GPS的端到端时延测量方法设计方案
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| GPS的端到端时延测量方法设计方案 【 10:29】
【潘乔　裴昌幸　陈南 】 【电讯技术】　　一、 引言
　　由于互联网网络结构越来越复杂，而且变化随机多样，加之新的信息传输技术、新的网络环境和新型网络服务不断产生，使得掌握互联网运行规律、为网络技术的改进提供可靠的理论依据成为网络发展的一项重要课题。目前，IETF的IPPM(IP Performance Metric)工作组已定义了一些Internet度量的指标，并指出了度量的框架。其中端到端时延是评估Internet的网络性能的重要参数之一。在VoIP[1]应用中需要提供端到端时延的限制(如当单向时延超过250 ms，VoIP应用的性能将大打折扣)。了解网络中时延的分布，可根据Internet的QoS要求进行网络规划设计。通过对端到端时延的测量，能够分析当前Internet的基本特性，为网络协议和控制机制等的改进提供可靠的依据。
　　二、常用的端到端时延测量方法的局限性
　　在端到端网络时延测量配置中[2]，发送固定大小的IP探测数据包，源端离开的时标和到达目的端的时标之差被称为IP探测数据包的端到端时延。常用的网络端到端时延测量方法，存在收发主机时钟不同步的局限性，在IP数据包中的是各自主机的时钟时间。由于两个主机时钟的频率和初始相位不同，如果没有时间同步机制，会造成测量数据的错误。我们发送数据包来测试端到端时延,发送200字节长的1 000个数据包,时间间隔是200 ms,用UDP协议,从源主机(西电科大校园网) 到目的主机(数据网)。测试结果见图1,横轴为发送分组序列号，纵轴为测得的时延(单位为ns)，收发时钟分别采用各自的时钟，由于在源主机和目的主机之间时钟不同步的影响,测试的结果有一个线性的趋势。
　　用Ping命令来测网络的时延，它只能测网络的往返时延，由于网络链路的非对称性，不能简单的用除以2的方法来获得端到端时延，加之其性能和TCP、UDP或其他IP协议有一定的出入(给ICMP协议的优先性较低),所以测得的数据有一定的局限性，时间精度只能在毫秒级，不能满足要求。本文提出了依靠GPS接收机进行授时网络时延测量的设计方案，解决收发时钟不同步的问题，可以测出网络的前向、反向和往返时延，时间精度可以达到200 ns。
　　三、基于GPS的端到端时延测量仪的设计方案
　　1网络时延测量仪功能描述
　　网络时延测量仪通过单片机控制网卡在互联网上一端发送带有GPS时间戳的IP数据包，在另一端记录该测量分组的到达时的GPS时间来获得端到端的时延测量值，计算出网络的前向、反向和往返时延值，时间精度可以达到200 ns。发送端主机A发送带有GPS时间戳的IP数据包i，记录下发送时标Ti,0，同时接收端主机B在接收到IP数据包i后记录下接收GPS时标Ti,1;另一方面，接收端主机B回复一个带有GPS时间戳的IP数据包，其中记录回复时标Ti,2，原发送端主机A接收到该回复包记下接收时的GPS时标Ti,3。由此可得到在网络上的3个时延时间：
　　(1)前向时延：Ti,1- Ti,0；
　　(2)反向时延：Ti,3- Ti,2；
　　(3)往返时延：Ti,3- Ti,0。
　　网络时延测量仪总框图如图2所示。
　　2网络时延测量仪的硬件电路
　　硬件电路结构如图3所示。
　　单片机选用AT89c55，它负责从GPS中提取时间信息，根据键盘输入的IP数据包参数(IP数据包的大小和IP地址)，按照TCP/IP协议的格式封装成一个IP数据包，然后对网卡进行初始化，把封装好的IP数据包通过网卡发送出去。
　　网卡选用Realtek公司生产的基于PCI总线的10M控制器芯片RTL8029AS[3]，它集成了介质访问控制子层(MAC)和物理层的功能，主要负责IP数据包的发送和接收。网卡RTL8029AS提供了2个DMA通道：一个是本地DMA，另一个是远程DMA通道。
　　网卡RTL8029AS的帧发送是由本地DMA实现的。有3个寄存器用来控制本地DMA进行帧的发送：
　　(1)发送页起始地址寄存器(TPSR)：用来存放待发送帧的页起始地址；
　　(2)发送字节计数寄存器1(TBCR1)：用来存放待发送帧的帧长度的高8位；
　　(3)发送字节计数寄存器2(TBCR2)：用来存放待发送帧的帧长度的低8位。
　　当发送帧时，本地DMA将把TPSR寄存器指定的帧(首地址)发送到发送缓冲区FIFO(16KB)，由网卡产生和填加帧头，帧起始定界符和CRC，然后启动远程DMA的写操作来完成帧的传输。
　　网络上的数据帧接收并缓存于网卡的接收缓冲环中，然后由单片机控制程序将缓冲环中的帧读出，存于外部存储器RAM中。主要分两步：
　　(1)由网卡通过本地DMA将帧存入接收缓冲环；
　　(2)通过远程DMA并在单片机的配合下将接收缓冲环中的帧读入外部RAM。
　　帧接收是由RTL8029通过本地DMA自动完成的，只需要在初始化时对与帧接收相关的寄存器进行适当的初始化。
　　FPGA采用ALTERA公司的MAX7000系列的EPM7128[4]。由于网卡RTL8029AS是PCI总线网卡，所以我们采用FPGA来产生一个PCI总线的时序，控制PCI网卡；另外FPGA还要完成IP数据包的协议检测，从接收到的数据包中提取时间信息。
　　GPS接收机采用嵌入式的GPS模块，它提供高精度的时间信息，通过RS232异步数据通信口由单片机读取，精度可达200 ns。
　　键盘和显示的功能为输入和显示控制信息，如IP数据包的参数等。 3.网络时延测量仪的软件工作流程
　　图4和图5分别给出了网络时延测量仪发送和接收过程软件流程。
　　四、结束语
　　本文提出了基于GPS的网络时延测量仪设计方案，设计了相关的硬件电路。该方案用于网络时延测量中，大大提高了网络时延测量的精度，为网络规划设计和改进提供了可靠的依据。
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(C) , All Rights Reserved[发明专利]无线电力发送器及其控制方法在审
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【说明书】：
技术领域本发明一般涉及一种无线电力发送器及其控制方法，并且更具体地，涉及一种用于发送充电电力到无线电力接收器的无线电力发送器及其控制方法。背景技术诸如蜂窝电话或个人数字助理(PDA)这样的移动终端，由充电电池供电以方便其移动性。为给电池充电，使用单独的充电装置提供电能给移动终端的电池。典型地，充电装置和电池具有安装在其外表面上的单独的接触端子，使得当它们的接触端子相互接触时，它们可以电连接。然而，在这种接触充电技术中，由于接触端子向外突出，所以它们易于被恶意(或外来)物质所污染，从而导致电池充电失败。即使接触端子暴露在湿气中，电池充电也可能失败。为了处理这些问题和其他缺点，无线充电或无接触充电技术已经开发出来并在许多电子装置中使用。在使用无线电力发送/接收的无线充电技术中，如果移动终端被简单地放置在充电垫上而不经由单独的充电连接器被连接到充电装置，则移动终端的电池就可以自动充电。一般地，无线充电技术对公众是公知的，并且由于消除了有线充电器的需要，从而可以提高电子设备的便携性。其结果是，甚至在未来的电动车时代，都期待相关技术显著发展。这些无线充电技术可以大致分为基于线圈的电磁感应方案、谐振方案、以及通过将其转换成微波以提供电能的射频辐射方案(也称为RF/微波辐射方案)。截至目前，主要使用的是电磁感应方案。然而，由于涉及超过几十米距离使用微波无线地发送电力的实验获得了成功，所以在不久的将来，所有的电子产品可以无线地随时随地充电的可能性是存在的。电磁感应为基础的电力传输方法是在初级线圈和次级线圈之间发送电力的方案。如果磁体绕着线圈移动，则产生感应电流。基于这个原理，发射器产生磁场，并且接收器随着由于磁场的变化感生电流而生成电能。这种现象被称为电磁感应现象，并且基于电磁感应的电力发送方法具有优异的能量传输效率。共振方案提供了一种系统，其中即使电子设备距离充电装置数米之外，也可以使用基于谐振的电力传输原理无线地传输电力到电子装置。这个无线充电系统是基于称为“共振”的物理概念，其中引起包含电能的电磁波谐振。谐振电能可以仅直接传送到具有谐振频率的电子设备，并且未使用的电能量可以作为电磁场重新吸收，而不是扩散到空气中。因此，不同于电磁波，电能似乎并不影响附近的机器和人体。发明内容虽然已经对无线充电方案进行了许多研究，但对于，例如，无线充电优先级、搜索无线电力发送器/接收器、选择无线电力发送器和无线电力接收器之间的通信频率、调整无线电源、选择匹配电路、以及在一个充电循环中为每个无线电源接收器分配通信时间，并没有提出标准。具体地，存在需要对于在其中无线电力接收器选择无线电力接收器将从其接收无线电力的无线电力发送器的配置和过程的需要。具体地，需要开发新技术，用于当无线电力接收器或恶意对象放置在无线电力发送器上发生错误时，有效地确定是否撤销或移除恶意对象。技术方案本发明是为了解决至少上述问题和/或缺点，并提供至少以下描述的优点而制定的。因此，本发明的一个方面是提供无线电力发送器及其控制方法，用于当无线电力接收器或恶意对象放置在无线电力发送器之上发生错误时，有效地确定是否撤销或移除恶意对象。根据本发明的一个方面，提供了对发送充电电力到无线电力接收器的无线电力发送器的控制方法。该方法包括：驱动无线电力发送器；确定是否满足锁存故障模式进入条件，其中，无线电力发送器被允许进入锁存故障模式，其中无线电力发送器在第一循环周期性地施加具有第一电力值的第一电力；以及如果满足锁存故障模式进入条件，则在第一循环周期性地施加的第一电力。根据本发明的另一方面，提供了一种用于发送充电电力到无线电力接收器的无线电力发送器。该无线电力发送器包括：被配置为驱动无线电力发送器的驱动器；被配置为发送充电电力到无线电力接收器的电力发送单元；以及控制器，被配置为用于确定是否满足锁存故障模式进入条件，其中，无线电力发送器被允许进入锁存故障模式，其中无线电力发送器在第一循环周期性地施加具有第一电力值的第一电力，以及，如果满足锁存故障模式进入条件，则在第一循环周期性地施加第一电力到电力发送单元中。有益效果根据本发明的实施例，即使当施加充电电力到多个无线电力接收器时，在错误发生时，无线电力发送器也可以容易地确定是否移除无线电力接收器或恶意对象。本发明的多个方面提供一种无线电力发送器及其控制方法，用于当无线电力接收或恶意对象被放置在无线电力发送器之上发生错误时，有效地确定是否撤销或移除恶意对象。附图说明从结合附图的以下描述，本发明的某些实施例的上述和其它方面、特征和优点将更加明显，其中：图1是示出无线充电系统的整体操作的概念图；图2a是根据本发明实施例的无线电力发送器和无线电力接收器的框图；图2b是根据本发明实施例的无线电力发送器和无线电力接收器的详细框图；图3是示出根据本发明实施例的无线电力发送器的控制方法的流程图；图4是示出根据本发明另一实施例的无线电力发送器的控制方法的流程图；图5是示出由图4所示的无线电力发送器施加的时间轴电力值的图；图6是示出交叉连接的概念图；图7是示出根据本发明实施例的无线电力发送器的控制方法的流程图；图8是示出由图7所示的无线电力发送器施加的时间轴电力值的图；图9是示出根据本发明实施例的无线电力发送器的控制方法的流程图；以及图10是示出由图9所示的无线电力发送器施加的时间轴电力值的图。在整个附图中，相同的标号将理解为指代相似的部分、组件和结构。具体实施例提供以下参照附图的说明以有助于对由权利要求书及其等价物所限定的本发明的实施例的全面理解。它包括各种特定细节以帮助理解，但是这些将认为仅仅作为例子。因此，本领域的普通技术人员将认识到，可以对本文描述的实施例做出各种变化和修改，而不脱离本发明的范围和精神。另外，为清楚和简明，也可以省略对公知的功能和结构的描述。在以下描述和权利要求中使用的术语和词语不限于它们的字典含义，而是仅仅用来使本发明的理解清楚和一致。因此，本领域技术人员应当清楚，提供本发明的实施例的以下描述仅用于说明的目的，而不是为了限制由所附权利要求和它们的等同物所限定的本发明的目的。应当理解，单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数对象，除非上下文另有明确说明。因此，例如，提及“一个组件表面”包括提及一个或更多这样的表面。术语“大体上”意味着不需要被精确地实现所列举的特征、参数或值，而可以在不妨碍该特征意图提供的效果的量发生偏差或变化，包括例如公差、测量误差、测量精度限制以及本领域技术人员已知的其他因素。图1是示出无线充电系统的整体操作的概念图。如图1所示，无线充电系统包括无线电力发送器100和至少一个无线电力接收器110-1、110-2和110-n。无线电力发送器100分别无线地发送电力1-1、1-2和1-n给无线电力接收器110-1、110-2和110-n。更具体地，无线电力发送器100仅无线发送电力1-1、1-2和1-n到由无线电力发送器100通过预定的验证过程认证或授权的无线电力接收器。无线电力发送器100可以形成或建立与无线电力接收器110-1、110-2和110-n的电气连接。例如，无线电力发送器100可以以电磁波的形式发送无线电力到无线电力接收器110-1、110-2和110-n。无线电力发送器100可以执行与无线电力接收器110-1、110-2和110-n的双向通信。无线电力发送器100和无线电力接收器110-1、110-2和110-n可以处理或发送/接收被配置为预定帧的形式的分组2-1、2-2和2-n，预定帧将在下面详细描述。无线电力接收器可以实现为诸如移动通信终端、个人数字助理(PDA)、个人多媒体播放器(PMP)、智能电话和类似物。无线电力发送器100可以无线地提供电力给多个无线电力接收器110-1、110-2和110-n。例如，无线电力发送器100可以使用谐振方案发送电力给多个无线电力接收器110-1、110-2和110-n。如果无线电力发送器100采用共振方案，则无线电力发送器100与多个无线电力接收器110-1、110-2和110-n的之间的距离可为30米或以内。如果无线电力发送器100采用电磁感应方案，则无线电力发送器100与多个无线电力接收器110-1、110-2和110-n之间的距离可以是10厘米或以内。
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基于嵌入式USB的以太网应用系统设计
[导读] 本文提出了一种利用ARM7来实现嵌入式USB的方法，并结合以太网应用技术，使得通过网络可以方便地访问USB设备。
　　随着USB技术的迅速发展，人们对USB的期望也越来越高。虽然USB技术在台式计算机领域的地位已经固如磐石，但是由于其以主机为中心的拓扑结构，任何一次USB的数据传输都必须由主机来发起和控制，所有的 USB设备都只能与主机建立连接。不仅如此，软件复杂性以及较高的功率要求，使得人们对设备中使用USB的兴趣与日俱增。结合技术可以将USB设备转换到TCP/IP,让USB 设备不再受距离限制，可以通过网络随时随地访问USB设备，可以让一个USB设备供多个用户使用，从而提高USB设备的利用率。通过使USB设备具备联网能力的设备联网服务器，可以实现联网使用USB存储、USB视频和USB打印等。本文提出了一种利用ARM7来实现的方法，并结合应用技术，使得通过网络可以方便地访问USB设备。
　　1 系统组成及工作原理
　　系统硬件结构如图1所示，系统采用LPC2148控制嵌入式SL811HS和ENC28J60，实现了USB设备与的连接，便于USB设备的网络共享和数据的远距离传输。SL811HS主要实现USB HOST的功能，它能够识别USB设备，并能够对该设备进行读写操作。ENC28J60主要完成系统的网络通信，实现对系统USB设备的远程访问。
　　2 系统模块设计
　　LPC2148是一个支持实时仿真和跟踪的16/32位ARM7TDMI-STM CPU的微，并带有512KB嵌入的高速片内Flash存储器。片内128位宽度的存储器接口和独特的加速结构使32位代码能够在最大的时钟频率下运行。对代码规模有严格控制的应用可以使用16位Thumb模式将代码降低超过30%，而牺牲的性能却很小。LPC2148具有较小的64脚封装，最多可以使用46个GPIO。其极低的功耗、多个32位定时器、多路10位ADC、1路DAC以及丰富的接口使其特别适合于、医疗系统、访问控制嵌入式MODEM等各种类型的应用。选用LPC2148的原因是它片内集成了Flash、RAM、SPI接口，使得外围电路简单，性价比高。
　　ENC28J60是美国微芯科技公司于2005年推出的全球首枚28引脚独立控制器，可为嵌入式应用提供低引脚数、低成本且高效易用的远程通信解决方案。此外，ENC28J60控制器采用业界标准的SPI串行接口，只需很少的连线即可与主控芯片机连接，使如图2所示。其中的CS和RESET接到主控芯片是为了使软件设计更灵活。
　　SL811HS是Cypress公司设计的主机设备控制器，在嵌入式系统中应用很广泛，能通过软件控制选择主从方式，支持低速和全速传输并自动检测低速或全速设备，通过A0区分地址和数据，并支持地址自增模式。SL811HS与主控芯片的接口电路如图3所示。
　　3 软件设计
　　系统软件主要由嵌入式TCP/IP程序和两个部分组成。系统程序通过收到的数据包的类型来进行相应的处理，完成特定的功能。例如通过远程登陆的方式浏览和修改本地数据，达到本地数据网络共享的目的。
3.1 嵌入式TCP/IP实现
　　嵌入式TCP/IP实现包括控制器ENC28J60底层驱动、TCP/IP协议。ENC28J60 可与许多主控制器上的SPI接口直接相连。此器件只支持SPI 的0,0模式。另外，SPI 端口要求SCK 在空闲状态时为低电平，不支持时钟极性选择。在SCK 的每个上升沿移入数据，命令和数据通过SI 引脚送入器件。 ENC28J60在SCK的下降沿从SO引脚输出数据。当执行操作时CS 引脚必须保持低电平，当操作完成时返回高电平。
　　3.1.1ENC28J60底层驱动
　　在使用ENC28J60发送和接收数据包前，必须对器件进行初始化设置。根据应用的不同，一些配置选项可能需要更改。通常初始化任务会在复位之后立即完成，并且不再需要更改。初始化任务主要包括：(1)初始化接收缓冲器：在接收数据包前，必须编程ERXST和ERXND指针来对接收缓冲器进行初始化。ERXST与ERXND之间的存储空间专供接收硬件使用。(2)初始化发送缓冲器：所有未被用作接收缓冲器的存储空间都将作为发送缓冲器，故不需要专门对发送缓冲器进行专门的初始化。(3)等待OST：如果在上电复位后立即进行初始化，应查询ESTAT.CLKRDY位，确保在开始修改MAC和PHY寄存器前已经经过足够长的时间。(4)PHY初始化：PHY寄存器不能通过SPI控制接口直接访问，而是通过一组带有MIIM的特殊MAC控制寄存器来完成的。程序中在配置LED时用到了PHY写函数。写PHY寄存器时，先将PHY寄存器的地址写入MIREGADR，然后将要写入高低8位的内容分别写入MIWRH、MIWRL即可。
　　发送数据包时，ENC28J60会自动生成前导符和帧起始定界符。此外MAC还可以根据配置自动生成填充和CRC字段。主控制器要生成所有其他帧字段，并将他们写入缓冲器，以待发送。此外，ENC28J60还要求在待发送的数据包前添加一个包的控制字节。接收数据包时可以使用中断的方式，也可以使用查询的方式。由于本设计对实时性要求不是很高，故采用查询的方式。如果有数据包到达，ENC28J60将置位EIR寄存器的PTKIF位。程序运行时不断地查询该位以判断有无数据包到达。
　　3.1.2 数据包处理
　　网络协议通常是在不同的协议层上进行开发，每一层负责不同的通信功能。TCP/IP 协议是一组不同层次上的多个协议的组合。当系统收到的数据时，数据就开始从协议中由数据链路层逐层剥离其中各层协议所加的首部。主程序按照数据帧分用的思路进行编制，程序框架如图4所示。
图4 程序框架
　　3.2 实现
　　软件主要分成4个部分：SL811HS初始化、USB设备的识别及配置、海量存储协议和FAT文件系统。SL811HS共有16个配置寄存器，其中00-04H、08H-0CH是USB-A、USB-B的工作配置寄存器，05H是控制寄存器1，06H是中断使能寄存器，07H的各位均为保留位，0DH为状态寄存器，0EH为SOF计数寄存器，0FH为SOF计数寄存器的高位和控制寄存器2。在SL811HS上电开始工作之后，首先将寄存器05H的第3位置1，延时30 ms后清零，便可以对USB总线复位;然后在06H寄存器中写入61H，使能设备检测中断。
　　当有设备插入时，会使SL811HS的D+管脚置高，SL811HS的寄存器0DH的第7位置1并产生中断，系统会识别到有USB设备插入，即可对USB设备进行配置了。通过标准设备请求函数ClearFeaure()、GetConfiguration()、GetDescriptor()、SetAddress()等函数完成对设备的配置。
　　本系统可以检测的状态(如接入、拔出)，通过网络对的访问，包括创建文件、目录和读写文件等，实现了USB设备网络共享的目的。 但是由于不同USB设备的驱动通常也不同，USB作为嵌入式应用时不可能像PC机操作系统把所有的驱动都装上。但是随着嵌入式技术的发展，可以采用网络更新驱动的方式，只要某种USB设备接上就可以通过更新系统的固件，达到识别该设备和使用该设备的目的。这也是本系统目前这也是本系统目前需要完善的地方。
[整理编辑：中国测控网]
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