許晶 譚志宏 孫宏強(qiáng)

摘要：該文提出了一種支持RS232、RS-422、RS-485和ARINC429總線信號檢測的設(shè)計，作為測試設(shè)備，對總線協(xié)議芯片驗證板卡的被測設(shè)備進(jìn)行測試，控制各功能板卡向驗證板卡發(fā)送測試命令和數(shù)據(jù)，并檢測比較發(fā)送數(shù)據(jù)和接收響應(yīng)數(shù)據(jù)是否一致，以此來判斷被測設(shè)備的總線通信功能是否正常。

關(guān)鍵詞：串行總線；測試裝置；驗證

中圖分類號： TP23? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2023）06-0005-03

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

低速串行總線因其結(jié)構(gòu)簡單、使用成本低、可靠性高、傳輸距離遠(yuǎn)等諸多優(yōu)點(diǎn)，在裝備電子系統(tǒng)、工業(yè)控制系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。例如，RS485 是一種串行數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)，由電子工業(yè)協(xié)會（Electronics Industry Association，EIA） 制訂并發(fā)布的，它是在RS422 基礎(chǔ)上制定的標(biāo)準(zhǔn)，在導(dǎo)彈上信息交互中起著至關(guān)重要的作用[1]。其他的RS232、RS-422和ARINC 429[2]也都大量使用。

隨著元器件使用的逐步推廣，為了驗證器件的功能、性能，有必要對其進(jìn)一步進(jìn)行驗證。

1 驗證裝置

為了對RS232、RS-422、RS-485和ARINC429相關(guān)元器件進(jìn)行驗證，開發(fā)了一種驗證板卡。驗證裝置則是用于對驗證板卡進(jìn)行測試，控制各功能板卡向驗證板卡發(fā)送測試命令和數(shù)據(jù)，并檢測比較發(fā)送數(shù)據(jù)和接收響應(yīng)數(shù)據(jù)是否一致，并以此來判斷被測設(shè)備的總線通信功能是否正常，如圖1所示。

驗證裝置要求人機(jī)界面友好，操作簡單，顯示直觀，采用模塊化設(shè)計，功能獨(dú)立，運(yùn)行穩(wěn)定。設(shè)備的輸入/輸出信號特性與驗證板卡的輸入/輸出信號特性一致。驗證裝置檢測設(shè)備應(yīng)具備手動測試模式和自動測試模式。設(shè)備研制過程所涉及的被測產(chǎn)品功能、性能方面的技術(shù)要求及技術(shù)指標(biāo)以被測產(chǎn)品承制單位現(xiàn)行有效的產(chǎn)品資料（如：產(chǎn)品規(guī)范、技術(shù)說明書、驗收測試程序等）為依據(jù)。

驗證裝置主要功能包括檢測被測模塊RS-232通訊功能是否正常，主要檢測數(shù)據(jù)傳輸功能是否正常；檢測被測模塊ARINC429通訊功能是否正常，并檢測總線信號電氣特性是否符合標(biāo)準(zhǔn)要求；檢測被測模塊RS-422通訊功能是否正常，并檢測總線信號電氣特性是否符合標(biāo)準(zhǔn)要求；檢測被測模塊RS-485通訊功能是否正常，并檢測總線信號電氣特性是否符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

1.1 驗證裝置要求

驗證裝置檢測設(shè)備能夠提供驗證板卡所有所需激勵和負(fù)載信號，包括總線信號的檢測，實(shí)現(xiàn)對驗證板卡RS-232、RS-422、RS-485以及ARINC 429等硬件資源的檢測和功能性能的驗證。驗證裝置檢測設(shè)備對每個功能通道的測試資源可以單獨(dú)激勵和設(shè)置。驗證裝置檢測設(shè)備測試軟件依據(jù)測試程序控制各功能板卡向驗證板卡發(fā)送測試命令和數(shù)據(jù)，然后驗證裝置檢測設(shè)備比較發(fā)送數(shù)據(jù)和接收響應(yīng)數(shù)據(jù)是否一致，并以此來判斷被測模塊通信功能是否正常，并檢測總線信號電氣特性是否符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

在對總線驗證板卡進(jìn)行任何測試、拆卸操作時，場所應(yīng)有防靜電設(shè)施，操作者應(yīng)戴上防靜電腕帶。驗證板卡關(guān)機(jī)到下一次開機(jī)應(yīng)至少間隔10s，以避免沖擊電流對驗證板卡造成損害。

設(shè)備采用統(tǒng)一的測試系統(tǒng)軟件配套測試程序的方式實(shí)現(xiàn)，測試軟件需提供源代碼，系統(tǒng)軟件分為開發(fā)軟件與執(zhí)行軟件，開發(fā)軟件用于RS-232、RS-422、RS-485以及ARINC 429測試項目的開發(fā)，測試過程中可以根據(jù)測試項目配套選擇測試程序。測試程序執(zhí)行過程中，測試過程面板會實(shí)時更新顯示測試信息，包括測試項目、測試結(jié)果、測試結(jié)論；測試之前可配置測試項，且可進(jìn)行測試次數(shù)選擇，測試程序應(yīng)支持?jǐn)?shù)據(jù)通信功能、數(shù)據(jù)統(tǒng)計功能。驗證裝置檢測設(shè)備應(yīng)具備良好的軟件操作界面，能夠運(yùn)行測試項目自動化完成測試以及生成測試報告，盡可能減少人員操作過程，并保存相關(guān)過程參數(shù)及圖片。

1.2 驗證裝置系統(tǒng)設(shè)計

通過對驗證裝置檢測設(shè)備需求文件的整理分析，設(shè)計驗證裝置架構(gòu)如圖2所示。其中，主控機(jī)具備專用總線擴(kuò)展槽，插入RS-232/RS-422/RS-485接口卡、ARINC 429接口卡和模擬量采集卡等，以實(shí)現(xiàn)測試接口擴(kuò)展。提供手動和自動測試模式下人機(jī)交互界面，支持測試設(shè)備軟件的測試功能和維護(hù)功能。

圖2? 驗證裝置架構(gòu)

綜合考慮成本、可靠性、測試需求等各方面的因素，驗證裝置檢測設(shè)備基于PCI總線[3]構(gòu)建。PCI機(jī)箱選用的5+2槽機(jī)箱。PCI機(jī)箱提供PCI總線、各功能板卡工作電源，使主控計算機(jī)可以通過PCI總線控制所有板卡，完成對驗證板卡功能測試。預(yù)留擴(kuò)展槽，可根據(jù)后期的應(yīng)用需求，插入不同的PCI板卡，方便功能擴(kuò)展。

RS232/422/485模塊選用PCI總線24路RS232/422/485異步串口通訊模塊，可設(shè)置為異步RS232/422/485模式。波特率支持CCITT標(biāo)準(zhǔn)通訊速率921.6Kbps～75bps和非標(biāo)準(zhǔn)速率（2.4Mbps，1.44Mbps、1Mbps，500Kbps，200Kbps，100kbps），RS422波特率最高支持10Mbps。

ARINC429總線模塊為PCI總線接口模塊，具有8通道ARINC429的總線通信能力，波特率150Kbps、100Kbps、50Kbps、48Kbps、12.5Kbps、10Kbps可設(shè)置。

矩陣開關(guān)模塊為PCI總線接口模塊，該模塊包含雙線制的21選1開關(guān)陣列。該矩陣開關(guān)模塊，可以完成所有總線測試信號切換到高速模擬量采集卡通道，便于對驗證板卡各種總線接口電氣特性是否符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

4臺程控電源通過網(wǎng)口多機(jī)控制軟件是針對遠(yuǎn)程組網(wǎng)控制而研發(fā)的，它方便于客戶利用網(wǎng)線、交換機(jī)等，遠(yuǎn)程基于UDP協(xié)議[4]進(jìn)行組網(wǎng)控制電源，可以對每臺電源可實(shí)時回讀電壓電流。網(wǎng)口多機(jī)控制軟件運(yùn)行在Win7 SP1以上、Win8、Win10及其兼容機(jī)上。

試驗工裝包括過渡板和工裝，工裝提供連接插座，支持驗證板卡的插入，工裝固定在過渡板上供驗證試驗，可以支持驗證板卡的調(diào)試、驗證以及環(huán)境試驗。

信號接口箱主要用于工控機(jī)與試驗工裝之間測試信號轉(zhuǎn)接的接口箱，高度為8U，同時將四臺程控電源及交換機(jī)及開關(guān)電源集成到該接口箱中。

測試電纜主要用于驗證裝置檢測設(shè)備工控機(jī)、試驗工裝及信號接口箱之間連接，測試電纜的尾部附近均設(shè)置固定卡箍，以減小應(yīng)力，保護(hù)電纜，提高可靠性。測試線纜長度為三米，數(shù)量為3根，其中一根為供電線纜，另外兩根為信號輸入輸出接口。

1.3 驗證裝置軟件設(shè)計

設(shè)備采用統(tǒng)一的測試系統(tǒng)軟件配套測試程序的方式實(shí)現(xiàn)，開發(fā)軟件用于ARINC 429/RS-485/RS-422測試項目的開發(fā)，測試過程中可以根據(jù)測試項目配套選擇測試程序。測試程序執(zhí)行過程中，測試過程面板會實(shí)時更新顯示測試信息，包括測試項目、測試結(jié)果、測試結(jié)論；測試之前可配置測試項，且可進(jìn)行測試次數(shù)選擇，測試程序應(yīng)支持?jǐn)?shù)據(jù)通信功能、數(shù)據(jù)統(tǒng)計功能。

驗證裝置測試軟件部署在驗證裝置工控機(jī)上，是運(yùn)行在Windows系統(tǒng)平臺上到用戶端軟件，支持對驗證板卡接口、功能、性能及健康狀態(tài)的集成測試，主要檢測RS-232、RS-422、RS-485和ARINC429串口通信接口，同時顯示并記錄驗證板卡內(nèi)部軟件測試結(jié)果，開發(fā)工具選用LabWindows/CVI[5]。LabWindows/CVI是開發(fā)虛擬儀器系統(tǒng)的最佳平臺之一，它將功能強(qiáng)大、使用靈活的C語言平臺與用于數(shù)據(jù)采集、分析和顯示的測控專業(yè)工具庫有機(jī)地結(jié)合起來，它的集成開發(fā)平臺、交互式編程方法、功能面板和庫函數(shù)大大增強(qiáng)了C/C++語言的功能，為熟悉C語言的科技人員建立檢測系統(tǒng)、自動測量系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、過程監(jiān)控系統(tǒng)等提供了極大的便利。

測試設(shè)備軟件采用模塊化的設(shè)計方法，按照軟件功能需求將程序劃分為啟動、系統(tǒng)管理、測試功能、校準(zhǔn)功能、數(shù)據(jù)管理功能等幾大模塊，使整個軟件結(jié)構(gòu)清晰，便于維護(hù)和升級。界面如圖3所示。

啟動模塊：主要用于完成測試軟件的初始化、用戶登錄和啟動自檢等功能。其中登錄功能用于記錄用戶登錄信息，驗證用戶登錄操作；自檢功能用于實(shí)現(xiàn)測試設(shè)備的板卡級自檢測，保證測試系統(tǒng)硬件工作正常。

數(shù)據(jù)對比功能：主要用于驗證裝置檢測設(shè)備向被測模塊發(fā)出RS-232、RS-422、RS-485、ARINC429總線測試命令和數(shù)據(jù)；被測模塊通過RS-232、RS-422、RS-485、ARINC429總線向驗證裝置檢測設(shè)備總線接收測試響應(yīng)數(shù)據(jù)；驗證裝置檢測設(shè)備比較發(fā)送數(shù)據(jù)和接收響應(yīng)數(shù)據(jù)是否一致，并以此來判斷被測模塊RS-232、RS-422、RS-485、ARINC429通信功能是否正常，并檢測總線信號電氣特性是否符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

退出功能：主要是復(fù)位硬件設(shè)備并釋放動態(tài)分配的內(nèi)存以及線程等資源，確保軟件安全有效退出。

2 串行總線驗證

2.1 RS-232總線驗證

RS-422通訊功能測試包括2路RS232串行接口傳輸。測試主要是檢測數(shù)據(jù)傳輸功能是否正常。測試步驟如下：

1）測試設(shè)備向計算機(jī)發(fā)出串行通信測試命令；

2）測試設(shè)備串行通訊模塊向串行通信數(shù)據(jù)接口發(fā)送測試數(shù)據(jù)；

3）控制器正確接收數(shù)據(jù)后，將其返回給測試設(shè)備；

4）測試設(shè)備比較發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)是否一致，并以此來判斷控制器的串型通訊功能是否正常；

5）當(dāng)測試設(shè)備完成通信測試時發(fā)送退出串行通信測試命令。

2.2 RS-422總線驗證

RS-422總線測試包括8路RS-422總線接口傳輸。測試主要是檢測數(shù)據(jù)傳輸功能是否正常。測試步驟如下：

1）測試設(shè)備向計算機(jī)發(fā)出RS-422總線測試命令；

2）測試設(shè)備RS-422總線模塊向RS-422總線發(fā)送測試數(shù)據(jù)；

3）控制器正確接收數(shù)據(jù)后，將其返回給測試設(shè)備；

4）測試設(shè)備比較發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)是否一致，并以此來判斷控制器的串型通訊功能是否正常；

5）當(dāng)測試設(shè)備完成通信測試時發(fā)送退出串行通信測試命令。

2.3 RS-485總線驗證

RS-485總線測試包括4路RS-485總線接口傳輸。測試主要是檢測數(shù)據(jù)傳輸功能是否正常。測試步驟如下：

1）測試設(shè)備向計算機(jī)發(fā)出RS-485總線測試命令；

2）測試設(shè)備RS-485總線模塊向RS-485總線發(fā)送測試數(shù)據(jù)；

3）控制器正確接收數(shù)據(jù)后，將其返回給測試設(shè)備；

4）測試設(shè)備比較發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)是否一致，并以此來判斷控制器的串型通訊功能是否正常；

5）當(dāng)測試設(shè)備完成通信測試時發(fā)送退出串行通信測試命令。

2.4 ARINC 429總線驗證

ARINC429總線測試包括4路ARINC429總線接口傳輸。測試主要是檢測數(shù)據(jù)傳輸功能是否正常。測試步驟如下：

1）測試設(shè)備向計算機(jī)發(fā)出ARINC429總線測試命令；

2）測試設(shè)備ARINC429總線模塊向ARINC429總線發(fā)送測試數(shù)據(jù)；

3）控制器正確接收數(shù)據(jù)后，將其返回給測試設(shè)備；

4）測試設(shè)備比較發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)是否一致，并以此來判斷控制器的串型通訊功能是否正常；

5）當(dāng)測試設(shè)備完成通信測試時發(fā)送退出串行通信測試命令。

3 結(jié)論

針對RS232、RS-422、RS-485和ARINC 429相關(guān)元器件的驗證需求，本文設(shè)計了一種用于對驗證板卡進(jìn)行驗證的串行總線驗證裝置，構(gòu)建了驗證平臺，開發(fā)了驗證軟件。經(jīng)過驗證和試驗，表明所驗證的串行總線相關(guān)元器件符合預(yù)期功能。

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【通聯(lián)編輯：梁書】