實時嵌入式產(chǎn)品的測試系統(tǒng)設(shè)計

摘要：主要介紹針對高實時性的嵌入式產(chǎn)品而開發(fā)的測試系統(tǒng)的設(shè)計，簡單介紹了被測試系統(tǒng)的特性，從整個測試系統(tǒng)的設(shè)計思想、設(shè)計原理，包括軟件和硬件等方面，給出詳細(xì)的介紹。另外，比較了不同方案設(shè)計的優(yōu)缺點，為開發(fā)同類測試系統(tǒng)提供幾種不同的思路。最后簡單討論了本文使用的用例管理軟件。
關(guān)鍵詞：實時嵌入式系統(tǒng)；測試系統(tǒng)；RTX；FPGA

引言
    嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，能夠適應(yīng)實際應(yīng)用中對功能、可靠性、成本、體積、功耗等嚴(yán)格要求的專用計算機(jī)系統(tǒng)。它是先進(jìn)的計算機(jī)技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)以及電子技術(shù)與各個行業(yè)的具體應(yīng)用相結(jié)合的產(chǎn)物。在一些特定領(lǐng)域，它被要求能夠?qū)崟r響應(yīng)外部的請求并處理相應(yīng)的計算，最后把結(jié)果及時地反饋給用戶或者外設(shè)。隨著嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域的迅速擴(kuò)大，人們對嵌入式軟件質(zhì)量提出了更高的要求，如何對日益復(fù)雜的嵌入式軟件進(jìn)行快速有效的測試成了目前的關(guān)注熱點。

1 設(shè)計原理
1．1 系統(tǒng)需求
    本文采用的被測試嵌入式系統(tǒng)如圖1所示，是一套運行有飛行控制軟件的嵌入式系統(tǒng)。它需要對飛行的姿態(tài)、軌跡做出計算，并通過總
線的方式與舵機(jī)、發(fā)動機(jī)、導(dǎo)引頭、慣性測量單元進(jìn)行交互。測試的對象為該嵌入式平臺上運行的飛行控制軟件，其余的外設(shè)由測試系統(tǒng)仿真實現(xiàn)。本文主要討論測試系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)。嵌入式系統(tǒng)所使用的核心器件是DSP芯片，它擁有多種接口，有1路A／D、1路D／A、8路開關(guān)量、2路串行422接口、2路串行485接口。通過各種接口的通信完成要求的功能。系統(tǒng)運行后將長時間處于每隔5ms與外設(shè)完成1次交互的狀態(tài)，其中1次交互包括2次請求收發(fā)數(shù)據(jù)(狀態(tài)和控制數(shù)據(jù))、傳輸所有開關(guān)量、A／D的數(shù)據(jù)。測試系統(tǒng)具體要求如下：首先，由工控機(jī)(由測試系統(tǒng)模擬，如圖2所示)發(fā)送裝訂參數(shù)給嵌入式設(shè)備；接著，嵌入式設(shè)備根據(jù)裝訂參數(shù)進(jìn)行初始化，并處于等待命令狀態(tài)；工控機(jī)發(fā)送開始運行命令給嵌入式設(shè)備；嵌入式設(shè)備收到開始命令后，進(jìn)入周期循環(huán)狀態(tài)。

    周期循環(huán)狀態(tài)：
    ①嵌入式系統(tǒng)會向外部1號設(shè)備(由測試系統(tǒng)模擬)請求外設(shè)1控制數(shù)據(jù)，外部1號設(shè)備需要在2 ms內(nèi)把數(shù)據(jù)發(fā)送給嵌入式系統(tǒng)。
    ②嵌入式系統(tǒng)會向外部2號設(shè)備(由測試系統(tǒng)模擬)請求外設(shè)2控制數(shù)據(jù)，外部2號設(shè)備需要在2 ms內(nèi)把數(shù)據(jù)發(fā)送給嵌入式系統(tǒng)。
    ③上位機(jī)(由測試系統(tǒng)模擬)需要在發(fā)送完外設(shè)2的控制數(shù)據(jù)后的1 ms完成對嵌入式系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)的采集。整個循環(huán)周期要求嚴(yán)格控制在5 ms以內(nèi)。[!--empirenews.page--]
    通信流程如圖3所示。

1．2 設(shè)計思想
    設(shè)計一套能夠符合需求要求的測試系統(tǒng)，對于測試系統(tǒng)有5點要求：第一，能夠及時響應(yīng)DSP以中斷方式的數(shù)據(jù)請求；第二，有足夠的性能解析數(shù)據(jù)，發(fā)送數(shù)據(jù)；第三，擁有良好的人機(jī)交互界面；第四，能夠管理測試過的用例及結(jié)果；第五，能夠靈活地增加故障，如通信故障、指令故障、數(shù)據(jù)故障。
    較高實時性的要求使得在設(shè)計測試系統(tǒng)時大大增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度和限制了可用的解決方案。Windows是一種分時操作系統(tǒng)，處理中斷的能力不是很穩(wěn)定，有時候?qū)⒉荒軡M足嵌入式系統(tǒng)要求的條件。另外，分時操作系統(tǒng)定時器精度差，漂移現(xiàn)象嚴(yán)重，存在隱含的不確定的線程
調(diào)度機(jī)制。但是這里需要Windows操作系統(tǒng)上的一些高級特性，如功能強大的圖形化接口(GUI)支持，支持多種開發(fā)工具及應(yīng)用程序，眾多廉價的第三方硬件及驅(qū)動的支持，豐富的Win32應(yīng)用程序接口。
    RTX(Real-tline Extenslon for Control of Windows)，是向Windows平臺加入了一個實時擴(kuò)展子系統(tǒng)(RTSS)。它獨立的基于搶占式的RTX線程調(diào)度機(jī)制允許RTSS線程優(yōu)先于所有的Windows線程和中斷，持續(xù)中斷響應(yīng)頻率30 kHz以上，最大IST處理延遲不超過16μs；提供高速準(zhǔn)確的實時時間響應(yīng)，定時器最小周期為100μs，時鐘最小分辨率為100 ns。特別適合于飛行模擬器、復(fù)雜視頻監(jiān)控系統(tǒng)、視頻圖像處理、轉(zhuǎn)臺、機(jī)器人、導(dǎo)彈發(fā)射裝置、火炮等典型的既有圖形又要求實時的控制伺服系統(tǒng)。它是一種基于Windows平臺的硬實時解決方案。Wirldows處
理人機(jī)接口等通用GUI任務(wù)，實時擴(kuò)展子系統(tǒng)用于進(jìn)行實時控制和實時的數(shù)據(jù)采集，它們之間的數(shù)據(jù)傳遞機(jī)制通過進(jìn)程間通信的方式，應(yīng)用共享內(nèi)存、信號量等機(jī)制實現(xiàn)。
    綜上考慮，給出兩種設(shè)計方案。

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2 設(shè)計方案
2．1 Windcws+RTX(工控機(jī)+接口卡)
    Windows+RTX方案如圖4所示，此種設(shè)計方案軟件部分分為3層。

    Windows用戶界面層。在Windows操作系統(tǒng)上開發(fā)部分軟件，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)庫的管理、用例的添加、運行結(jié)果的保存，提供一套優(yōu)秀界面呈現(xiàn)給用戶。
    RTX邏輯控制層。主要負(fù)責(zé)用例運行，實時地與被測系統(tǒng)交互，滿足被測系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)的請求，保存被測系統(tǒng)發(fā)出的狀態(tài)數(shù)據(jù)。
    外設(shè)驅(qū)動層。為了滿足對系統(tǒng)100％的測試，還需要有測試系統(tǒng)與被測系統(tǒng)之間的通信接口卡。從硬件劃分包括1臺工控機(jī)、2塊ISA總線RS422通信卡、2塊PCI總線RS485通信卡、1塊A／D卡、開關(guān)量采集卡、D／A卡。這些硬件板卡通過ISA、PCI總線的方式連接到測試平臺里，測試平臺管理所有板卡的驅(qū)動程序，使其與被測系統(tǒng)形成閉環(huán)。
    這樣，3層的軟件結(jié)構(gòu)就能夠順利地運行用例，實現(xiàn)對系統(tǒng)的完整的功能測試。
2．2 Windows+Verilog(工控機(jī)+FPGA板卡+接口芯片)
    第2套方案使用的是Windows+Verilog，如圖5所示。在這種方案中，使用FPGA來管理各個接口，并通過PCI總線與工控機(jī)通信。PCI總線能夠把各種接口的數(shù)據(jù)上傳到工控機(jī)，同時把工控機(jī)的數(shù)據(jù)下載到被測試系統(tǒng)上。

    系統(tǒng)也是3層結(jié)構(gòu)，上兩層與第1種方案基本一樣，但在外設(shè)驅(qū)動層上不再是從多塊板卡之間取數(shù)送數(shù)，而是單一地與FPGA板卡通過制定好的協(xié)議進(jìn)行通信，而后的接口芯片采集、編碼等工作都交給FPGA完成。[!--empirenews.page--]

3 方案比較
3．1 兩種方案優(yōu)缺點比較
    表1詳細(xì)比較了上述2套方案的優(yōu)缺點。第2種設(shè)計方案中，因為有了FPGA器件，使得原來考慮不周的設(shè)計可以只重新配置硬件就得以修改，減少重新制版的周期、經(jīng)費等一系列不確定因素，達(dá)到更廣泛的測試目的。

3．2 不同操作系統(tǒng)優(yōu)缺點比較
    此外，方案的實行也可以考慮在工控機(jī)上直接運行一些實時操作系統(tǒng)，如DOS、VxWorks等等。DOS是單任務(wù)實時系統(tǒng)，人機(jī)交互界面差，沒有網(wǎng)絡(luò)功能。表2比較了Windows+RTX和VxWorks兩種方案的優(yōu)缺點。

4 用例管理軟件設(shè)計
    在軟件上層，需要設(shè)計出帶有數(shù)據(jù)庫的用例管理系統(tǒng)，它需要管理用例的定義、簡介、組別、運行時間、過程數(shù)據(jù)、結(jié)果數(shù)據(jù)，并能夠作用例回歸測試的用例管理層。用例運行前需要收集用戶輸入的各種參數(shù)，并從相應(yīng)的文件位置提前把相關(guān)數(shù)據(jù)讀取到內(nèi)存里，提前準(zhǔn)備數(shù)據(jù)。用例運行時，RTX層會有相應(yīng)的CPU空閑時間，而用例管理層會利用這段時間進(jìn)行運行狀態(tài)的顯示。用例運行結(jié)束后，相應(yīng)的標(biāo)志位會被置位，用例管理層讀到相應(yīng)的狀態(tài)后會主動向RTX層索要運行的各種數(shù)據(jù)和結(jié)果，并把相應(yīng)的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，寫入日志，并呈現(xiàn)到界面上。

結(jié)語
    試驗證明，上述設(shè)計的測試系統(tǒng)在整機(jī)聯(lián)調(diào)過程中運行狀態(tài)良好，符合對系統(tǒng)各個模塊功能全面測試的要求。本文針對目前嵌入式系統(tǒng)測試這一熱點問題，提出了1種實時嵌入式軟件的測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架，并且按照這個思路實現(xiàn)了對黑盒(功能)測試的測試系統(tǒng)。下一步工
作就是開發(fā)1個嵌入式軟件的通用測試平臺，能夠同時對多種型號、多種接口的嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行測試。
    此方案也適用于視頻圖像處理、視頻監(jiān)控系統(tǒng)。