基于CAN總線的星載軟件測試系統(tǒng)設(shè)計

云 穎，宋雷軍

（上海航天軟件測評中心，上海 201109）

0 引言

隨著航天技術(shù)的發(fā)展，衛(wèi)星需要完成的任務(wù)越來越復(fù)雜，衛(wèi)星的姿態(tài)控制和軌道控制精確度也越來越高，星載計算機與外部設(shè)備間的數(shù)據(jù)量交換越來越大，為此，CAN總線通信更多地被用于衛(wèi)星設(shè)計中，以滿足衛(wèi)星通信控制系統(tǒng)的高實時性、高傳輸速率和高可靠性等要求。以往，針對星載軟件的CAN總線測試主要采用商業(yè)化CAN通信產(chǎn)品和配套軟件，硬件實時性和軟件便捷性較差，存在難以滿足某些軟件CAN通信的時間性能，以及不能進行故障模擬測試等缺點。為更有效地測試和診斷星載軟件CAN通信功能，本文對一種基于PXI工控機、CAN高速板卡和虛擬儀器技術(shù)編程的星載軟件測試系統(tǒng)設(shè)計進行了研究。

1 硬件結(jié)構(gòu)

衛(wèi)星CAN總線通信系統(tǒng)中有多個下位機，包括測控單元、總體下位機、GPS下位機、SAR下位機、數(shù)傳下位機、姿軌控計算機、電源下位機、熱控下位機等，如圖1所示衛(wèi)星的CAN總線通信外部接口。

圖1 衛(wèi)星的CAN總線通信外部接口Fig.1 Satellite CAN bus communication external interface

星載軟件測試系統(tǒng)需模擬所有的下位機，以實現(xiàn)與星載計算機的A／B總線備份通信、單項和雙向通信、故障模擬通信等功能。測試系統(tǒng)的硬件包括PXI工控機和CAN高速板卡，結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中：PXI工控機采用NI公司的PXI多槽控制機箱，是測試系統(tǒng)的主控器；CAN高速板卡采用NI公司的PXI-8464，可同時實現(xiàn)雙線通信，最高速率1Mb／s，完全滿足此測試系統(tǒng)的CAN通信要求，并有一定的擴展空間。

圖2 星載軟件測試系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)Fig.2 Hardware structure of satellite onboard software test system

測試系統(tǒng)的工作流程為：主控器控制CAN高速板卡實時接收和應(yīng)答來自星載計算機的指令或數(shù)據(jù)信息，實現(xiàn)對各下位機的模擬，從而實現(xiàn)星載計算機與各下位機的正常和故障模擬通信。在正常通信情況下，測試系統(tǒng)接收來自星載計算機的廣播，進行數(shù)據(jù)顯示等操作，但不進行回復(fù)應(yīng)答；接收來自星載計算機的數(shù)據(jù)或指令，在規(guī)定時間內(nèi)進行正確的回復(fù)應(yīng)答。在故障模擬情況下，測試系統(tǒng)接收到來自星載計算機的數(shù)據(jù)或指令后，不進行回復(fù)應(yīng)答，或在規(guī)定時間內(nèi)進行錯誤的回復(fù)應(yīng)答，以觀察星載計算機的運行狀態(tài)。

2 軟件設(shè)計

測試系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)不是根據(jù)下位機的數(shù)量劃分，而是根據(jù)測試系統(tǒng)與星載軟件的主要通信功能劃分，因為這更符合測試需求和軟件設(shè)計的完整性。測試系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)主要包括下位機狀態(tài)檢測、遙測數(shù)據(jù)分析、注數(shù)數(shù)據(jù)監(jiān)測和計算機內(nèi)存下卸四個模塊，如圖3所示。4個模塊采用虛擬儀器技術(shù)圖形化語言LabVIEW編程實現(xiàn)，有良好的人機交互界面。

圖3 星載軟件測試系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)Fig.3 Software structure of satellite onboard software test system

在整個CAN總線通信網(wǎng)絡(luò)中，星載計算機為上位機，與多個下位機通信所采用的是11位標(biāo)識符的標(biāo)準(zhǔn)格式 CAN2.0A協(xié)議，采用傳輸速率500kb／s進行數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀的傳輸。因采用A／B總線備份通信，故同一下位機在CAN A、B中的標(biāo)識符有區(qū)分。

當(dāng)測試系統(tǒng)接收到星載計算機的CAN數(shù)據(jù)時，先由軟件判斷其ID號，不同的ID表示了不同下位機的不同功能，從而判斷出該CAN數(shù)據(jù)針對的下位機及相應(yīng)的總線來源A或B。無論何CAN數(shù)據(jù)，在軟件界面上都可看到此條CAN數(shù)據(jù)的信息，包括接收時間、幀ID、幀類型、數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)、數(shù)據(jù)值和備注信息。

2.1 下位機狀態(tài)檢測模塊

下位機狀態(tài)檢測模塊匯集了8個下位機的狀態(tài)檢測功能。首先，測試系統(tǒng)軟件判斷收到的幀ID是否為某下位機的狀態(tài)檢測指令，如不是就進入后續(xù)判斷，如是就實現(xiàn)相應(yīng)的狀態(tài)檢測應(yīng)答功能。因測試系統(tǒng)軟件對各下位機實行單獨編程，故各下位機的功能互不影響，且回復(fù)數(shù)據(jù)可根據(jù)測試用例自行設(shè)置，能實現(xiàn)故障數(shù)據(jù)回復(fù)。

以測試系統(tǒng)運行后A總線收到遙控單元的狀態(tài)檢測指令為例，該模塊主要功能如下。

a）遙控單元下位機A總線對應(yīng)的“收到數(shù)據(jù)否”指示燈會閃爍以提示已接收到此命令（“清除燈閃爍”按鈕可使界面上所有燈恢復(fù)常暗狀態(tài)）。

b）當(dāng)遙控單元下位機對應(yīng)的A總線“是否回復(fù)”按鈕為“是”時，測試系統(tǒng)軟件自動將其后的“回復(fù)數(shù)據(jù)”回復(fù)給星載計算機（此“回復(fù)數(shù)據(jù)”可由用戶自行更改正確或錯誤數(shù)據(jù)）。

c）當(dāng)遙控單元下位機所對應(yīng)的A總線“是否回復(fù)”按鈕為“否”時，測試系統(tǒng)軟件不回復(fù)星載計算機任何數(shù)據(jù)。

2.2 遙測數(shù)據(jù)分析模塊

遙測數(shù)據(jù)分析模塊集成了8個下位機的遙測數(shù)據(jù)分析功能。測試系統(tǒng)軟件判斷收到的幀ID是否為某下位機的遙測數(shù)據(jù)分析指令，不是則進入后續(xù)判斷，是則實現(xiàn)相應(yīng)的應(yīng)答功能。測試系統(tǒng)模擬的各下位機遙測數(shù)據(jù)分析功能互不影響，回復(fù)數(shù)據(jù)可根據(jù)測試用例自行設(shè)置，以實現(xiàn)正常數(shù)據(jù)回復(fù)和故障數(shù)據(jù)回復(fù)。

以測試系統(tǒng)運行后A總線收到總體下位機的遙測數(shù)據(jù)分析指令為例，模塊主要功能如下。

a）總體下位機A總線對應(yīng)的“收到數(shù)據(jù)否”指示燈會閃爍表示已接收到此命令（“清除燈閃爍”按鈕可使界面上所有的燈恢復(fù)常暗狀態(tài)）。

b）當(dāng)總體下位機對應(yīng)的A總線“是否回復(fù)”按鈕為“是”時，測試系統(tǒng)軟件自動回復(fù)數(shù)據(jù)給星載計算機。系統(tǒng)軟件會自動判別衛(wèi)星遙測模式字，當(dāng)衛(wèi)星遙測模式字為EA時，回復(fù)數(shù)據(jù)取自“遙測－總體下位機（EA）”輸入控件；當(dāng)衛(wèi)星遙測模式字為C9時，回復(fù)數(shù)據(jù)取自“遙測－總體下位機（C9）”輸入控件?！斑b測－總體下位機（EA）”和“遙測－總體下位機（C9）”是A總線和B總線的共用回復(fù)數(shù)據(jù)，可由用戶自行更改。

c）當(dāng)總體下位機對應(yīng)的A總線“是否回復(fù)”按鈕為“否”時，測試系統(tǒng)軟件不回復(fù)星載計算機任何數(shù)據(jù)。

d）在“回復(fù)數(shù)據(jù)”輸入控件名稱上未標(biāo)明衛(wèi)星遙測模式字（EA或C9）的，說明其回復(fù)的數(shù)據(jù)與此模式字無關(guān)。

2.3 注數(shù)數(shù)據(jù)監(jiān)測模塊

注數(shù)數(shù)據(jù)監(jiān)測模塊集成了8個下位機的注數(shù)數(shù)據(jù)監(jiān)測功能。測試系統(tǒng)軟件判斷收到的幀ID是否為某下位機的注數(shù)數(shù)據(jù)，不是則進入后續(xù)判斷，是則實現(xiàn)相應(yīng)的顯示功能。

以測試系統(tǒng)運行后A總線收到遙控單元的注數(shù)數(shù)據(jù)為例，該模塊主要功能如下。

a）記錄收到數(shù)據(jù)的總幀數(shù)和字節(jié)數(shù)信息。

b）當(dāng)測試系統(tǒng)接收完所有的遙控單元注數(shù)數(shù)據(jù)幀時，通過A總線自動回復(fù)注數(shù)數(shù)據(jù)的總幀數(shù)和字節(jié)數(shù)給星載計算機，以完成一次完整的注數(shù)數(shù)據(jù)監(jiān)測功能。

2.4 計算機內(nèi)存下卸模塊

計算機內(nèi)存下卸模塊集成了5個下位機的內(nèi)存下卸功能。測試系統(tǒng)軟件判斷收到的幀ID是否為某下位機的內(nèi)存下卸數(shù)據(jù)，不是則進入后續(xù)判斷，是則實現(xiàn)相應(yīng)的應(yīng)答功能。如接收到的幀ID不是測試系統(tǒng)所能識別的指令或數(shù)據(jù)，軟件會對此錯誤幀進行界面顯示，并作丟棄處理。各下位機的內(nèi)存下卸應(yīng)答功能互不影響，均可實現(xiàn)正常應(yīng)答和故障模擬應(yīng)答，且滿足多字節(jié)的大量數(shù)據(jù)回復(fù)。

以測試系統(tǒng)運行后A總線收到總體下位機的內(nèi)存下卸數(shù)據(jù)為例，該模塊主要功能如下。

a）總體下位機A總線對應(yīng)的“收到數(shù)據(jù)否”指示燈會閃爍來提示已接收到此數(shù)據(jù)（“清除燈閃爍”按鈕可使界面上所有的燈恢復(fù)常暗狀態(tài)）。

b）當(dāng)總體下位機對應(yīng)的A總線“是否回復(fù)”按鈕為“是”時，測試系統(tǒng)軟件自動將“回復(fù)數(shù)據(jù)”回復(fù)給星載計算機。此“回復(fù)數(shù)據(jù)”是A總線和B總線的共用回復(fù)數(shù)據(jù)，可由用戶自行更改。

c）當(dāng)總體下位機所對應(yīng)的A總線“是否回復(fù)”按鈕為“否”時，測試系統(tǒng)軟件不回復(fù)星載計算機任何數(shù)據(jù)。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 柔性化系統(tǒng)設(shè)計

本測試系統(tǒng)采用柔性化設(shè)計，用PXI工控機及PXI板卡，以簡單的硬件組成構(gòu)建了星載計算機的外圍CAN通信環(huán)境，結(jié)構(gòu)簡單、構(gòu)建周期短。此外，該系統(tǒng)具有多個PXI插槽，可擴展插入多個功能性板卡，實現(xiàn)多功能擴展。

3.2 虛擬儀器

本測試系統(tǒng)在一臺工控機上虛擬了多個真實的下位機，即用虛擬的儀器實現(xiàn)了與星載計算機的真實CAN通信；應(yīng)用LabVIEW編程將各下位機的真實功能轉(zhuǎn)化到虛擬界面上，通過界面操作實現(xiàn)了真實下位機的所有正常及故障功能。應(yīng)用等同真實設(shè)備的虛擬設(shè)備完成各項功能，是虛擬儀器技術(shù)的最大亮點。與傳統(tǒng)測試設(shè)備的開發(fā)相比，應(yīng)用虛擬儀器技術(shù)的測試系統(tǒng)的優(yōu)點有成本低、擴展性好、靈活性強、仿真測試方便、用戶界面直觀等。

4 測試與應(yīng)用

測試系統(tǒng)調(diào)試完成后，對本測試系統(tǒng)進行了單元測試、比對測試和第三方確認(rèn)測試。單元測試中確定了各模塊均實現(xiàn)的功能，在同類測試設(shè)備的比對測試中確定了此設(shè)備的性能指標(biāo)，在某星載軟件的第三方測試中應(yīng)用此測試系統(tǒng)進行了確認(rèn)測試，對本測試系統(tǒng)進行了功能、性能、安全性、人機交互測試。測試結(jié)果為：在CAN傳輸速率500kb／s下，測試系統(tǒng)能與星載計算機保持良好的數(shù)據(jù)通信，各模塊功能正常，幀數(shù)據(jù)未出現(xiàn)誤碼，遠(yuǎn)程幀和數(shù)據(jù)幀均可自動應(yīng)答；測試系統(tǒng)在其他CAN通信速率下不能與星載計算機通信，滿足要求；在各模塊的故障模擬測試中，測試系統(tǒng)沒有在單幀或多幀誤碼回復(fù)下出現(xiàn)停止運行等安全性故障；在測試系統(tǒng)運行的界面上，數(shù)據(jù)清晰、布局合理、修改方便，具有良好的人機交互能力；與廣州周立功單片機公司的CAN進行了比較測試，該公司CAN設(shè)備的部分應(yīng)答指令不能按時送達(dá)星載計算機會造成超時錯誤，而本測試系統(tǒng)的通信響應(yīng)速度良好，未出現(xiàn)任何超時錯誤。

本測試系統(tǒng)模擬各下位機實現(xiàn)的功能見表1。由表可知：該系統(tǒng)不僅實現(xiàn)了各下位機的正常功能，并且優(yōu)于各下位機實現(xiàn)了其各種故障情況，完全滿足了星載軟件CAN總線通信測試的各項要求。

表1 測試系統(tǒng)模擬各下位機的功能Tab.1 Function of lower computer simulated by test system

5 結(jié)束語

本文對基于CAN總線的星載軟件測試系統(tǒng)設(shè)計進行了研究。設(shè)計的星載軟件測試系統(tǒng)已成功進行了某星載軟件的第三方測試任務(wù)，完成了百余個用例的執(zhí)行工作，實現(xiàn)了各下位機雙總線的備份通信、功能模擬、故障模擬、數(shù)據(jù)自動應(yīng)答等多項功能，有良好的人機交互界面。測試應(yīng)用表明：此基于CAN總線的星載軟件測試系統(tǒng)完全滿足各項系統(tǒng)需求和指標(biāo)，在星載軟件測試系統(tǒng)研究中有一定的意義。

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