基于STM32嵌入式的無線通信遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸控制系統(tǒng)設(shè)計

史 磊

(陜西機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子與信息學(xué)院，陜西 寶雞 721001)

0 引言

無線通信是指多個節(jié)點間不通過導(dǎo)體傳播而實現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸通訊的技術(shù)，與有線通信相比，無線通信方式具有結(jié)構(gòu)簡單、傳輸距離遠(yuǎn)等優(yōu)點，不會受到光纜、導(dǎo)線等硬件設(shè)備的約束，能夠在很大程度節(jié)約硬件成本，完成有線通信設(shè)備無法完成的數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)，因此網(wǎng)絡(luò)通信信息的獲取和傳輸逐步從有線過渡到無線，并應(yīng)用到諸多工作領(lǐng)域中[1]。一般來講，無線通信主要利用無線電波作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)拿浇?，將發(fā)送端與接收端設(shè)備的數(shù)據(jù)信息調(diào)制到相同的載波頻率上，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的定向傳輸。

然而從當(dāng)前無線通信遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用情況來看，受到通信傳輸環(huán)境的影響，會出現(xiàn)傳輸中斷、傳輸數(shù)據(jù)丟失等現(xiàn)象，隨著使用用戶數(shù)量的增加，無線通信服務(wù)也容易出現(xiàn)傳輸擁塞等問題，不僅會影響無線通信的運行效率，還有可能造成信息泄露等嚴(yán)重后果。為了最大程度地保證無線通信遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩€(wěn)定性以及時效性，有必要設(shè)計并應(yīng)用相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳輸控制系統(tǒng)。

現(xiàn)有的數(shù)據(jù)傳輸控制系統(tǒng)存在明顯的控制功能不佳、運行性能差的問題，主要體現(xiàn)在數(shù)據(jù)傳輸丟失量大、擁塞概率高、吞吐量差等方面，為了解決上述傳統(tǒng)控制系統(tǒng)存在的問題，引入STM32嵌入式的概念。將STM32以嵌入式的方式應(yīng)用到無線通信遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸控制系統(tǒng)中，改裝傳輸數(shù)據(jù)處理器，加設(shè)時鐘發(fā)生器，提升無線通信遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸控制效果。通過系統(tǒng)電路的連接實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸控制硬件系統(tǒng)的設(shè)計，采集并處理無線通信數(shù)據(jù)資源，設(shè)置遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸控制協(xié)議并通過信道特征分配遠(yuǎn)程傳輸數(shù)據(jù)資源，提高系統(tǒng)的傳輸控制功能與運行性能。

1 無線通信遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸控制硬件系統(tǒng)設(shè)計

無線通信遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸控制系統(tǒng)以無線信息遠(yuǎn)程控制為主要手段，通過對傳輸信道、傳輸數(shù)據(jù)等主體的控制，完成對數(shù)據(jù)傳輸流量以及傳輸速度的控制。此次無線通信遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸控制系統(tǒng)分別從硬件、軟件功能程序兩個方面進行分析優(yōu)化設(shè)計，其中硬件部分的作用是為數(shù)據(jù)庫以及軟件功能的運行提供支持，硬件系統(tǒng)的基本框架如圖1所示。

圖1 無線通信遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸控制硬件系統(tǒng)框圖

在傳統(tǒng)傳輸控制硬件系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，利用STM32對控制器以及微處理器等硬件設(shè)備進行優(yōu)化，同時對部分硬件元件和連接電路進行改裝和調(diào)整，提高硬件設(shè)備的運行效率。

1.1 STM32嵌入式數(shù)據(jù)傳輸控制器

STM32嵌入式芯片基于Cortex-m3核心，結(jié)合了多種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的高性能接口，并與STM32系列產(chǎn)品的管腳和軟件兼容，使得STM32適配于多種應(yīng)用程序[2]。為滿足系統(tǒng)的互聯(lián)功能和實時性能，選擇STM32107型號的芯片進行傳輸控制器優(yōu)化。圖2表示的是STM32107嵌入式芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

圖2 STM32嵌入式芯片結(jié)構(gòu)圖

圖2所示的STM32控制芯片，包括256KB的Flash存儲器，6個USART接口、3個16位DAC轉(zhuǎn)換器、12個DMA通道、以太網(wǎng)IEEE1588接口等。STM32嵌入式芯片相對于傳統(tǒng)的嵌入式控制系統(tǒng)，采用IEEE1588協(xié)議，內(nèi)置雙CAN總線具有良好的網(wǎng)絡(luò)連接能力[3]。STM32芯片采用了嵌入式的方式連接到傳統(tǒng)控制器上，實現(xiàn)一種經(jīng)濟的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。在硬件方面，它支持IEEE1588精確計時協(xié)議，能夠在網(wǎng)絡(luò)上進行準(zhǔn)確的時鐘同步，為更多的嵌入式應(yīng)用程序預(yù)留CPU空間。STM32中采用的雙CAN20B模塊是一種更為便捷的CAN橋接方式。

1.2 傳輸數(shù)據(jù)處理器

優(yōu)化設(shè)計的無線通信遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸控制系統(tǒng)采用ARM7型信號處理裝置進行了優(yōu)化設(shè)計，包括核心、總線、外部接口、調(diào)試等部分。內(nèi)核是執(zhí)行運算、內(nèi)存存取、周邊界面控制、中斷控制等功能的核心。ARM7處理器采用了一個簡單的二極管處理命令，一個命令被內(nèi)核同時解碼，而另一個命令又被讀取到了內(nèi)存中，所以程序計數(shù)器總是指向下一個命令，而非目前被執(zhí)行的命令。ARM7核心包含38個寄存器，32個通用寄存器，6個寄存器不能用于使用者和程序[4]。目前可使用的暫存器組合需要通過處理器狀態(tài)、運行、閑置和運行方式來確定。

1.3 時鐘發(fā)生器

硬件系統(tǒng)中的所有元件均為時序電路，需要一個時鐘信號才能工作，為此在硬件設(shè)備中內(nèi)置一個型號為LPC2210晶體振蕩器，LPC2210晶體振蕩器的工作模式可以分為從屬模式和振蕩模式兩種[5]，從屬模式下的工作原理如圖3所示。

圖3 時鐘發(fā)生器工作原理圖

輸入時鐘信號被耦合到一個大于100 pF的電容器Cc，該電容器的振幅小于200米Vrms，X2管腳未被連接。若選取從屬模式，則將振蕩器輸出Fosc信號的頻率限定為1至50 MHz[6]。在振蕩模式下，LPC2210芯片內(nèi)部有一個反饋電阻，因此，只要將 Xtal與Cx1,Cx2的外部相連，即可實現(xiàn)基本的振蕩[7]。

1.4 系統(tǒng)外圍電路設(shè)計

1.4.1 電源電路

無線通信遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸控制系統(tǒng)的控制器是在通訊網(wǎng)絡(luò)中正常工作的，其穩(wěn)定、可靠的電力供應(yīng)是確保其可靠工作的先決條件[8]。該系統(tǒng)的供電電路采用線性穩(wěn)壓器，線性穩(wěn)壓電源具有響應(yīng)迅速、噪音低、輸出波動小等特點[9]?？刂破鞯?IC晶片均為5 V及3.3 V?？刂破骷拔锢韺?PHY晶片的工作電源為3.3 V DC，而儲存晶片及 I/O控制電路則需5 V供電。由于控制電路由5 V DC供電，所以由 LM1117-3.3 V的穩(wěn)壓芯片構(gòu)成，LM1117具有過熱保護、限制過流的作用，保障電壓穩(wěn)定度達到了電路工作的需要。

1.4.2 通信接口電路

優(yōu)化設(shè)計的數(shù)據(jù)傳輸控制系統(tǒng)需保證最基礎(chǔ)的串口通訊，只需 RXD, TXD, GND三種通信接口電路即可實現(xiàn)。這種連接只需要三條線路，也就是模擬了 MCU的串行通訊方式，需要用SP232實現(xiàn)控制器與電腦之間的電平變換。

1.4.3 液晶顯示電路

為直觀地顯示無線數(shù)據(jù)采集終端的采集結(jié)果，同時也便于系統(tǒng)的調(diào)試，系統(tǒng)使用128*64的液晶顯示設(shè)備，并采用ST7920驅(qū)動128x64 LCD模組，既能實現(xiàn)32路 com的輸入，又能實現(xiàn)64路 Sg的輸出[10]。該系統(tǒng)采用ST7921驅(qū)動256×32的點陣 LCD，適用于漢字及圖形的顯示，內(nèi)置2 M中文字型 ROM[11]。另外，系統(tǒng)還具有4位并行功能，以滿足不同的微處理器和 MCU的接口要求。將顯示器設(shè)備與系統(tǒng)其他元件按圖4方式進行連接。

圖4 液晶顯示連接電路圖

LCD顯示器采用3線串聯(lián)模式， PSB管腳固定在地面上，使 I/O占用較小，程序編制簡便。同時，通過STM32的 IO來實現(xiàn)對背光的控制，延長 LCD屏幕的使用壽命。

除了上述硬件設(shè)備和電路外，數(shù)據(jù)采集器、通信網(wǎng)絡(luò)等設(shè)備均沿用傳統(tǒng)無線通信遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸控制硬件系統(tǒng)中的設(shè)備。

2 無線通信遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸控制系統(tǒng)軟件功能設(shè)計

2.1 無線通信數(shù)據(jù)收集與處理

啟動硬件系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集器，按照圖5表示流程進行初始無線通信數(shù)據(jù)的采集。

圖5 無線通信數(shù)據(jù)采集流程圖

在采集動態(tài)無線通信數(shù)據(jù)過程中，通過SPI中斷服務(wù)和中斷服務(wù)程序來實現(xiàn)，STM32控制器通過SPI中斷來接收初始數(shù)據(jù)，SPI中斷服務(wù)中，將所收到的數(shù)據(jù)存儲到對應(yīng)的全局陣列變量spi_data中，從而保證當(dāng)前采集數(shù)據(jù)的實時性[12]。為了滿足無線傳輸通信信道的傳輸規(guī)則，需要對初始采集的數(shù)據(jù)進行處理，規(guī)范數(shù)據(jù)的報文格式。首先利用公式(1)對數(shù)據(jù)進行無量綱規(guī)范化處理。

(1)

式中,x為初始采集的無線通信遠(yuǎn)程傳輸數(shù)據(jù)，xmax和xmin為數(shù)據(jù)的最大值和最小值。在此基礎(chǔ)上將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為ACK報文格式，ACK報文包含了一個消息的回復(fù)和一個特定的序列號的回復(fù)[13]。當(dāng)接收端收到消息時，報文的序列被存儲在響應(yīng)包清單中，并且基于該清單來計算下一次傳送的 ACK域的值。若傳送代理傳送1、2、3、4、5五個消息，當(dāng)報文到達接收端傳送代理的次序是1、2、4、5，則接收端的 acklist中存儲[1、2、4、5]，則 ACK是3，表明所有小于3的消息都被接收。在下一次 ACK報文被傳送時， ACK字段置為3,t字段為001，并且將sn=4、sn=5的消息確認(rèn)應(yīng)答置于 ACK的負(fù)載中，通知發(fā)送端，序號小于3的消息已被接收，而序號為4和5的消息也已接收，發(fā)送者僅需重新發(fā)送3號消息[14]。采用該格式和響應(yīng)機制，可以極大地降低重復(fù)發(fā)送的消息，間接地提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)男省?/p>

2.2 設(shè)置無線通信遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸控制協(xié)議

無線通信遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸選擇TCP/IP協(xié)議作為控制約束標(biāo)準(zhǔn)，傳輸控制協(xié)議的工作流程如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)傳輸控制協(xié)議工作流程圖

若傳輸信道處于靜態(tài)狀態(tài)，則無實體層連接。在調(diào)制解調(diào)器的載頻信號被偵測并且物理層連接被建立之后， LCP就會開始進行一些選擇。談判完畢，就進入鑒定階段。如果通信雙方識別成功，就可以進行網(wǎng)絡(luò)訪問。NCP設(shè)定網(wǎng)路層，指定 IP位址，進入開放狀態(tài)，進行資料通訊。在完成了數(shù)據(jù)傳送之后，進入了終止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)載波停止時，恢復(fù)到靜止?fàn)顟B(tài)。在實際運行過程中，IP協(xié)議用來約束數(shù)據(jù)包的接收與發(fā)送、數(shù)據(jù)傳輸信道的搜索、路由以及差錯處理等[15-17]。IP協(xié)議的作用就是把數(shù)據(jù)包傳遞給目標(biāo)主機，因為在某些中間節(jié)點上都沒有驗證的程序，因此無法保證數(shù)據(jù)包的正確性。在傳送過程中，若出現(xiàn)了由路由器緩沖溢出引起的包丟失等差錯，協(xié)議會依據(jù)自己的糾錯算法，將此資料包刪除，并以響應(yīng)消息報文的方式傳送至源主機，只有高層傳送控制協(xié)議才能保證其可靠性。

2.3 分配無線通信遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)

在無線通信遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸控制協(xié)議的約束下，假設(shè)無線通信環(huán)境的初始通道是隨機生成的，在此期間，該節(jié)點不再變換通道，而是一直在這個通道內(nèi)。該節(jié)點利用偽隨機序列生成的種子來計算下一時段的頻道，信道是頻道的總數(shù)。利用偽隨機序列生成的種子，下一個時間周期內(nèi)使用的信道可以表示為：

nChannel=(βChannel+seed)mod(NChannels)

(2)

式中,nChannel和NChannels分別為節(jié)點將要切換的新信道編號和信道總數(shù)量，βChannel為節(jié)點初始信道，seed為偽隨機序列產(chǎn)生的種子。以初始采集并處理完成的數(shù)據(jù)作為分配目標(biāo)，則其分配結(jié)果可以表示為：

(3)

2.4 實現(xiàn)無線通信遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸控制

根據(jù)無線通訊的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳送流程，客戶機_ a和客戶機_ b被定義為發(fā)送方，agent_A和agent_B作為接收方，首先在發(fā)送方和接收方之間建立 TCP連接，當(dāng)接到客戶端_ a的 Connection請求時，agent_A將代理響應(yīng)于client_a，并將client_a傳送到發(fā)送隊列中，同時向agent_B詢問client_b的狀況，agent_B先查詢接收會話信息表 RIB，然后主動地與client_b建立聯(lián)系，并通過 RESPONSE消息反饋給agent_B。一旦agent_A接收到agent_B和client_b之間的連接成功，則告知發(fā)送端傳送代理將數(shù)據(jù)從發(fā)送隊列中提取，并將其封裝在 UTP包的數(shù)據(jù)區(qū)進行發(fā)送[18]。相應(yīng)地，在接收 UTP包之后，接收端傳送代理按照包類型進行處理，若發(fā)現(xiàn)為數(shù)據(jù)包，則從 UTP包中分析該數(shù)據(jù)，通過agent_B向客戶機_ b傳送一個應(yīng)答包，并且將響應(yīng)包傳送到發(fā)送代理，若發(fā)現(xiàn)為響應(yīng)包，則按照響應(yīng)包從傳送隊列中刪除相應(yīng)的數(shù)據(jù)。在完成了數(shù)據(jù)傳送之后，客戶機_ a主動啟動中斷連接請求，agent_A將 FINISH報文發(fā)送給agent_B，告知agent_B切斷與客戶機_b的連接，agent_B在收到 FINISH消息后，切斷與客戶機_b的連接并從接收會話表中刪除傳輸相關(guān)會話信息[19]。按照上述數(shù)據(jù)傳輸流程，利用安裝的控制器設(shè)備，在傳輸協(xié)議的約束下，以選擇的信道為控制目標(biāo)，實現(xiàn)系統(tǒng)的無線通信遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸控制功能。無線通信遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸流量控制的目的是最大程度地避免傳輸信道出現(xiàn)擁塞現(xiàn)象，首先利用式(4)計算無線通信網(wǎng)絡(luò)中任意信道的最大鏈路容量。

Qi=RTTi×Bandwidthi

(4)

式中,變量RTTi和Bandwidthi分別表示的是鏈路往返時延向量和測量代理查詢每個端口的帶寬信息。在實際流量控制過程中，根據(jù)式(4)的計算結(jié)果生成一個流量擁塞控制窗口，任意時刻無線通信傳輸信道流量受限于如下公式：

awnd=min(creditwnd,Q)

(5)

式中,awnd和creditwnd分別為允許窗口和擁塞窗口大小。若當(dāng)前無線通信信道的數(shù)據(jù)總傳輸量高于awnd，則利用控制器設(shè)備啟動流量控制窗口程序，保證該信道通過流量低于awnd，直到信道傳輸數(shù)據(jù)低于0.6Qi為止[20]。另外通過對流量窗口大小的設(shè)置與調(diào)節(jié)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時傳輸速率的控制，由此從流量和速率兩個方面完成系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸控制功能。

3 系統(tǒng)測試

在系統(tǒng)設(shè)計中，每一個模塊都要經(jīng)過驗證、測試、檢查和不斷地修正，從而使各個功能模塊能夠根據(jù)設(shè)計的要求來工作，從而實現(xiàn)目標(biāo)和結(jié)果。在對各功能模塊進行了測試后，根據(jù)對系統(tǒng)的功能需求，對經(jīng)過測試的各模塊進行了裝配和測試，以確定系統(tǒng)在運行時是否能夠滿足所需的性能指標(biāo)，并對其進行改進。為了測試優(yōu)化設(shè)計的基于STM32嵌入式的無線通信遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸控制系統(tǒng)的控制功能和運行性能，設(shè)計系統(tǒng)測試實驗，并驗證優(yōu)化設(shè)計結(jié)果是否滿足設(shè)計與應(yīng)用要求。

3.1 搭建無線通信環(huán)境

此次系統(tǒng)測試實驗所針對的無線通信環(huán)境由網(wǎng)關(guān)部署環(huán)境、服務(wù)器運行環(huán)境、用戶端運行環(huán)境3個部分組成。其中，網(wǎng)關(guān)與 LoRa模塊的數(shù)據(jù)輸出接口通過串口進行連接，使之能與 LoRa網(wǎng)絡(luò)相連通?？梢苿泳W(wǎng)關(guān)將路由器與無線網(wǎng)絡(luò)相連，由此進入互聯(lián)網(wǎng)。另外，在實驗室的局域網(wǎng)下面還配置了一個監(jiān)控 PC，以實現(xiàn)現(xiàn)場的實時監(jiān)控。Tomcat和 MySQL被部署在服務(wù)器中，用于提供業(yè)務(wù)支持，并在開放式系統(tǒng)中使用每個端口進行數(shù)據(jù)傳送。設(shè)置多個遠(yuǎn)程用戶端作為無線通信遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕邮斩恕?/p>

3.2 準(zhǔn)備遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸樣本

為了給系統(tǒng)測試實驗提供充足的數(shù)據(jù)樣本，收集某個有線通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)送傳輸信息數(shù)據(jù)，以此作為系統(tǒng)測試實驗的傳輸數(shù)據(jù)樣本。表1為部分實驗數(shù)據(jù)傳輸樣本的設(shè)置結(jié)果。

表1 部分實驗傳輸數(shù)據(jù)樣本設(shè)置表

系統(tǒng)測試實驗共設(shè)置200個數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)，通過傳輸數(shù)據(jù)的大小確定合適的傳輸信道，以此作為系統(tǒng)控制效果測試的對比標(biāo)準(zhǔn)。

3.3 描述實驗過程

根據(jù)基于STM32嵌入式的無線通信遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計目的，分別從控制功能和運行性能兩個方面進行分析。其中控制功能的測試內(nèi)容是檢測控制系統(tǒng)能否完成數(shù)據(jù)在規(guī)定速率下無誤碼傳輸，同時避免出現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸擁塞現(xiàn)象。而控制系統(tǒng)的運行性能主要就是測試該系統(tǒng)能夠同時控制無線通信遠(yuǎn)程傳輸數(shù)據(jù)量的多少。在實驗環(huán)境中安裝優(yōu)化設(shè)計系統(tǒng)中的硬件設(shè)備，并執(zhí)行硬件設(shè)備調(diào)試工作。啟動數(shù)據(jù)傳輸控制系統(tǒng)軟件程序，逐一調(diào)取數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)。以第一個傳輸任務(wù)為例，服務(wù)器端傳送的是0XFFF10101的數(shù)據(jù)，前面4個16進制的數(shù)據(jù)是一個FFF1，如果服務(wù)器端的4個16進制的數(shù)據(jù)是一個FFF1，則確認(rèn)這個網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)是有效的，然后把后面的4個16進制的數(shù)據(jù)傳送到一個控制 I/O控制任務(wù)以進行對應(yīng)的控制，使用相同的方式可以得出其他任務(wù)的數(shù)據(jù)傳輸與控制結(jié)果。通過 Xilinx ISE12.2開發(fā)包中的 Chip Scope，通過 Chip Scope來實現(xiàn)對系統(tǒng)內(nèi)的信號進行實時探測，當(dāng)錯誤標(biāo)記比特被觸發(fā)時，該錯誤標(biāo)記比特信號會一直等待，表明在發(fā)送數(shù)據(jù)時未發(fā)生任何數(shù)據(jù)傳輸錯誤。

3.4 設(shè)置系統(tǒng)測試指標(biāo)

此次系統(tǒng)測試實驗設(shè)置傳輸速率控制誤差、丟包率、傳輸擁塞總時長3個指標(biāo)來反映系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸控制功能，其中傳輸速率控制誤差和丟包率的數(shù)值結(jié)果為：

(6)

式中,變量νtarget和νcontrol分別為設(shè)置的數(shù)據(jù)傳輸速率目標(biāo)值和實際控制結(jié)果，Nreceive和Nsend對應(yīng)的是數(shù)據(jù)的接收量和發(fā)送量，另外傳輸擁塞總時長測試指標(biāo)的測試結(jié)果為：

(7)

式中,τi為第i次擁塞的維持時長，參數(shù)n為傳輸過程中發(fā)生擁塞事故的次數(shù)。為了滿足系統(tǒng)設(shè)計對控制功能的要求，設(shè)置εν、ηloss和τ的預(yù)設(shè)值分別為0.5 MB/s、1%和3.0 s，并要求系統(tǒng)控制功能實際測試指標(biāo)結(jié)果不高于預(yù)設(shè)值。另外，設(shè)置吞吐率作為系統(tǒng)運行性能量化測試指標(biāo)，其數(shù)值結(jié)果可以表示為：

(8)

式中,L為無線通信信道的長度，RTT、N和To分別為數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐禃r間、單個ACK確認(rèn)數(shù)據(jù)量和數(shù)據(jù)傳輸超時重傳定時器參數(shù)，To取值為定值。另外ηloss為數(shù)據(jù)丟包率，可以通過式(6)的計算得出該變量的具體取值，實驗要求吞吐率不得低于88%。

3.5 系統(tǒng)測試結(jié)果分析

通過相關(guān)數(shù)據(jù)的提取與統(tǒng)計，得出系統(tǒng)控制功能的測試結(jié)果，如表2所示。

表2 系統(tǒng)控制功能測試數(shù)據(jù)表

將表2中的數(shù)據(jù)代入到式(6)中，可以得出控制系統(tǒng)下無線通信遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸速率控制誤差和丟包率對的平均測試結(jié)果分別為0.18 MB/s和0.6%。另外通過式(7)的計算，得出傳輸擁塞總時長的測試結(jié)果如圖7所示。

從圖7中可以直觀地看出，在設(shè)計系統(tǒng)的控制下，遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸發(fā)生擁塞時間的最大值為2.6 s。由此可見系統(tǒng)控制功能指標(biāo)的測試結(jié)果均低于預(yù)設(shè)值，即優(yōu)化設(shè)計系統(tǒng)的控制功能滿足設(shè)計要求。另外通過式(8)的計算得出系統(tǒng)運行性能的測試結(jié)果，如圖8所示。

圖7 控制系統(tǒng)下遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸擁塞總時長統(tǒng)計圖

圖8 通信遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸控制系統(tǒng)運行性能測試結(jié)果

從圖8中可以看出，無線通信遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸控制系統(tǒng)吞吐率的最小值為91.5%，由此可見設(shè)計控制系統(tǒng)的運行性能滿足設(shè)計與應(yīng)用要求。

4 結(jié)束語

從系統(tǒng)測試結(jié)果中可以看出，通過STM32芯片的嵌入式應(yīng)用，有效提高了無線通信遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸控制系統(tǒng)的控制功能與運行性能，對于無線通信技術(shù)而言具有較高的應(yīng)用價值。然而實驗中設(shè)置的傳輸樣本數(shù)量較少，且未對數(shù)據(jù)傳輸延遲進行測試，因此得出的系統(tǒng)測試結(jié)果存在一定的局限性，因此在控制系統(tǒng)投入應(yīng)用之前，還需要進一步補充相關(guān)的測試數(shù)據(jù)。