的應用發(fā)展做出了較大貢獻.

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