[发明专利]基于FPGA的多频段数据检测仪

说明书

技术领域

本发明涉及工业无线物联网领域，具体涉及工业无线物联网传感网络测试系统中基于FPGA的多频段数据检测方法。

技术背景

随着物联网的发展，其感知层无线网络已经渗透在多个频段，如433MHz频段、780MHz频段及2.4GHz频段，无论在研发过程中所需的网络数据分析，还是在网络安全评估、故障诊断以及物联网学科的普及，一个监听无线网络数据包的数据检测仪是必须的。随着物联网的发展各个独立频段的数据检测仪已有公司研发出来，但是都不能同时捕获多个频段的无线数据包。如德州仪器公司的SmartRF协议软件包监听器，能获取2.4GHz频段一个信道及低于1GHz频段一个信道的无线数据包，适用于ZigBee和IEEE802.15.4网络；广州致远电子有限公司的ZigBee数据包分析仪，支持2.4GHz RF网络，主要用于帮助用户捕获Zigbee网络数据包；支持780MHz频段的数据包监听器已经存在，如南京瀚只显电子科技有限公司的780MHz Zig Bee数据检测仪，也是针对Zig Bee网络的数据包进行分析。综上上述，目前已存在的数据检测仪只是针对某个独立的频段或是某个频段的某个信道进行信道捕获。因此，一个能同时捕获三个频段所有信道（共21个信道：2.4G频段的16个信道、780MHz频段的4个信道、433MHz频段的1个信道）的数据报文的数据检测仪对于物联网的发展具有重要意义。

发明的内容

本发明针对现有的数据检测仪只能检测独立频段或是独立频段的单一信道的技术缺陷，提供了一套针对工业无线传感网的基于FPGA的多频段数据检测仪。该检测仪能对433MHz、780MHz和2.4GHz的工业无线传感网的三频段共计21个信道数据同时进行检测。

本发明解决上述技术问题的技术方案是，提出一种基于FPGA的多频段数据检测仪,包括：无线数据采集模块、数据管理和传输模块、存储器模块，其中，无线数据采集模块由21个功能独立的射频接收模块构成，每个射频接收模块负责一个信道的数据采集，完成2.4GHz频段、780MHz频段和433MHz频段的21个信道无线数据报文的采集，为无线数据报文添加包头、包尾、信道号、长度、链路质量指示LQI值和接收灵敏度RSSI值，通过串口传输给数据管理和传输模块；数据管理和传输模块包括FPGA数据处理单元和射频模块，该模块控制存储器缓存数据报文并加载时间戳，调度信道将添加时间戳的报文传给上位机。存储器模块包括异步数据FIFO，存储器模块控制一个串口接收机，接收来自射频接收模块的串行比特流，去掉起始位，并以8bit并行格式将数据传送到异步数据FIFO中，同时产生异步数据FIFO的写使能信号、起始字节使能信号和结束字节使能信号。数据管理和传输模块将1843200Hz时域中的起始字节使能信号Start_bytes_en和结束字节使能信号Finish_bytes_en同步到50MHz的时域中，串口接收机产生的起始字节使能信号Start_bytes_en触发计时器timer记录当前信道时间戳，结束字节使能信号Finish_bytes_en触发调度信道选通信号channel_en。同步模块采用边沿检测同步器，将起始字节使能信号和结束字节使能信号由慢时钟域同步到快时钟域，边沿同步器的数字电路，慢时钟域的信号通过慢时钟域上的一个触发器，直接进入同步器的第一个触发器中，在快时钟域中输入信号同最后一个触发器的输出取反后产生一个与快时钟周期等宽、高电平有效的脉冲信号，即为同步后的fast_trigger_o信号。计时器时间戳格式为7个字节的数据格式，包括：2字节的分钟域、1字节的秒域、2字节的毫秒域和2字节的毫秒域，采用4个计数器分别为分计时器min_counter[15:0]、秒计数器sec_counter[7:0]、毫秒计数器ms_counter[15:0]和毫秒计数器us_counter[15:0]，当前时间的时钟采用的50MHz的时钟，每经过50个时钟周期后毫秒计数器us_counter加1，加到999清零；每经过50000时钟周期后毫秒计数器ms_counter加1，当加到999清零；每经过50000000时钟周期后秒计数器sec_counter加1，当加到59清零；每经过3000000000时钟周期后分计数器min_counter加1，当计数到最大值清零。各个信道的无线数据报文及其时间戳被缓存在各自的FIFO中后，当某个信道同步后的结束字节使能信号到来时就置高当前信道使能信号，直到收到来自发送模块的整包结束信号，才禁用此信道使能信号。当传输数据报文时，传输模块顺序读取21个数据FIFO和21个时间戳FIFO，同时将各个信道的时间戳添加在报文后面，产生写控制信号将射频模块接收的报文和时间戳都存储在总FIFO中。