文獻標識碼： A
文章編號： 0258-7998(2014)05-0087-03
中文引用格式：田博,陳分雄,郭星鋒.基于FPGA的多路無線信道監聽系統設計[J].電子技術應用,2014,40(05):87-89+96.
隨著物聯網產業的高速發展，無線通信協議已成為研究熱點。在無線通信協議的開發和測試過程中，通常會使用無線數據包監聽器捕獲指定信道的射頻數據包，結合相關軟件對數據包進行解碼和顯示，快速地發現并解決一些常見的問題[1]，減少開發和測試的周期。
現有的無線數據包監聽器大多僅能監聽單個信道的數據,在采用跳頻技術的通信協議進行開發時，如ISA100.11a、WIA-PA、WirelessHART等工業無線標準[2]，需要同時監聽多個信道的數據。為滿足此類需求，本文提出了多路無線信道監聽系統的設計，利用FPGA在數據獲取方面良好的實時與并行控制性能，以IEEE 802.15.4[3]標準為基礎，針對2.4 GHz頻段開發了可以同時監聽16路無線信道的系統。結合協議分析軟件，可以為無線通信協議開發提供數據分析、輔助設計等服務，是一種極為有效的協議測試工具。
1 系統總體設計
多路無線信道監聽系統由2.4 GHz無線RF接收器、FPGA和USB2.0接口單元等組成。無線RF接收器負責監聽、封裝無線數據報文并通過SPI傳輸至FPGA；FPGA作為整個系統的控制邏輯核心，完成數據的接收、緩存和USB2.0通信控制，USB2.0接口芯片FT2232H將數據高速傳輸至上位機,上位機采用C#語言開發,完成RF接收器參數的設置控制、數據分析和顯示功能，多路無線信道監聽系統組成框圖如圖1所示。
2 系統硬件設計
2.1 2.4 GHz無線RF接收器單元
系統采用16片2.4 GHz 無線收發芯片CC2530，其具有極高的接收靈敏度和抗干擾性能,支持IEEE 802.15.4標準，提供精確的數字化RSSI/LQI，同時內嵌了具有代碼預取功能的低功耗8051微控制器內核，能高速處理無線數據報文，并擁有兩路SPI通信模塊和其他豐富的外設資源[4],16個CC2530的接收信道以5 MHz為間隔，平均分布在2 405 MHz~2 480 MHz之間。
圖2所示為CC2530與FPGA連接示意圖。采用一對一和多對一的方式分別傳輸數據和指令，避免總線競爭，提高了傳輸效率，其中CC2530的SPI0作為主機，負責將無線數據報文傳至FPGA，SPI1作為從機負責接收來自FPGA的指令，如信道設置、數據傳輸設置等。
2.2 USB通信接口單元
系統采用FTDI公司的FT2232H芯片,由它完成數據采集控制及數據采集后與PC之間的高速數據傳輸。FT2232H支持480 Mb/s的USB2.0高速規范，其中USB數據傳輸細節全部封裝在FT2232H內部，上位機提供虛擬串口VCP和D2XX兩種驅動程序，免去了復雜的USB固件和驅動程序開發過程[5]。
圖3為FPGA與FT2232H硬件連接示意圖，采用同步245 FIFO模式[6]，Clk是FT2232H的同步時鐘信號，其頻率固定為60 MHz，FPGA的主時鐘由同步時鐘3分頻得到，ADBUS[7..0]為8位雙向數據總線，因此最大傳輸速率可達160 Mb/s，nRXF和nTXE分別是FT2232H的讀寫標志位，nOE用于使能數據總線 ADBUS的輸出，nRD和nWR分別是FT2232H的讀寫選通信號。
3 系統軟件設計
3.1 CC2530程序設計
首先初始化RF、SPI等外設，2.4 GHz無線RF接收器處于監聽狀態，如果偵聽到無線數據報文，就將其取出進行處理，添加報文頭、長度、信道號、通道號、RSSI、校驗位等信息，并通過SPI0傳至FPGA，繼續準備接收下一個無線數據報文。同時也可以根據所收到的上位機下發的命令來執行相應的操作：若收到設置信道的指令，則設置監聽信道；若收到啟動或者停止監聽的指令，則開始或停止監聽無線數據報文。程序流程如圖4所示。
制可劃分為5個模塊，分別是數據接收模塊、緩存模塊、傳輸模塊、命令輸出模塊、USB2.0通信模塊。其中緩存模塊主要由計數器、數據緩存和長度緩存三部分組成，計數器記錄數據緩存現有報文數量，數據緩存記錄報文數據，長度緩存記錄每一報文的長度，數據緩存和長度緩存的實現是通過調用FPGA的IP核生成相應容量的FIFO來完成。
系統首先設置CC2530監聽的信道并啟動監聽，一旦CC2530監聽到無線數據，就將監聽到的數據報文傳至FPGA，FPGA將數據寫入到數據緩存，同時計算報文的長度并將結果寫入到長度緩存，計數器加1，當檢測到計數器大于0時，先讀取長度緩存獲取報文長度，計數器減1，然后根據報文長度讀取數據緩存，將讀取的數據通過USB上傳至PC，直到讀取數量與報文長度相等時停止，繼續檢測下一路計數器，依次循環。FPGA邏輯控制的流程如圖6所示。
4 系統測試
為了對多路無線信道監聽系統功能進行有效的測試，搭建了一個由多路無線信道監聽系統、16個ZigBee無線模塊和PC組成的測試平臺，并進行以下幾項測試。
4.1 多路信道監聽測試
將無線模塊全部打開，讓它們在各自的信道獨立地發送測試報文，為了便于對測試結果進行分析，設置每個模塊的發送時間間隔和報文內容都相同。圖7所示為多路無線信道監聽系統同時監聽5路信道的結果，說明系統邏輯功能設計正確，能夠同時監聽多路信道，達到了系統的設計要求。
4.2 數據準確性測試
用協議分析軟件和TI的Packet Sniffer同時采集數據包并實時解析各層字段，所得結果分別如圖8和圖9所示，對比兩者的解析結果，發現協議分析軟件解析所得的各層幀控制字段與TI的Packet Sniffer解析所得結果完全吻合，說明多路無線信道系統監聽到的數據是正確的，達到了預期效果。
4.3 丟包率測試
將多個無線模塊放到20 m處且每次發送報文長度為32 B進行測試，得到如表1所示的結果。
測試結果表明，20 m內丟包率小于0.33%。能真實再現網絡運行情況，且每分鐘發包數為1 500幀時，多路無線信道監聽系統運行正常，滿足實時監聽的要求。
為滿足工業無線標準開發和測試的要求，本文設計了基于FPGA的多路無線信道監聽系統，利用FPGA在數據獲取方面良好的實時與并行控制性能,實現了對16路數據的緩存與傳輸，并通過搭建的測試平臺對其進行多項測試。測試結果表明，多路無線信道監聽系統具有良好的實時性和可靠性。
參考文獻
[1] 盧良進,徐向華,童超.無線傳感網絡協議分析技術研究與實現[J].傳感技術學報, 2009，22(12):1828-1833.
[2] 曲家興,周瑩,王希忠,等.工業控制系統無線網絡安全體系的研究[J].信息技術，2013(1):36-38.
[3] IEEE. IEEE Std 802.15.4-2006 Wireless Medium Access Control(MAC) and Physical Layer(PHY) Specifications for Low-rate Wireless Personal Area Networks(LR-WPANs)[S].2006.
[4] Texas Instruments.CC2530 Data Sheet. http://www.ti.com.2011.
[5] Future Technology Devices International Limited. Software Application Development D2xx Programmer’s guide[Z/OL].http://www.ftdichip.com.
[6] 荊成財,王順杰,王潤田. 雙通道同步高速數據采集器的設計[J].電子產品世界, 2012(12):43-44.