嵌入式的遠(yuǎn)程測試控制技術(shù)

圖1 故障診斷系統(tǒng)的遠(yuǎn)程應(yīng)用框圖

2、基本原理

2.1 互聯(lián)網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu)和特征

設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)測診斷是計算機科學(xué)、通訊技術(shù)與故障診斷技術(shù)相結(jié)合的一種新的設(shè)備故障診斷模式。TCP／IP是發(fā)展至今最成功的通信協(xié)議。該協(xié)議分為4層，由上到下依次為應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層和鏈路層。

本應(yīng)用使用的是EM2000網(wǎng)絡(luò)模塊，底下3層的較復(fù)雜的協(xié)議已經(jīng)固化在他的ASIC中，能夠?qū)崿F(xiàn)透明的數(shù)據(jù)通信。這樣，研究工作主要集中在應(yīng)用層的設(shè)計 和功能實現(xiàn)上。這包括建立在傳輸層上的數(shù)據(jù)幀定義、交換數(shù)據(jù)的定義、應(yīng)用功能的設(shè)計和人機交互界面的設(shè)計等。

本應(yīng)用中使用的是EM2000網(wǎng)關(guān)，他是用來在嵌入式系統(tǒng)與互聯(lián)網(wǎng)建立數(shù)據(jù)連接和協(xié)議轉(zhuǎn)換的設(shè)備。一方面PC端的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序?qū)?yīng)用層數(shù)據(jù)打包成為IP包 在網(wǎng)絡(luò)上傳送，EM2000將辨識和解析這些數(shù)據(jù)包，把應(yīng)用層的原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至RS 232接口。另一方面EM2000也將RS 232接口的數(shù)據(jù)封裝成為IP包，傳送至PC端的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序。支持透明傳輸和簡單協(xié)議兩種工作方式；EM2002網(wǎng)關(guān)在網(wǎng)絡(luò)接口部分具有WWW接口，用 戶可以通過瀏覽器在網(wǎng)絡(luò)上實現(xiàn)對EM2002及串行設(shè)備的配置和管理。在網(wǎng)絡(luò)中的具體位置如圖2所示。

圖2 EM2000網(wǎng)關(guān)在數(shù)據(jù)傳輸路由中的位置

2.2 傳輸幀的定義

下面主要考慮第4層應(yīng)用層的具體使用，即數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸袷健⒕唧w的定義等。根據(jù)本測試設(shè)備的狀態(tài)和顯示的功能，其格式可設(shè)計成2大類，即測試數(shù)據(jù)幀和命令 控制幀。格式的設(shè)計應(yīng)能實現(xiàn)系統(tǒng)對端間信息的無障礙交流、易于識別和判斷，同時，還應(yīng)保證傳輸?shù)目煽啃裕骖櫺畔⒗寐省υ撓到y(tǒng)，經(jīng)過實際信息交互統(tǒng) 計，確定使用一個字節(jié)的長度，即256種狀態(tài)。

（1）幀類型定義

傳輸幀格式的定義如表1所示。第7位為類型定義位，“1”表示為數(shù)據(jù)幀；“0”為命令控制幀。

表1 傳輸幀格式定義

（2）數(shù)據(jù)幀

數(shù)據(jù)幀格式的定義如表2所示，主要用來傳送檢測的數(shù)據(jù)結(jié)果。根據(jù)需檢測信道數(shù)量和檢測項目來設(shè)置數(shù)據(jù)幀的字節(jié)。本系統(tǒng)設(shè)置8個數(shù)據(jù)信道，8個測試項目和“正常”／“故障”2個參數(shù)。

表2 數(shù)據(jù)幀定義

對于數(shù)據(jù)幀，考慮到本設(shè)備測試信道的數(shù)量和測試項目的多少，兼顧處理速度的快慢和復(fù)雜程度，最后確定信道號范圍為0～7，占用數(shù)據(jù)幀的第6位至第4位，以 二進(jìn)制表示，高位在前，低位在后；測試項目范圍為0～7，占用數(shù)據(jù)幀的第3位到第1位，表示方式同上（根據(jù)需要，以后擴容時，適當(dāng)增加字節(jié)即可）。數(shù)據(jù)幀 的最后一位定義為測試結(jié)果，“0”表示正確無誤，“1”表示故障。這里沒有采用通常的校驗位，主要是因 為該通信速率較低，目前網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)目煽啃苑浅８撸@方面可以忽略，以提高處理效率，簡化程序編寫難度。

（3）命令控制幀

命令控制幀的格式定義如表3所示。字節(jié)的最高位固定為“0”，主要用來傳輸測試終端和遠(yuǎn)端診斷終端的控制命令和設(shè)備狀態(tài)信息。

表3 命令控制幀定義

命令控制幀按傳送方向不同，可分為命令控制字和狀態(tài)表示字2種。對于命令控制字，第6位到第4位為“101”，是命令識別位；后 4位為命令代碼，表示不同種類的測試進(jìn)程。測試平臺將自動返回相應(yīng)的信息，其幀格式為第6至4位為“001”，這是信息數(shù)據(jù)的識 別位，其余位為不同類型的定義。對于硬件復(fù)位命令，測試端返回1EH；鏈路檢測為1FH。

3、具體實現(xiàn)

3.1 網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)計

嵌入式系統(tǒng)和微型計算機系統(tǒng)一樣，必須通過TCP／IP協(xié)議轉(zhuǎn)換才能接入Internet。在這里數(shù)據(jù)通信的設(shè)計主要體現(xiàn)在串口的設(shè)計[2>， 將MCU的數(shù)據(jù)按照預(yù)先定義的格式通過與轉(zhuǎn)換芯片連接的串行接口發(fā)送或接收即可。設(shè)計中只要MCU的串口和EM2000網(wǎng)關(guān)的交換速率匹配即可，按照字節(jié) 方式逐字發(fā)送和接收。另外，EM2000網(wǎng)關(guān)的接口電平與TTL兼容，這就省略了電平變換電路，使得設(shè)計實現(xiàn)起來更簡便。
3.2 MCU的軟件設(shè)計

嵌入式MCU系統(tǒng)軟件主要由MCS-51匯編程序編寫。為了實現(xiàn)本地鍵盤控制與異地遠(yuǎn)端控制同步工作，需要對部分軟件進(jìn)行重新編寫。主要包括初始化程序、掃描程序、執(zhí)行程序、串口中斷調(diào)用程序、協(xié)議翻譯程序等。

（1）存儲單元初始化的特殊要求

眾所周知，測試主程序首先對系統(tǒng)所用變量進(jìn)行初始化，包含堆棧棧底的指針設(shè)定、寄存器、狀態(tài)字的初始值設(shè)定、串口模式／狀態(tài)字的初始設(shè)置等，但在這里由于 遠(yuǎn)程通信的特殊情況，具有特殊要求。雖然部分存儲單元在從加電到復(fù)位完成時，單元值已經(jīng)被置位，但是仍需再置位。這主要考慮當(dāng)在平臺運行期間，各個寄存器 和存儲單元都會有不斷變化的新值存入，這樣，當(dāng)進(jìn)行遠(yuǎn)端復(fù)位操作時，有些存儲單元的值不會自動復(fù)位，如果按原程序執(zhí)行就會發(fā)生不確定的問題。為保證存儲單 元內(nèi)容的一致性和可控性，對寄存器空間進(jìn)行初始化是必不可少的。

（2）子程序間的通信機制

在處理鍵盤控制和遠(yuǎn)端控制同步運行時，嵌入式實時操作系統(tǒng)常采用郵箱查詢方式。首先掃描及防抖程序[3>負(fù) 責(zé)對鍵盤的操作進(jìn)行掃描，經(jīng)消除抖動和干擾影響后，將鍵盤值放入35H，并向郵箱發(fā)送“鍵盤動作事件”的信件；同時，串口通信程 序不間斷掃描端口數(shù)據(jù)，如果判斷有命令數(shù)據(jù)注入，則將命令值放入36H內(nèi)，同時向郵箱發(fā)送。串口命令發(fā)生事件”的信件。這樣通過對主程序信箱 的查詢，如果發(fā)現(xiàn)有信件存在，則對信件進(jìn)行相應(yīng)翻譯，變成機器可以執(zhí)行的代碼，對設(shè)備進(jìn)行動作調(diào)度和相關(guān)信息處理。

3.3 TCP／IP端口配置

TCP／IP端口相當(dāng)于掛在Internet網(wǎng)上的一塊標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，具有惟一的全球識別MAC地址，可以接入任意的網(wǎng)段而不受限制。在配置網(wǎng)絡(luò)參數(shù)時， 只要知道通信雙方的網(wǎng)絡(luò)IP和路由，即可以輕松實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接。該模塊設(shè)置了1 B的緩沖區(qū)，通信速率為2 400 b／s，提高了IP包傳輸效率。

3.4 遠(yuǎn)端診斷終端的設(shè)計

遠(yuǎn)程診斷終端主要為軟件程序設(shè)計，該部分采用Visual Basic，HTML等語言進(jìn)行編寫，主要分為2個部分。

（1）通信模塊配置網(wǎng)頁的設(shè)計及上傳

在遠(yuǎn)程測試之前，需要對通信模塊相關(guān)參數(shù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)配置，使遠(yuǎn)程軟件能夠?qū)y試終端進(jìn)行訪問和控制操作。本設(shè)計采用HTML語言編寫了Web網(wǎng)頁風(fēng)格的界 面，上載至模塊FLASH存儲器，用戶可通過瀏覽器對硬件訪問和網(wǎng)絡(luò)配置。為加強保密安全，還增添了Password入口參數(shù)的設(shè)置。

（2）遠(yuǎn)端終端主程序的設(shè)計

主程序采用Microsoft Visual Basic語言編寫，主要功能包括控制和測試2部分。測試前，先輸入分配到的IP地址與要偵聽的端口號，然后根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀況，利用VB語言中WinSock 插件的Connect方法在本地計算機與測試平臺之間建立一個Socket，以便完成控制等數(shù)據(jù)的傳送和接收。各項操作的運行狀態(tài)和操作結(jié)果都將由當(dāng)前狀 態(tài)框?qū)崟r顯示。當(dāng)本地計算機與遠(yuǎn)程測試平臺連接正常之后，便可以開始測試。

4、應(yīng)用驗證

首先測試通信模塊，在單臺計算機上建立2個超級終端，一個與串口建立連接，另一個與Socket建立連接。在超級終端的一窗口內(nèi)輸入數(shù)據(jù)，另一窗口即時響 應(yīng)，說明網(wǎng)絡(luò)接口模塊功能正常。其次測試MCU串行通信性能，通過電平轉(zhuǎn)換電路建立與計算機的串口連接，用超級終端進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸驗證。完成后，對全系統(tǒng)進(jìn) 行聯(lián)調(diào)，先進(jìn)行直連試驗，即將測試終端與診斷終端通過交叉網(wǎng)線直連，驗證功能的正確性；然后將測試平臺接入Internet網(wǎng)，通過異地連接，驗證功能的 正確性。目前，經(jīng)過多項調(diào)試驗證，能夠建立診斷終端與測試終端的連接，并可進(jìn)行異地的各項狀態(tài)顯示、控制測試、復(fù)位等功能，實現(xiàn)了原設(shè)計目標(biāo)。

圖3 診斷終端程序測試界面

5、結(jié) 論

本文介紹的方法，能夠非常容易地實現(xiàn)將嵌入式系統(tǒng)與互聯(lián)網(wǎng)相連。研發(fā)人員不用精通TCP／IP協(xié)議和具體的網(wǎng)絡(luò)知識，即可以設(shè)計出具有網(wǎng)絡(luò)功能的電子產(chǎn) 品，大大縮短開發(fā)周期。該方法在遠(yuǎn)程監(jiān)測、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控、遠(yuǎn)程診斷等方面具有很大的應(yīng)用空間。目前，該項技術(shù)正在向單位相關(guān)領(lǐng)域推廣。