實(shí)時(shí)嵌入式產(chǎn)品的測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引言

　　嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，能夠適應(yīng)實(shí)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)。它是先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)以及電子技術(shù)與各個(gè)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(shí)響應(yīng)外部的請求并處理相應(yīng)的計(jì)算，最后把結(jié)果及時(shí)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(diǎn)。

　　1 設(shè)計(jì)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(yùn)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(jì)算，并通過總線的方式與舵機(jī)、發(fā)動(dòng)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(tái)上運(yùn)行的飛行控制軟件，其余的外設(shè)由測試系統(tǒng)仿真實(shí)現(xiàn)。本文主要討論測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)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(yùn)行后將長時(shí)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(yùn)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)。

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　　周期循環(huán)狀態(tài)：

　?、偾度胧较到y(tǒng)會(huì)向外部1號(hào)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(hào)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)。

　?、谇度胧较到y(tǒng)會(huì)向外部2號(hào)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(hào)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)。

　?、?a target="_blank">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(gè)循環(huán)周期要求嚴(yán)格控制在5 ms以內(nèi)。

　　通信流程如圖3所示。

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　　1．2 設(shè)計(jì)思想

　　設(shè)計(jì)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(diǎn)要求：第一，能夠及時(shí)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(shí)時(shí)性的要求使得在設(shè)計(jì)測試系統(tǒng)時(shí)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(shí)操作系統(tǒng)，處理中斷的能力不是很穩(wěn)定，有時(shí)候?qū)⒉荒軡M足嵌入式系統(tǒng)要求的條件。另外，分時(shí)操作系統(tǒng)定時(shí)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(jí)特性，如功能強(qiáng)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(jià)的第三方硬件及驅(qū)動(dòng)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(tái)加入了一個(gè)實(shí)時(shí)擴(kuò)展子系統(tǒng)(RTSS)。它獨(dú)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(shí)時(shí)時(shí)間響應(yīng)，定時(shí)器最小周期為100μs，時(shí)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(tái)、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(shí)時(shí)的控制伺服系統(tǒng)。它是一種基于Windows平臺(tái)的硬實(shí)時(shí)解決方案。Wirldows處理人機(jī)接口等通用GUI任務(wù)，實(shí)時(shí)擴(kuò)展子系統(tǒng)用于進(jìn)行實(shí)時(shí)控制和實(shí)時(shí)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(hào)量等機(jī)制實(shí)現(xiàn)。

　　綜上考慮，給出兩種設(shè)計(jì)方案。

　　2 設(shè)計(jì)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(jì)方案軟件部分分為3層。

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　　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(yùn)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(yùn)行，實(shí)時(shí)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(dòng)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(tái)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(tái)里，測試平臺(tái)管理所有板卡的驅(qū)動(dòng)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(yùn)行用例，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的完整的功能測試。