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(hào)檢測(cè)的設(shè)計(jì)，作為測(cè)試設(shè)備，對(duì)總線協(xié)議芯片驗(yàn)證板卡的被測(cè)設(shè)備進(jìn)行測(cè)試，控制各功能板卡向驗(yàn)證板卡發(fā)送測(cè)試命令和數(shù)據(jù)，并檢測(cè)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(cè)設(shè)備的總線通信功能是否正常。

關(guān)鍵詞：串行總線；測(cè)試裝置；驗(yàn)證

中圖分類號(hào)： TP23? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2023）06-0005-03

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

低速串行總線因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(huì)（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(yàn)證器件的功能、性能，有必要對(duì)其進(jìn)一步進(jìn)行驗(yàn)證。

1 驗(yàn)證裝置

為了對(duì)RS232、RS-422、RS-485和ARINC429相關(guān)元器件進(jìn)行驗(yàn)證，開發(fā)了一種驗(yàn)證板卡。驗(yàn)證裝置則是用于對(duì)驗(yàn)證板卡進(jìn)行測(cè)試，控制各功能板卡向驗(yàn)證板卡發(fā)送測(cè)試命令和數(shù)據(jù)，并檢測(cè)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(cè)設(shè)備的總線通信功能是否正常，如圖1所示。

驗(yàn)證裝置要求人機(jī)界面友好，操作簡(jiǎn)單，顯示直觀，采用模塊化設(shè)計(jì)，功能獨(dú)立，運(yùn)行穩(wěn)定。設(shè)備的輸入/輸出信號(hào)特性與驗(yàn)證板卡的輸入/輸出信號(hào)特性一致。驗(yàn)證裝置檢測(cè)設(shè)備應(yīng)具備手動(dòng)測(cè)試模式和自動(dòng)測(cè)試模式。設(shè)備研制過程所涉及的被測(cè)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(cè)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(yàn)收測(cè)試程序等）為依據(jù)。

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

1.1 驗(yàn)證裝置要求

驗(yàn)證裝置檢測(cè)設(shè)備能夠提供驗(yàn)證板卡所有所需激勵(lì)和負(fù)載信號(hào)，包括總線信號(hào)的檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)驗(yàn)證板卡RS-232、RS-422、RS-485以及ARINC 429等硬件資源的檢測(cè)和功能性能的驗(yàn)證。驗(yàn)證裝置檢測(cè)設(shè)備對(duì)每個(gè)功能通道的測(cè)試資源可以單獨(dú)激勵(lì)和設(shè)置。驗(yàn)證裝置檢測(cè)設(shè)備測(cè)試軟件依據(jù)測(cè)試程序控制各功能板卡向驗(yàn)證板卡發(fā)送測(cè)試命令和數(shù)據(jù)，然后驗(yàn)證裝置檢測(cè)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(cè)模塊通信功能是否正常，并檢測(cè)總線信號(hào)電氣特性是否符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

在對(duì)總線驗(yàn)證板卡進(jìn)行任何測(cè)試、拆卸操作時(shí)，場(chǎng)所應(yīng)有防靜電設(shè)施，操作者應(yīng)戴上防靜電腕帶。驗(yàn)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(duì)驗(yàn)證板卡造成損害。

設(shè)備采用統(tǒng)一的測(cè)試系統(tǒng)軟件配套測(cè)試程序的方式實(shí)現(xiàn)，測(cè)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(cè)試項(xiàng)目的開發(fā)，測(cè)試過程中可以根據(jù)測(cè)試項(xiàng)目配套選擇測(cè)試程序。測(cè)試程序執(zhí)行過程中，測(cè)試過程面板會(huì)實(shí)時(shí)更新顯示測(cè)試信息，包括測(cè)試項(xiàng)目、測(cè)試結(jié)果、測(cè)試結(jié)論；測(cè)試之前可配置測(cè)試項(xiàng)，且可進(jìn)行測(cè)試次數(shù)選擇，測(cè)試程序應(yīng)支持?jǐn)?shù)據(jù)通信功能、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)功能。驗(yàn)證裝置檢測(cè)設(shè)備應(yīng)具備良好的軟件操作界面，能夠運(yùn)行測(cè)試項(xiàng)目自動(dòng)化完成測(cè)試以及生成測(cè)試報(bào)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(yàn)證裝置系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通過對(duì)驗(yàn)證裝置檢測(cè)設(shè)備需求文件的整理分析，設(shè)計(jì)驗(yàn)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(cè)試接口擴(kuò)展。提供手動(dòng)和自動(dòng)測(cè)試模式下人機(jī)交互界面，支持測(cè)試設(shè)備軟件的測(cè)試功能和維護(hù)功能。

圖2? 驗(yàn)證裝置架構(gòu)

綜合考慮成本、可靠性、測(cè)試需求等各方面的因素，驗(yàn)證裝置檢測(cè)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(jì)算機(jī)可以通過PCI總線控制所有板卡，完成對(duì)驗(yàn)證板卡功能測(cè)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(cè)試信號(hào)切換到高速模擬量采集卡通道，便于對(duì)驗(yàn)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(tái)程控電源通過網(wǎng)口多機(jī)控制軟件是針對(duì)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(duì)每臺(tái)電源可實(shí)時(shí)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(yàn)工裝包括過渡板和工裝，工裝提供連接插座，支持驗(yàn)證板卡的插入，工裝固定在過渡板上供驗(yàn)證試驗(yàn)，可以支持驗(yàn)證板卡的調(diào)試、驗(yàn)證以及環(huán)境試驗(yàn)。

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

測(cè)試電纜主要用于驗(yàn)證裝置檢測(cè)設(shè)備工控機(jī)、試驗(yàn)工裝及信號(hào)接口箱之間連接，測(cè)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(cè)試線纜長(zhǎng)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(hào)輸入輸出接口。

1.3 驗(yàn)證裝置軟件設(shè)計(jì)

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

驗(yàn)證裝置測(cè)試軟件部署在驗(yàn)證裝置工控機(jī)上，是運(yùn)行在Windows系統(tǒng)平臺(tái)上到用戶端軟件，支持對(duì)驗(yàn)證板卡接口、功能、性能及健康狀態(tài)的集成測(cè)試，主要檢測(cè)RS-232、RS-422、RS-485和ARINC429串口通信接口，同時(shí)顯示并記錄驗(yàn)證板卡內(nèi)部軟件測(cè)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(tái)之一，它將功能強(qiáng)大、使用靈活的C語言平臺(tái)與用于數(shù)據(jù)采集、分析和顯示的測(cè)控專業(yè)工具庫(kù)有機(jī)地結(jié)合起來，它的集成開發(fā)平臺(tái)、交互式編程方法、功能面板和庫(kù)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(cè)系統(tǒng)、自動(dòng)測(cè)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(cè)試設(shè)備軟件采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，按照軟件功能需求將程序劃分為啟動(dòng)、系統(tǒng)管理、測(cè)試功能、校準(zhǔn)功能、數(shù)據(jù)管理功能等幾大模塊，使整個(gè)軟件結(jié)構(gòu)清晰，便于維護(hù)和升級(jí)。界面如圖3所示。

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

數(shù)據(jù)對(duì)比功能：主要用于驗(yàn)證裝置檢測(cè)設(shè)備向被測(cè)模塊發(fā)出RS-232、RS-422、RS-485、ARINC429總線測(cè)試命令和數(shù)據(jù)；被測(cè)模塊通過RS-232、RS-422、RS-485、ARINC429總線向驗(yàn)證裝置檢測(cè)設(shè)備總線接收測(cè)試響應(yīng)數(shù)據(jù)；驗(yàn)證裝置檢測(cè)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(cè)模塊RS-232、RS-422、RS-485、ARINC429通信功能是否正常，并檢測(cè)總線信號(hào)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(dòng)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(yàn)證

2.1 RS-232總線驗(yàn)證

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

1）測(cè)試設(shè)備向計(jì)算機(jī)發(fā)出串行通信測(cè)試命令；

2）測(cè)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(cè)試數(shù)據(jù)；

3）控制器正確接收數(shù)據(jù)后，將其返回給測(cè)試設(shè)備；

4）測(cè)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(cè)試設(shè)備完成通信測(cè)試時(shí)發(fā)送退出串行通信測(cè)試命令。

2.2 RS-422總線驗(yàn)證

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

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

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

3）控制器正確接收數(shù)據(jù)后，將其返回給測(cè)試設(shè)備；

4）測(cè)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(cè)試設(shè)備完成通信測(cè)試時(shí)發(fā)送退出串行通信測(cè)試命令。

2.3 RS-485總線驗(yàn)證

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

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

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

3）控制器正確接收數(shù)據(jù)后，將其返回給測(cè)試設(shè)備；

4）測(cè)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(cè)試設(shè)備完成通信測(cè)試時(shí)發(fā)送退出串行通信測(cè)試命令。

2.4 ARINC 429總線驗(yàn)證

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

1）測(cè)試設(shè)備向計(jì)算機(jī)發(fā)出ARINC429總線測(cè)試命令；

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

3）控制器正確接收數(shù)據(jù)后，將其返回給測(cè)試設(shè)備；

4）測(cè)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(cè)試設(shè)備完成通信測(cè)試時(shí)發(fā)送退出串行通信測(cè)試命令。

3 結(jié)論

針對(duì)RS232、RS-422、RS-485和ARINC 429相關(guān)元器件的驗(yàn)證需求，本文設(shè)計(jì)了一種用于對(duì)驗(yàn)證板卡進(jìn)行驗(yàn)證的串行總線驗(yàn)證裝置，構(gòu)建了驗(yàn)證平臺(tái)，開發(fā)了驗(yàn)證軟件。經(jīng)過驗(yàn)證和試驗(yàn)，表明所驗(yàn)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】