专利名称：工业无线网络协议一致性测试系统及测试方法
技术领域：
本发明属于工业无线网络，具体涉及一种工业无线网络协议一致性测试技术。
背景技术：
目前工业领域的无线网络标准有无线HART标准、ISA100. Ila标准以及中国的 WIA-PA标准。这些标准都使用自然语言描述，并且涉及很多关键技术，如跳信道技术，调度 技术，安全机制等，实现者对于协议的不同理解会导致不同的协议实现，甚至有时会是错误 实现。因此，必须对协议实现方的协议进行严格的一致性测试，来检测被测协议实现与协议 规范的符合程度。现有的协议一致性测试方法主要分为两类一类是针对互联网协议的一致性测 试方法，一类是针对移动通信协议的一致性测试方法。针对互联网协议的一致性测试方法 适用于有线网络协议，不能针对工业无线网络协议的无线特点有效进行测试。移动通信网 络协议虽然也是无线协议，但是它的协议体系结构和通信方式与工业无线网络协议有较大 区别，例如移动通信网络对通信确定性和实时性没有明确的要求，而工业无线网络必须保 证通信的确定性和实时性、需要系统模块之间的精确时间同步。中国专利申请(申请号 200510057338. 1)公开了一种EPA协议一致性测试系统与方法，提出了一种针对EPA产品进 行EPA协议一致性测试的系统和方法，该测试适用于工业现场的有线EPA网络协议，主要针 对工业有线网络提出了适合于工业以太网的一致性测试的系统和方法，由于无线网络协议 体系自身的特点，以及协议的多样性和复杂性，针对有线网络协议一致性测试的技术并不 适用于工业无线网络，与传统的有线测试方式不同，无线协议的传输介质为空气，在一个具 有多个频点的频段上进行数据传输，要想获得无线网络中的所有数据必须对所有频点进行 监听。同时，现有无线协议一致性测试方法通常只能给出测试案例测试通过与否的简单结 果，而不能提供更详尽的预测评估信息。
发明内容
本发明针对现有技术的上述缺陷，提出了一种工业无线协议一致性测试方法及测 试系统。该测试方法和测试系统针对工业无线协议特点和要求，能够根据测试案例自动制 定和构建相应模拟测试环境，以便有效、全面检测测试案例的实现效果。此外，该测试方法 和测试系统能够利用智能测试分析仪中的全信道数据捕获控制模块获取测试环境中所有 信道上的实时数据，结合测试代理返回的数据和结果，依据智能分析与预测评估等技术，提 供测试结果及测试报告信息，并分析导致测试未通过的原因。本发明提出的一致性测试系统包括，人机接口模块、智能测试分析仪、一致性测试 模块，人机接口模块导入需要被测试设备的协议实现一致性说明PICS文件和协议实现附 加说明PIXIT文件；智能测试分析仪采用多个独立的无线数据采集模块实时监听网络信道 中所有频点，每个无线数据采集模块分别监听一个独立信道，获得无线网络中的所有数据 并进行处理，将处理后数据发送到一致性测试模块，一致性测试模块根据被测试设备的协议实现一致性说明文件和协议实现附加说明文件确定协议的实现声明对其进行测试。其中，测试分析仪集成了全信道数据捕获控制模块、环境模拟控制模块、测试代理模块、数据处理模块、多个无线数据采集模块等。环境模拟控制模块确定是否需要开启环境 模拟模块以及构建模拟测试环境；全信道数据捕获控制模块控制并确定哪个无线数据采集 模块对无线信道进行数据捕获，数据处理模块对捕获数据的数据包头信息和长度信息进行 处理，丢弃无效和损坏数据包。无线数据采集模块对无线信道进行数据捕获中各模块同步， 当监听的信道中有数据到来时，无线数据采集模块立即产生一个同步中断，记录接收到数 据的时间，在获取的数据包的包头添加时间戳、信道戳；以数据处理模块的时钟为同步时钟 源，数据处理模块每隔同步周期T同时向所有无线数据采集模块发送同步中断，并定时间 偏移值ΔΤ，以ΔΤ为修正值，计算所有无线数据采集模块的同步时间值，以保证所有独立 无线数据采集模块采集无线信道的实时性和准确性。一致性测试模块中测试例执行模块可 根据待测试案例的测试需求，确定是否需要开启环境模拟模块以构建模拟测试环境；如果 需要，则通过智能测试分析仪中环境模拟控制模块下发(或调用)并运行模拟集，从而实现 测试模拟环境的构建；测试结果分析模块以测试执行模块返回的测试结果result(X)、环 境模拟控制模块反馈的执行情况simulator (y)以及全信道数据捕获控制模块反馈的实时 数据alldata(Z)作为输入，根据智能分析和预测评估规则f，生成测试报告finalreport， 即finalr印ort = f (result, simulator, alldata)。报告中不仅包括本次测试通过与否的 信息，还包括根据评估规则得知的未通过的可能原因等详实准确的测试报告信息。本发明还提出一种一致性测试方法，具体包括，需要被测试设备的协议实现一致 性说明PICS文件和协议实现附加说明PIXIT文件；智能测试分析仪采用多个独立的无线 数据采集模块实时监听网络信道中所有频点，每个无线数据采集模块分别监听一个独立信 道，获得无线网络中的所有数据并进行处理，将处理后数据发送到一致性测试模块，一致性 测试模块根据被测试设备的协议实现一致性说明文件和协议实现附加说明文件确定协议 的实现声明对其进行测试。本发明集测试命令的射频收发、工业无线测试环境全信道同步无线数据信息捕 获、测试模拟环境(如多信道干扰等)的智能构建、智能分析与预测评估等于一体，针对工 业无线网络协议的特点，能更全面深入、更准确完备、更智能高效、更方便快捷地实现工业 无线协议一致性的测试，并能通过更详实的测试数据评估测试协议实现的性能，为检验工 业无线网络设备、系统和工程应用提供了有效测试系统和方法，为工业无线网络设备产品 认证和多个不同厂家不同协议实现之间的设备互联提供了技术保证。
图1测试系统结构框2工业无线全信道智能测试分析仪实现方案主结构框图
具体实施例方式以下针对附图和具体实例对本发明的实施进行具体描述。如图1所示为测试系统 结构框图。该工业无线网络协议一致性测试系统包括人机接口模块、一致性测试模块、智能 测试分析仪。人机接口模块导入需要被测试设备的协议实现一致性说明(PICS)文件和协议实现附加说明(PIXIT)文件；智能测试分析仪集成了全信道数据获取控制模块、环境模拟控制模块、测试代理 模块、数据处理模块、多个无线数据采集模块。该分析仪集测试命令的射频收发、工业无线 测试环境全信道同步无线数据信息捕获以及测试模拟环境(如多信道干扰等)的智能构建 等于一体。测试代理模块是集成了符合被测协议实现的标准全功能设备，测试代理模块的 角色和功能可根据被测对象的需求通过上位机测试软件进行选择和配置。测试代理模块负 责接收来自测试执行模块的测试控制报文，相应地产生与执行测试命令，并将测试命令下 发给测试代理模块(UTA)；等待接收来自于测试代理模块(UTA)的服务和响应结果，并发送 给测试结果分析模块。被测试代理(UTA)接收来自测试代理模块的测试报文，并将传送给 被测协议实现(IUT)，并将从被测协议实现(IUT)接收到的服务和响应发送给被测试代理 (UTA)。智能测试分析仪中的全信道数据捕获控制模块根据测试需求以选择需要在那些 独立信道监听无线数据，然后下发控制命令给需要监听的无线模块以实现在哪些频段利用 无线模块进行无线数据捕获。每个无线模块在接收到来自于全信道数据捕获控制模块下发 的控制命令后，分别在各自信道监听和接收无线数据，并立即产生一个同步中断，记录接收 数据的时间，在获取的数据包的包头添加时间戳、信道戳等有效信息。数据处理模块将处理 后的数据发送到一致性测试模块。为保证各无线数据采集模块的时间同步的精确性和即时 性，数据处理模块为多个独立的数据采集模块进行时间同步，数据处理模块每隔同步周期T 同时向所有数据采集模块发送同步中断，根据同步周期记录的时间偏移值为ΔΤ，由此确定 同步后的时间戳值。为保证实时准确地获取所有信道的数据并将其实时准确地传递给上位 机测试处理，本智能测试分析仪采用多个独立的无线数据采集模块按照测试需求选择和监 听网络信道，实时捕获无线测试环境中的所有数据并进行综合，将综合后的数据发送到一 致性测试模块；一致性测试模块根据被测试设备的协议实现一致性说明文件和协议实现附 加说明文件确定协议的实现声明对其进行测试。环境模拟控制模块确定是否需要开启环境模拟模块以及构建模拟测试环境。环境 模拟控制模块根据来自于测试执行模块的环境模拟需求命令，相应地产生和启动环境模拟 执行命令，并将环境模拟执行命令下发给相应的无线模块。无线模块接到环境模拟执行命 令后，提取命令类型和参数，并相应地产生期望的无线数据包，从而实现了测试环境的模拟 和构建。每个无线数据采集模块分别监听一个信道。当有数据到来时，无线数据采集模块 接收数据包，并立即产生一个同步中断，记录接收到数据的时间，在获取的数据包的包头添 加时间戳、信道戳等有效信息，以确保数据传输的准确性。无线数据采集模块与数据处理模 块之间可采用串行接口、SPI接口等传输方式进行数据通信，无线数据采集模块将获取的数 据包传送给数据处理模块，数据处理模块对收到的数据包的包头信息和长度信息进行判断 处理，丢弃无效和损坏数据包后，将处理后数据通过通信模块将数据传给发送到一致性测 试模块，一致性测试模块根据被测试设备的协议实现一致性说明文件和协议实现附加说明 文件确定协议的实现声明对其进行测试。多个无线数据采集模块将采集到的数据以触发机制传输给数据处理模块，数据处 理模块为多个数据采集模块进行时间同步。由于各无线数据采集模块之间是相互独立的，因此在运行过程中模块实现记录时间戳的功能时会出现相互之间时间偏差的问题，而且各 模块长期运行后也会出现系统时间不一致的问题，这些问题都会导致上位机接收到的数据 包时间信息不精确，从而不能准确实现协议测试的相关要求。为了解决这个问题，需要在整 个系统内进行时间同步。为保证各无线数据采集模块的时间同步的精确性和即时性，首先 确定数据处理模块的系统时钟为时钟源，即以数据处理模块的时间为系统中的标准时间， 数据采集模块的时钟作为从时钟与数据处理模块的时钟进行同步。数据处理模块每隔固定 时长T同时向多个数据采集单元发送同步中断，T是同步周期，可以根据系统要求进行相应 调整。数据采集单元响应同步中断后记录中断产生的时间信息。其中程序初始化后接收 到第一次中断的时间记为T0，之后接收到的第η次中断的时间记为Τη，记录的时间偏移值 为ΔΤ。根据公式ΔΤ = η · T-(Tn-TO)确定间偏移值ΔΤ。Δ T值为该数据采集模块与数 据处理模块间的时间偏差值，根据ΔΤ，在记录时间戳时，以ΔΤ为修正值，调用公式t = t' -Το+ΔΤ计算出同步后的时间值。其中，t'为同步前的时间戳值，t为同步后的时间戳 值。只要保证可以在相同时间里向各个数据采集单元发送同步中断，既可以使各个数据采 集单元与数据处理单元的时钟同步，从而保证系统内的时间统一，完成系统的时间同步要求。一致性测试模块包括说明文件一致性检查模块、测试例选取模块、测试例执行模 块、测试结果分析模块、测试报告生成模块。根据被测试设备的协议实现一致性说明(PICS) 文件和协议实现附加说明(PIXIT)文件确定协议的实现声明对其进行测试。说明文件一致性检查模块检查被测协议的PICS和PIXIT，确定协议的实现声明 是否符合协议标准规定的；如果符合标准规定则测试例选取模块根据抽象测试集和PICS/ PIXIT分析结果选择所需测试的功能和测试案例；测试例执行模块下发测试命令，并接收 被测试设备的响应数据。一致性测试模块中测试例执行模块可根据待测试案例需求，以 决定是否需要构建模拟测试环境；如果需要，则通过智能测试分析仪中环境模拟控制模块 下发(或调用)并运行模拟集，从而实现测试模拟环境的构建。例如，工业无线协议(如 WirelessHART和ISA100工业无线标准)中常常需要测试工业无线设备是否具有在收到外 界干扰情况下主动报告其侦察到的干扰信道的健康报告功能。当测试该功能时，本发明中 的测试例执行模块可下发命令给智能测试分析仪中环境模拟控制模块，要求其在几个指定 无线信道产生持续模拟干扰源；环境模拟控制模块则控制相应的几个无线模块产生持续模 拟干扰源；然后，当被测设备运行在此构建的模拟测试环境中，通过对比分析智能测试分析 仪中测试代理返回的结果，可以测试该被测设备是否具备健康报告功能以及该功能实现效 果。一致性测试模块中测试结果分析模块以测试执行模块返回的测试结果result (χ)、环境 模拟控制模块反馈的执行情况simulator (y)以及全信道数据捕获控制模块反馈的实时数 据alldata(Z)作为输入，根据智能分析和预测评估规则f，生成测试报告finalr印ort，即 finalreport = f (result, simulator, alldata)。报告中不仅包括本次测试通过与否的信 息，还包括根据评估规则得知的未通过的可能原因等详实准确的测试报告信息。在协议测试过程中，为了保证测试的准确性和权威性，并给出详细的测试报告，较 为详细地诊断测试失败故障，使用全信道数据获取模块获取测试环境中数据。工业现场环 境恶劣，存在同种或不同种网络之间的多种干扰，为了解决环境制造问题，环境模拟模块可 根据具体的测试案例需要制造各种不同的测试模拟环境。因此，本发明集测试命令的射频收发、工业无线测试环境全信道同步无线数据信息捕获、测试模拟环境(如多信道干扰等) 的智能构建、智能分析与预测评估等于一体，针对工业无线网络协议的特点，能更全面深 入、更准确完备、更智能高效、更方便快捷地实现工业无线协议一致性的测试，并能通过更 详实的测试数据评估测试协议实现的性能，为检验工业无线网络设备、系统和工程应用提 供了有效测试系统和方法，为工业无线网络设备产品认证和多个不同厂家不同协议实现之 间的设备互联提供了技术保证。以下针对2. 4GHz的ISM频段说明本系统的一种实现方案，本实施方案的主结构图 如上图所示。核心部分采用AT91RM9200处理器，主要实现环境模拟控制功能和全信道数据 捕获处理控制功能，AT91RM9200内部集成的SRAM为16K，ROM为128K。为了存放操作系统和 完全满足系统的运行要求，本系统扩展了 1片FLASH存储器E28F128和2片SDRAM存储器， MT48LC8M16A2。时钟电路可采用18. 432MHz的有源晶振，通过倍频后使得AT91RM9200的工 作频率最多能够达到180MHz。可达到系统的速度要求。由于2. 4GHz频段有16个信道，能 够提供250kbps的传输速率，采用QPSK调制方式。所以本系统采用了 16个无线模块用来 同时监听16个信道或者对任意的一个或者几个信道进行干扰，TI公司CC2430芯片为无线 数据采集模块的核心，CC2430芯片除了具有符合IEEE802. 15. 4规范的2. 4GHz无线射频前 端，它还在片内集成了 8051微处理器，可接收或者发送任何符合IEEE 802. 15. 4标准的无 线数据包。无线模块数据传输采用串口的传输方式。本方案选用的核心处理器AT91RM9200 有4个独立的串口。因此采用一种1扩5的串口扩展芯片GM8125，使用该芯片时其母串口 和子串口的传输速度是6 1，并且其内部还设置有缓存，因此核心处理器能实时地处理16 个信道的数据。采用4片串口扩展芯片，即可解决数据的实时处理问题，达到同时监听16 个信道的目的，同时也可以同时使各个无线模块对各个信道发送环境模拟信号。测试代理模块以ARM处理器MC13224为核心，采用高速的SPI接口方式实现和 ARM9之间通信，以实现各种测试功能，并实时的将测试结果传输给上位机。环境模拟模块负责根据上位机的指令，实现数据发送功能，发送包括测试案例的 测试命令和测试环境的模拟数据等。环境模拟模块以CC2430为核心，与ARM处理器MC13224 之间采用串口的方式通信，主要对外发送无线信号，实现模拟环境干扰等功能。本实施方案中通信模块采用USB实现上位机与分析仪的通信，主要由USB芯片 CH372组成，CH372兼容USB2. 0即插即用，CH372芯片内部集成了 PLL倍频器、USB接口 SIE、数据缓冲区、被动并行接口、命令解释器、通用的固件程序等主要部件。AT91RM9200 将采集到的数据处理后，需经过USB接口将数据传输给上位机，从而实现上位机测试软 件对数据进行分析的功能。电源供电模块采用电源适配器供电，电源转换芯片采用的是 AS1117-1. 8V, LM2576HV-5. 0V, AS2830-3. 3V3 个电源转换芯片，用于产生标准的 5. 0V， 3. 3V，1. 8V的标准电压给整个系统供电，使整个系统正常工作。各模块之间实现时间同步的具体方法如下以ARM处理器的时钟作为系统时钟， ARM处理器每隔固定时长Is同时向多个数据采集单元发送同步中断，CC2430单元响应同 步中断后记录中断产生的时间信息。其中需要将程序初始化后接收到第一次中断的时间记 录在一个全局变量tl中，并在全局变量n中记录中断接收次数，之后接收到的每次中断的 时间记录在另一个全局变量t2中，由变量tl，t2和n根据公式AT = n*T-(Tn-T0)可以 计算出偏移值，记录在变量t3中。通过计算出的偏移值即为CC2430采集单元与arm数据
8处理单元间的时间偏差值，根据这个偏移值，在记录时间戳时使用变量t3作为修正值，用 实际时间值减去第一次中断记录的时间基值tl再加上修正值t3可以计算出同步后的时间 值。以此保证可以在相同时间里向各个数据采集单元发送同步中断，实现各独立无线数据 采集模块间的时间同步，从而保证各模块间的无时序误差的同步实时数据捕获。
以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的方 法和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
一种工业无线网络协议一致性测试系统，其特征在于，系统包括人机接口模块、智能测试分析仪、一致性测试模块，人机接口模块导入需要被测试设备的协议实现一致性说明PICS文件和协议实现附加说明PIXIT文件；智能测试分析仪采用多个独立的无线数据采集模块实时监听网络信道中所有频点，每个无线数据采集模块分别监听一个独立信道，获得无线网络中的所有数据并进行处理，将处理后数据发送到一致性测试模块，一致性测试模块根据被测试设备的协议实现一致性说明文件和协议实现附加说明文件确定协议的实现声明对其进行测试，生成测试报告。
2.根据权利要求1所述的一致性测试系统，其特征在于，智能测试分析仪集成了全信 道数据捕获控制模块、环境模拟控制模块、测试代理模块、数据处理模块、多个无线数据采 集模块，环境模拟控制模块确定是否需要开启环境模拟模块以及构建模拟测试环境；全信 道数据捕获控制模块控制并确定哪个无线数据采集模块对无线信道进行数据捕获，数据处 理模块对捕获数据的数据包头信息和长度信息进行处理，丢弃无效和损坏数据包。
3.根据权利要求1所述的一致性测试系统，其特征在于，一致性测试模块中测试结果 分析模块以测试执行模块返回的测试结果、环境模拟控制模块反馈的执行情况以及全信道 数据捕获控制模块反馈的实时数据作为输入，根据智能分析和预测评估规则，生成测试报告
4.根据权利要求2所述的一致性测试系统，其特征在于，当监听的信道中有数据到来 时，无线数据采集模块立即产生一个同步中断，记录接收到数据的时间，在获取的数据包的 包头添加时间戳、信道戳。
5.根据权利要求2所述的一致性测试系统，其特征在于，所述数据处理模块的时钟 为同步时钟源，数据处理模块每隔同步周期T同时向所有无线数据采集模块发送同步中 断，调用公式AT = n T-(Tn-TO)确定时间偏移值AT，以AT为修正值，调用公式t = t' -To+AT 计算所有无线数据采集模块的同步时间值，其中，TO为第一次同步中断时 间，Tn为第n次同步中断时间，t'为同步前的时间戳值，t为同步后的时间戳值。
6.一种工业无线网络协议一致性测试方法，其特征在于，人机接口模块导入需要被测 试设备的协议实现一致性说明PICS文件和协议实现附加说明PIXIT文件；智能测试分析仪 采用多个独立的无线数据采集模块实时监听网络信道中所有频点，每个无线数据采集模块 分别监听一个独立信道，获得无线网络中的所有数据并进行处理，将处理后数据发送到一 致性测试模块，一致性测试模块根据被测试设备的协议实现一致性说明文件和协议实现附 加说明文件确定协议的实现声明对其进行测试。
7.根据权利要求6所述的一致性测试方法，其特征在于，智能测试分析仪集成了全信 道数据捕获控制模块、环境模拟控制模块、测试代理模块、数据处理模块、多个无线数据采 集模块，环境模拟控制模块确定是否需要开启环境模拟模块以及构建模拟测试环境；全信 道数据捕获控制模块控制并确定哪个无线数据采集模块对无线信道进行数据捕获，数据处 理模块对捕获数据的数据包头信息和长度信息进行处理，丢弃无效和损坏数据包。
8.根据权利要求6所述的一致性测试方法，其特征在于，一致性测试模块中测试结果 分析模块以测试执行模块返回的测试结果、环境模拟控制模块反馈的执行情况以及全信道 数据捕获控制模块反馈的实时数据作为输入，根据智能分析和预测评估规则，生成测试报告
9.根据权利要求7所述的一致性测试方法，其特征在于，所述无线数据采集模块对无 线信道进行数据捕获中各模块同步过程包括，当监听的信道中有数据到来时，无线数据采 集模块立即产生一个同步中断，记录接收到数据的时间，在获取的数据包的包头添加时间 戳、信道戳；以数据处理模块的时钟为同步时钟源，数据处理模块每隔同步周期T同时向所 有无线数据采集模块发送同步中断，调用公式AT = n T-(Tn-TO)确定时间偏移值AT， 以AT为修正值，调用公式t = t' _To+AT计算所有无线数据采集模块的同步时间值， 其中，TO为第一次同步中断时间，Tn为第n次同步中断时间，t'为同步前的时间戳值，t为 同步后的时间戳值。
全文摘要
本发明请求保护一种工业无线网络协议一致性测试系统和测试方法，涉及工业无线网络。本发明采用多个独立的无线数据采集模块实时监听网络信道中所有频点，每个无线数据采集模块分别监听一个独立信道，实时准确获取工业无线网络中全频点数据，送入一致性测试模块根据被测试设备的协议实现一致性说明文件和协议实现附加说明文件确定协议的实现声明对其进行测试，生成测试报告。本发明为检验工业无线网络设备、系统和工程应用提供了有效测试系统和方法，为工业无线网络设备产品认证和多个不同厂家不同协议实现之间的设备互联提供了保证。
文档编号H04W24/06GK101808355SQ200910251038
公开日2010年8月18日 申请日期2009年12月28日 优先权日2009年12月28日
发明者曲耿, 王平, 王泉, 王进贤, 金永翰, 高喻, 魏旻, 魏玲利 申请人:重庆邮电大学;韩国崇实大学产学协力团