无线多信道数据包监听系统的FPGAP实现

摘要

2008年10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ISA100.11a开发成果，其中包括基于ARM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ARM处理器的监听系统受限于ARM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FPGA为核心的多信道监听系统。
　　 FPGA的I/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FPGA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FPGA芯片，在FPGA中完成时间戳的捕获和信道号的识别，采用异步FIFO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(Testbench，)。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ISA100.11a工控实验中心，同时覆盖了WIA-PA、无线传感器网络和IEEE802.15.4E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。