艦船自動(dòng)化智能模塊測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)＊

王 顥 繆 俊 曹寧生

（中國(guó)艦船研究院 北京 100192）

1 引言

艦船自動(dòng)化智能模塊主要包括電氣、機(jī)械及其他有關(guān)器件組成的具有特定的數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測(cè)控制、網(wǎng)絡(luò)通信、操作指示等功能的智能化信息處理基本單元，能滿足各類艦船自動(dòng)化要求的智能硬件模塊或設(shè)備［1］。模塊設(shè)計(jì)從頂層著手，通過分析共性功能需求、剝離個(gè)體差異，歸納提煉形成系列型譜，制定了各類模塊的設(shè)計(jì)要求，由多家配套生產(chǎn)，最終按照統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試。如何對(duì)這些模塊的功能、性能、接口等各方面內(nèi)容進(jìn)行快速、準(zhǔn)確、客觀的測(cè)試成為評(píng)價(jià)產(chǎn)品質(zhì)量保證互換要求的重要前提。

2 測(cè)試要求

艦船自動(dòng)化智能模塊分為現(xiàn)場(chǎng)總線類I／O模塊、CPCI類I／O模塊、現(xiàn)場(chǎng)控制類模塊、網(wǎng)絡(luò)通信類模塊、顯示操作類模塊、綜合顯示類模塊等6大類25種模塊，支持 Windows XPE、VxWorks5.5、VxWorks6.6及 VxWorks6.8操作系統(tǒng)。測(cè)試主要包括接口定義測(cè)試、硬件功能性能測(cè)試、軟件功能性能測(cè)試、協(xié)同工作測(cè)試、互換性測(cè)試及工作穩(wěn)定性測(cè)試等六個(gè)主要測(cè)試項(xiàng)，具體內(nèi)容如下：

1）接口定義測(cè)試。測(cè)試模塊硬件接口形式、芯線定義、軟件接口定義及實(shí)現(xiàn)的正確性；

2）硬件功能性能測(cè)試。測(cè)試模塊基本輸入輸出功能、數(shù)據(jù)通信功能、驅(qū)動(dòng)能力及性能指標(biāo)等內(nèi)容的符合性；

3）軟件功能性能測(cè)試。測(cè)試模塊驅(qū)動(dòng)功能、故障診斷功能、USB通信協(xié)議、CAN通信協(xié)議、網(wǎng)關(guān)協(xié)議等內(nèi)容的符合性和完整性；

4）協(xié)同工作測(cè)試。測(cè)試模塊在并發(fā)調(diào)用、多模塊協(xié)同等復(fù)雜工作情況下的正確性；

5）互換性測(cè)試。測(cè)試不同廠家生產(chǎn)的同類模塊在規(guī)定軟硬件環(huán)境下功能、性能及工作狀態(tài)的一致性；

6）工作穩(wěn)定性測(cè)試。測(cè)試模塊在高負(fù)荷、長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行情況下的工作穩(wěn)定性。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

搭建測(cè)試系統(tǒng)目的是將測(cè)試方法、流程及合格判據(jù)等要素進(jìn)行固化，確保測(cè)試準(zhǔn)確、客觀、高效［2］。由于被測(cè)模塊種類多，功能復(fù)雜，指標(biāo)要求較高，同時(shí)考慮后續(xù)型譜擴(kuò)充、模塊和測(cè)試要求升級(jí)等因素，測(cè)試系統(tǒng)需適應(yīng)被測(cè)模塊的多樣性、復(fù)雜性、變化性。

為了實(shí)現(xiàn)較好擴(kuò)展性和自動(dòng)化水平，系統(tǒng)設(shè)計(jì)以硬件為基礎(chǔ)、軟件為核心，遵循“自頂向下”層次化的設(shè)計(jì)思路［3］，采用模塊化的方式構(gòu)建測(cè)試系統(tǒng)，系統(tǒng)劃分為四個(gè)層次，各層內(nèi)部以功能模塊形式封裝，各功能模塊相互獨(dú)立，模塊間采用松耦合的關(guān)系，系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

如圖1所示，各層完成主要功能說明如下：

圖1 測(cè)試系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)圖

1）測(cè)試應(yīng)用層。實(shí)現(xiàn)測(cè)試系統(tǒng)頂層功能，包括測(cè)試方案制定、工程管理、測(cè)試腳本生成、測(cè)試調(diào)度、測(cè)試結(jié)果評(píng)估、測(cè)試結(jié)果輸出及人機(jī)交互等功能；

2）測(cè)試實(shí)現(xiàn)層。根據(jù)測(cè)試方案及流程對(duì)測(cè)試項(xiàng)進(jìn)行功能分解，實(shí)現(xiàn)測(cè)試項(xiàng)中規(guī)定的測(cè)試內(nèi)容，若測(cè)試項(xiàng)增加或變化時(shí)可靈活進(jìn)行擴(kuò)充改變；

3）測(cè)試原子層。根據(jù)測(cè)試實(shí)現(xiàn)層中的內(nèi)容將測(cè)試細(xì)化分解為原子級(jí)測(cè)試模塊，每個(gè)模塊完成單一功能，模塊間功能相對(duì)獨(dú)立，具有通用性；

4）測(cè)試適配層。完成被測(cè)模塊與測(cè)試系統(tǒng)，測(cè)試系統(tǒng)內(nèi)部各軟硬件模塊的適配。可屏蔽由于被測(cè)模塊種類增加、接口改變、測(cè)試系統(tǒng)自身變化對(duì)系統(tǒng)功能帶來的影響。

3.1 硬件設(shè)計(jì)

被測(cè)模塊接口包括：開關(guān)量OC、開關(guān)量繼電器、脈沖量、電壓、電流、熱電阻、熱電偶等I／O接口以及雙冗余CAN、雙冗余以太網(wǎng)、RS232／422／485串口、USB等數(shù)據(jù)接口，測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)能夠支持多種接口的測(cè)試。為便于使用維護(hù)，針對(duì)各被測(cè)接口原則上測(cè)試系統(tǒng)均有獨(dú)立硬件模塊與其適配，個(gè)別接口可通過多個(gè)模塊配合使用完成測(cè)試。測(cè)試系統(tǒng)硬件由仿真測(cè)試計(jì)算機(jī)、半實(shí)物仿真測(cè)試設(shè)備及儀器儀表等三個(gè)部分組成。

仿真測(cè)試計(jì)算機(jī)主要完成被測(cè)模塊基本功能和關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)的遍歷性測(cè)試，由于被測(cè)模塊的信號(hào)種類較多，通道數(shù)量也較多，因此為了實(shí)現(xiàn)I／O接口和通信接口的自動(dòng)化協(xié)同測(cè)試，使用兩臺(tái)仿真測(cè)試計(jì)算機(jī)，其中一臺(tái)主要針對(duì)模擬量信號(hào)測(cè)試，另一臺(tái)主要針對(duì)數(shù)字量信號(hào)測(cè)試。

半實(shí)物仿真測(cè)試設(shè)備主要完成被測(cè)模塊特定技術(shù)指標(biāo)的覆蓋性測(cè)試，采用開關(guān)量信號(hào)輸出和內(nèi)部電路構(gòu)成信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)于部分模塊可采用實(shí)物進(jìn)行連接測(cè)試，同時(shí)對(duì)被測(cè)輸入模塊提供少量定點(diǎn)信號(hào)激勵(lì)。

儀器儀表主要功能包括檢測(cè)被測(cè)模塊的信號(hào)特性、部分被測(cè)模塊供電、功耗評(píng)估、外形重量測(cè)試等。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)是整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的核心部分，它將系統(tǒng)中各功能模塊有機(jī)結(jié)合，在多個(gè)模塊相互協(xié)作和數(shù)據(jù)傳遞的過程中起著決定性的作用。系統(tǒng)軟件采用構(gòu)件技術(shù)、面向?qū)ο蠹夹g(shù)和模塊化的設(shè)計(jì)思想［4］使用C＋＋語言完成軟件開發(fā)。

1）測(cè)試流程可定制

為實(shí)現(xiàn)測(cè)試流程可定制，系統(tǒng)采用配置文件＋腳本文件的方式實(shí)現(xiàn)測(cè)試用軟硬件資源和測(cè)試流程的配置管理，測(cè)試時(shí)以文件方式驅(qū)動(dòng)各層功能模塊運(yùn)行，完成測(cè)試功能。測(cè)試流程如圖2所示。

圖2 測(cè)試流程圖

如圖2所示，用戶按測(cè)試要求制定完測(cè)試方案后，系統(tǒng)首先生成配置文件，規(guī)劃出參加本次測(cè)試的軟硬件資源，并按功能不同進(jìn)行分類，同時(shí)生成腳本文件，其中明確了各測(cè)試項(xiàng)名稱、合格判據(jù)、測(cè)試項(xiàng)中使用的軟硬件資源、各類資源的使用時(shí)間、使用條件及約束關(guān)系等，最終以用戶指定方式輸出測(cè)試結(jié)論。

2）測(cè)試模塊通用化

由于測(cè)試流程可定制，要求測(cè)試功能模塊要具有通用性，不與測(cè)試流程相關(guān)。測(cè)試系統(tǒng)根據(jù)信號(hào)工作性質(zhì)不同將測(cè)試功能模塊劃分為輸入信號(hào)測(cè)試功能模塊、輸出信號(hào)測(cè)試功能模塊和總線信號(hào)測(cè)試功能模塊［5］，相同類型采用相同的處理方法，簡(jiǎn)化對(duì)信號(hào)的處理。

3）并發(fā)／協(xié)同測(cè)試

并發(fā)／協(xié)同測(cè)試模擬實(shí)際時(shí)的多種操作并發(fā)及多模塊協(xié)同工作等狀態(tài)，運(yùn)用“多線程”將各種操作、調(diào)用及后期處理等任務(wù)各自分配單獨(dú)線程，還避免了單線程程序容易出現(xiàn)的響應(yīng)不及時(shí)或者程序假死情況［6］。

4）多系統(tǒng)支持

測(cè)試軟件應(yīng)能夠運(yùn)行在多種操作系統(tǒng)上，完成相同的測(cè)試功能和項(xiàng)目?？紤]到VxWorks操作系統(tǒng)圖形方面支持較弱［7］，相關(guān)圖形開發(fā)工具較為匱乏，且測(cè)試系統(tǒng)對(duì)人機(jī)交互實(shí)時(shí)性要求不高，故本系統(tǒng)中測(cè)試應(yīng)用層和測(cè)試實(shí)現(xiàn)層運(yùn)行在Windows XPE系統(tǒng)上。原子測(cè)試層和測(cè)試適配層運(yùn)行在多操作系統(tǒng)上。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

本測(cè)試系統(tǒng)已成功應(yīng)用于艦船自動(dòng)化智能模塊的鑒定測(cè)試中。按照測(cè)試要求，完成了對(duì)所有模塊的接口定義測(cè)試、硬件功能性能測(cè)試、軟件功能性能測(cè)試、協(xié)同測(cè)試、互換性測(cè)試及工作穩(wěn)定性測(cè)試等測(cè)試內(nèi)容；實(shí)現(xiàn)了測(cè)試流程制定、多系統(tǒng)支持、測(cè)試結(jié)果自動(dòng)評(píng)價(jià)輸出等功能；具有較高的自動(dòng)化程度和較好的擴(kuò)展能力，為評(píng)價(jià)模塊質(zhì)量、確保技術(shù)狀態(tài)、最終實(shí)現(xiàn)互換提供了技術(shù)手段。單模塊測(cè)試結(jié)果如圖3所示，多模塊協(xié)同測(cè)試結(jié)果如圖4所示。

圖3 單模塊測(cè)試結(jié)果

圖4 協(xié)同測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)語

艦船自動(dòng)化智能模塊測(cè)試系統(tǒng)從頂層設(shè)計(jì)上充分考慮被測(cè)模塊的多樣性、變化性、復(fù)雜性等特點(diǎn)，以及使用中對(duì)自動(dòng)化、通用性、擴(kuò)展能力等方面的要求。采用模塊化、層次化的設(shè)計(jì)原則開展軟硬件一體化設(shè)計(jì)，最終構(gòu)成系統(tǒng)。實(shí)際使用中大大提高了測(cè)試的準(zhǔn)確性、客觀性、測(cè)試效率和可視化程度，在工程中得到良好應(yīng)用。

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