工程裝備嵌入式軟件測(cè)試環(huán)境平臺(tái)技術(shù)研究

黎　暉,石小華，林柯軍，姚雪梅

(總裝工程兵科研一所，江蘇 無錫　214035)

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工程裝備嵌入式軟件測(cè)試環(huán)境平臺(tái)技術(shù)研究

黎暉,石小華，林柯軍，姚雪梅

(總裝工程兵科研一所，江蘇 無錫214035)

為了彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)裝測(cè)試環(huán)境無法滿足異常測(cè)試用例執(zhí)行條件等缺點(diǎn)，提出一種基于CAN總線的工程裝備嵌入式軟件仿真測(cè)試環(huán)境平臺(tái);首先介紹了測(cè)評(píng)中心體系結(jié)構(gòu)，闡述了軟件仿真測(cè)試環(huán)境的功能實(shí)現(xiàn)及優(yōu)點(diǎn);利用該平臺(tái)對(duì)某型顯示終端進(jìn)行軟件測(cè)試，在軟件需求分析基礎(chǔ)上建立了仿真模型，配置了總線接口，編寫了測(cè)試腳本任務(wù)，最后列出了軟件測(cè)試發(fā)現(xiàn)的問題;采用軟件測(cè)試環(huán)境平臺(tái)，能夠提供極端或異常的測(cè)試環(huán)境，縮短了軟件測(cè)試周期并提高了測(cè)試效率。

軟件測(cè)試；嵌入式軟件；測(cè)試環(huán)境；顯示終端

0　引言

電控系統(tǒng)已成為工程裝備作業(yè)控制系統(tǒng)的重要組成部分，它配合其它分系統(tǒng)(如液壓系統(tǒng)等)完成工程裝備的正常作業(yè)功能，并提供必要的安全保護(hù)[1]。電控系統(tǒng)主要由主控箱、作業(yè)控制盒及顯示終端等組成，之間所有的控制指令以及與底盤車和上裝外圍傳感器等設(shè)備的作業(yè)狀態(tài)信號(hào)等信息通訊都是通過CAN總線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸通訊。不同工程裝備根據(jù)不同的工作需求，需要設(shè)計(jì)CAN總線通訊網(wǎng)絡(luò)并制定CAN總線通訊協(xié)議[2]，然后在此基礎(chǔ)上進(jìn)行電控系統(tǒng)軟件開發(fā)。

隨著現(xiàn)代工程裝備電子信息化技術(shù)的迅猛發(fā)展，裝備中各類電子設(shè)備的比例不斷增大，在很大程度上提高了我軍工程裝備的綜合性能指標(biāo)。電控系統(tǒng)主要軟件均屬于嵌入式系統(tǒng)，其軟件質(zhì)量直接影響工程裝備的作業(yè)性能和可靠性。在裝備研制、試驗(yàn)及使用當(dāng)中，發(fā)現(xiàn)的大部分故障都是由于軟件缺陷導(dǎo)致的，不僅影響了研制進(jìn)度，更造成了裝備損害與人員傷害。因此必須在電控系統(tǒng)軟件開發(fā)階段進(jìn)行軟件測(cè)試，以發(fā)現(xiàn)并消除軟件缺陷，最大程度提高軟件質(zhì)量。

由于嵌入式軟件的運(yùn)行具有較強(qiáng)的硬件依賴性，其軟件測(cè)試主要基于硬件接口的信號(hào)驅(qū)動(dòng)及響應(yīng)來完成，給嵌入式軟件的測(cè)試環(huán)境確認(rèn)增加困難[3]。對(duì)電控子系統(tǒng)進(jìn)行配置項(xiàng)軟件測(cè)試時(shí)無法交聯(lián)整個(gè)系統(tǒng)，因此通訊接口與時(shí)序等錯(cuò)誤較難發(fā)現(xiàn)[4]。將電控系統(tǒng)投入到實(shí)際裝備環(huán)境中進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試，又無法滿足極端或異常測(cè)試用例的執(zhí)行條件，比如模擬作業(yè)機(jī)構(gòu)的超限動(dòng)作或傳感器的超邊界范圍輸入等情況，這類非正常等價(jià)類用例測(cè)試極易導(dǎo)致裝備損害。另外由于各種資源的限制，實(shí)裝環(huán)境能夠提供給軟件測(cè)評(píng)的有效時(shí)間也非常有限?？梢姡b于軍用工程裝備軟件測(cè)試提出的特殊苛刻環(huán)境要求，傳統(tǒng)的軟件測(cè)試環(huán)境已無法滿足，迫切需要構(gòu)建一種通用性仿真測(cè)試環(huán)境[5]。因此本文針對(duì)工程裝備電控系統(tǒng)嵌入式軟件的特點(diǎn)，提出了一種基于CAN總線通訊的軟件仿真測(cè)試環(huán)境平臺(tái)的具體實(shí)現(xiàn)方法，基于電控系統(tǒng)軟件和硬件設(shè)備模擬實(shí)裝交聯(lián)環(huán)境和其中物理接口的輸入、輸出信號(hào)，模擬被測(cè)軟件可能遇到的極端或異常環(huán)境。且該軟件測(cè)試環(huán)境平臺(tái)只需對(duì)測(cè)試配置與測(cè)試腳本稍加修改，便可用于同類CAN總線通訊軟件測(cè)試，具有一定的通用性。

顯示終端是工程裝備電控系統(tǒng)中比較典型的嵌入式設(shè)備，本文以某型工程橋梁裝備為對(duì)象，基于設(shè)計(jì)的軟件測(cè)試仿真環(huán)境平臺(tái)，對(duì)其顯示終端嵌入式軟件的測(cè)試方法進(jìn)行研究。

1　軟件測(cè)試仿真環(huán)境平臺(tái)

軟件測(cè)試仿真環(huán)境平臺(tái)主要用于為嵌入式軟件的配置項(xiàng)及系統(tǒng)級(jí)軟件測(cè)試提供一個(gè)實(shí)時(shí)、非侵入式且閉環(huán)的測(cè)試環(huán)境[6]，它屬于軟件測(cè)評(píng)框架內(nèi)的一個(gè)重要組成部分。

1.1軟件測(cè)評(píng)體系結(jié)構(gòu)

本軟件測(cè)評(píng)中心的整體結(jié)構(gòu)體系圖如圖1所示，該體系主要包括軟件測(cè)試仿真環(huán)境平臺(tái)、軍用軟件測(cè)試管理平臺(tái)以及通用測(cè)試計(jì)算機(jī)組成。

圖1　軟件測(cè)評(píng)中心體系圖

其中軍用軟件測(cè)試管理平臺(tái)的服務(wù)端包括WEB服務(wù)與數(shù)據(jù)庫(kù)備份服務(wù)，客戶端包括軟件測(cè)試管理(質(zhì)量保證、配置管理、跟蹤控制)客戶端、測(cè)試過程控制(需求策劃、用例設(shè)計(jì)、測(cè)試記錄)客戶端以及測(cè)試文檔動(dòng)態(tài)生成客戶端；軟件測(cè)試仿真環(huán)境由測(cè)試主機(jī)、工控處理機(jī)以及CAN總線網(wǎng)絡(luò)組成。測(cè)試主機(jī)主要用于實(shí)現(xiàn)測(cè)試前的仿真環(huán)境模型及對(duì)應(yīng)腳本開發(fā)等工作，測(cè)試主機(jī)通過以太網(wǎng)與工控處理機(jī)實(shí)現(xiàn)測(cè)試數(shù)據(jù)的上傳下載。工控處理機(jī)通過CAN總線網(wǎng)絡(luò)與測(cè)試目標(biāo)連接通信，通過數(shù)據(jù)模型加載、硬件驅(qū)動(dòng)等實(shí)現(xiàn)對(duì)總線式嵌入式軟件的實(shí)時(shí)測(cè)試；通用測(cè)試計(jì)算機(jī)可以完成被測(cè)軟件的靜態(tài)分析、軟件文檔審查、自動(dòng)測(cè)試以及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，通過數(shù)據(jù)分析計(jì)算機(jī)將測(cè)試計(jì)算機(jī)得到的測(cè)試記錄進(jìn)行數(shù)據(jù)規(guī)格化，然后存入至對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)備份。

1.2軟件測(cè)試仿真環(huán)境功能結(jié)構(gòu)

軟件測(cè)試仿真環(huán)境平臺(tái)的功能結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，測(cè)試主機(jī)完成的主要功能包括測(cè)試仿真環(huán)境模型的搭建、測(cè)試腳本的編輯開發(fā)以及接口配置。其中測(cè)試仿真環(huán)境模型開發(fā)是基于對(duì)工程裝備嵌入式軟件的環(huán)境需求分析，進(jìn)行環(huán)境模型的用戶圖形化開發(fā)和模型框架的代碼生成，為測(cè)試目標(biāo)搭建軟件測(cè)試所需的仿真交聯(lián)環(huán)境。測(cè)試腳本編輯開發(fā)的目的是將測(cè)試員設(shè)計(jì)的測(cè)試用例轉(zhuǎn)換成測(cè)試腳本任務(wù)，通過測(cè)試控制完成腳本任務(wù)的調(diào)度，從而驅(qū)動(dòng)測(cè)試正常執(zhí)行[7]。測(cè)試環(huán)境的接口配置主要為CAN總線接口配置測(cè)試軟件的通訊協(xié)議及不同類型的數(shù)據(jù)變量，以完成測(cè)試主機(jī)與被測(cè)目標(biāo)的數(shù)據(jù)交互。

圖2　軟件測(cè)試仿真環(huán)境功能結(jié)構(gòu)

工控處理機(jī)的主要功能是加載測(cè)試主機(jī)上建立的仿真環(huán)境模型以及測(cè)試腳本任務(wù)，任務(wù)調(diào)度模塊驅(qū)動(dòng)腳本解釋器實(shí)現(xiàn)對(duì)腳本的解釋。通過真實(shí)CAN總線與被測(cè)目標(biāo)連接，并完成接口驅(qū)動(dòng)管理，通過對(duì)被測(cè)目標(biāo)進(jìn)行測(cè)試激勵(lì)與反饋響應(yīng)接收來完成測(cè)試用例的執(zhí)行[8]。測(cè)試主機(jī)最后對(duì)測(cè)試記錄進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示及分析處理。

軟件測(cè)試環(huán)境仿真平臺(tái)的主要優(yōu)點(diǎn)如下：

1)能夠模擬實(shí)裝工作環(huán)境無法提供的極端測(cè)試環(huán)境。將嵌入式軟件投入到實(shí)裝環(huán)境中進(jìn)行配置項(xiàng)或系統(tǒng)測(cè)試時(shí)，無法提供極端或異常測(cè)試用例的執(zhí)行條件，比如模擬作業(yè)機(jī)構(gòu)的超限動(dòng)作或傳感器的超邊界范圍輸入等情況，這異常用例測(cè)試極易導(dǎo)致裝備損害。而利用軟件測(cè)試環(huán)境平臺(tái)搭建的模擬環(huán)境進(jìn)行測(cè)試，可使軟件在臨界點(diǎn)甚至超限范圍下工作，能夠滿足極端或異常用例的執(zhí)行條件，從而在很大程度上提高了軟件測(cè)試的覆蓋充分性；

膨潤(rùn)土是主要礦物蒙脫石達(dá)到可利用含量的黏土或黏土巖，在DZ/T 0206—2002[8]規(guī)定按蒙脫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥40%的邊界品位圈定膨潤(rùn)土儲(chǔ)量，同時(shí)也指出對(duì)選礦性能良好、適于蒙脫石分離的低層電荷性膨潤(rùn)土，其蒙脫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)指標(biāo)可適當(dāng)降低，有些膨潤(rùn)土礦在計(jì)算儲(chǔ)量時(shí)，實(shí)際將蒙脫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到30%或35%的資源也計(jì)入膨潤(rùn)土儲(chǔ)量?jī)?nèi)。對(duì)這類多組分的復(fù)合礦產(chǎn)，單一利用主礦物顯然將造成資源的浪費(fèi)。

2)能夠?qū)崿F(xiàn)軟件測(cè)試環(huán)境的快捷搭建。利用實(shí)裝設(shè)備搭建真實(shí)測(cè)試環(huán)境需要耗費(fèi)大量的人力、物力和精力，而且由于各種資源條件的限制，實(shí)裝環(huán)境能夠提供給軟件測(cè)評(píng)的有效時(shí)間非常有限。而通過軟件測(cè)試環(huán)境仿真平臺(tái)可以便捷、快速地生成實(shí)裝環(huán)境中各個(gè)設(shè)備的仿真模型以及設(shè)備之間的接口配置，用仿真模型替代實(shí)際設(shè)備，接口配置替代實(shí)際總線網(wǎng)絡(luò)、模擬量及開關(guān)量的輸入輸出，減少現(xiàn)場(chǎng)布線調(diào)試等額外的工作，極大地縮短了軟件研發(fā)及測(cè)試周期，進(jìn)一步提高了效率；

3)能夠?qū)崿F(xiàn)各個(gè)配置項(xiàng)的單獨(dú)測(cè)試。實(shí)際整套電控系統(tǒng)的軟硬件開發(fā)過程中，其中各個(gè)設(shè)備及對(duì)應(yīng)配置項(xiàng)軟件從方案設(shè)計(jì)、硬件制作到軟件編程等各階段的結(jié)束時(shí)間都難以實(shí)現(xiàn)完全同步。因此當(dāng)其中一個(gè)配置項(xiàng)軟件研發(fā)出來時(shí)，無需等待其它交聯(lián)配置項(xiàng)配合搭建工作環(huán)境。只需要利用軟件測(cè)試仿真環(huán)境平臺(tái)，按照裝備電控系統(tǒng)部署建立仿真模型，并根據(jù)特定的CAN總線通訊交互協(xié)議設(shè)計(jì)腳本任務(wù)，對(duì)測(cè)試目標(biāo)施加驅(qū)動(dòng)激勵(lì)并接收其反饋響應(yīng)結(jié)果，即可在電控系統(tǒng)全套設(shè)備研發(fā)完成之前，盡早實(shí)現(xiàn)對(duì)單獨(dú)配置項(xiàng)的軟件測(cè)試。

2　基于仿真平臺(tái)的顯示終端軟件測(cè)試

顯示終端軟件為某型工程裝備的一個(gè)嵌入式軟件，首先對(duì)該軟件進(jìn)行需求分析，然后在需求分析的基礎(chǔ)上，利用軟件測(cè)試環(huán)境仿真平臺(tái)建立顯示終端與其它交聯(lián)設(shè)備(主控箱)的仿真模型、接口配置及對(duì)應(yīng)的腳本任務(wù)。

2.1軟件需求分析

2.1.1功能需求

如圖3，顯示終端軟件完成的功能包括：

1)數(shù)據(jù)標(biāo)定：利用標(biāo)定界面對(duì)傳感器、手柄等配置參數(shù)進(jìn)行查詢并標(biāo)定，還能完成參數(shù)恢復(fù)；

2)控制參數(shù)顯示：通過控制參數(shù)界面完成移動(dòng)盒開關(guān)與模擬量輸入及控制輸出信號(hào)顯示；

3)系統(tǒng)狀態(tài)顯示：通過系統(tǒng)狀態(tài)界面完成網(wǎng)絡(luò)在線狀態(tài)、液壓系統(tǒng)信息狀態(tài)，以及作業(yè)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)參數(shù)顯示；

圖3　顯示終端功能需求

2.1.2接口需求

顯示終端軟件外部接口如圖4所示，通過CAN2總線接口與主控箱進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，所有總線數(shù)據(jù)的格式內(nèi)容按顯示終端通訊協(xié)議規(guī)定進(jìn)行收發(fā)。正確格式的數(shù)據(jù)將接收并處理，錯(cuò)誤格式的總線數(shù)據(jù)將被去除。

圖4　顯示終端接口需求

2.2仿真模型建立

基于顯示終端軟件的需求分析及其CAN總線通訊協(xié)議，利用嵌入式軟件測(cè)試環(huán)境平臺(tái)建立顯示終端軟件測(cè)試環(huán)境模型如圖5所示。

圖5　顯示終端仿真環(huán)境模型

顯示終端采用CAN總線通訊技術(shù)，根據(jù)該工程裝備電控系統(tǒng)規(guī)定的總線通訊協(xié)議，與主控箱進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的發(fā)送與接收反饋，從而完成對(duì)控制手柄與上裝傳感器的參數(shù)標(biāo)定功能，并實(shí)時(shí)顯示底盤車與作業(yè)機(jī)構(gòu)的狀態(tài)信息。

建立仿真模型之后，根據(jù)顯示終端CAN總線通訊協(xié)議，進(jìn)行測(cè)試環(huán)境模型的總線接口配置。圖6顯示了CAN2網(wǎng)絡(luò)的接口數(shù)據(jù)配置，共包括8個(gè)數(shù)據(jù)變量，不同數(shù)據(jù)變量擁有唯一的ID號(hào)(分別為0x1c0、0x2c0、…、0x4c1)，每個(gè)變量包含8個(gè)字節(jié)，每個(gè)字節(jié)包含8個(gè)數(shù)據(jù)位。協(xié)議定義中，部分使用單個(gè)字節(jié)表示模擬量，其余則使用字節(jié)中的單個(gè)數(shù)據(jù)位表示開關(guān)量。

圖6　總線接口參數(shù)配置

2.3腳本任務(wù)

完成仿真模型建立與接口參數(shù)配置后，軟件測(cè)試環(huán)境平臺(tái)可自動(dòng)生成環(huán)境模型腳本代碼，圖7顯示了部分代碼。然后在該模型腳本基礎(chǔ)上，根據(jù)需求分析設(shè)計(jì)的測(cè)試用例，編寫測(cè)試腳本任務(wù)。腳本任務(wù)包括所有測(cè)試用例的執(zhí)行時(shí)間順序、測(cè)試輸入、對(duì)應(yīng)的測(cè)試結(jié)果判定以及測(cè)試過程的記錄。

圖7　模型腳本代碼

基于腳本任務(wù)的實(shí)時(shí)軟件測(cè)試應(yīng)根據(jù)配置項(xiàng)測(cè)試要求，在仿真環(huán)境模型基礎(chǔ)上生成正確的測(cè)試腳本，然后在工控處理機(jī)操作系統(tǒng)下，由實(shí)時(shí)調(diào)度程序驅(qū)動(dòng)腳本解釋器對(duì)腳本任務(wù)進(jìn)行實(shí)時(shí)解釋，動(dòng)態(tài)生成并發(fā)送測(cè)試數(shù)據(jù)到主控箱與顯示終端的仿真模型，同時(shí)通過解釋器、仿真模型與被測(cè)軟件之間的交互，對(duì)測(cè)試反饋進(jìn)行處理，判斷測(cè)試結(jié)果是否與預(yù)期結(jié)果一致，最終達(dá)到嵌入式軟件配置項(xiàng)測(cè)試的目的。

3　結(jié)果分析

利用軟件測(cè)試仿真環(huán)境平臺(tái)對(duì)顯示終端進(jìn)行軟件測(cè)試，基于建立的仿真模型與總線接口配置，在測(cè)試腳本任務(wù)驅(qū)動(dòng)下，用工控處理機(jī)模擬主控箱與顯示終端實(shí)物進(jìn)行CAN數(shù)據(jù)收發(fā)，數(shù)據(jù)嚴(yán)格按照顯示終端通訊協(xié)議進(jìn)行設(shè)計(jì)。一方面，通過主控箱模型在線進(jìn)行CAN數(shù)據(jù)發(fā)送，通過顯示終端功能界面觀察對(duì)應(yīng)顯示輸出狀態(tài)是否正確。另一方面，利用顯示終端標(biāo)定界面發(fā)送標(biāo)定信息，通過工控處理機(jī)接收標(biāo)定信息，并通過測(cè)試主機(jī)的用戶面板觀察標(biāo)定信息是否正確。測(cè)試發(fā)現(xiàn)的部分問題如表1所示。

4　結(jié)語

進(jìn)行工程裝備電控系統(tǒng)嵌入式軟件測(cè)試前需要搭建測(cè)試環(huán)境，傳統(tǒng)實(shí)裝測(cè)試環(huán)境無法滿足超限等極端或異常測(cè)試用例的執(zhí)行條件，鑒于軍用軟件測(cè)試提出的特殊苛刻環(huán)境要求，本文提出一種基于CAN總線的軟件仿真測(cè)試環(huán)境平臺(tái)。首先介紹了本測(cè)評(píng)中心的體系結(jié)構(gòu)以及軟件仿真測(cè)試環(huán)境平臺(tái)的功能及主要優(yōu)點(diǎn)，利用該環(huán)境平臺(tái)對(duì)某型顯示終端軟件進(jìn)行測(cè)試。在軟件需求分析的基礎(chǔ)上，建立了仿真模型，完成總線接口配置，編寫了測(cè)試腳本任務(wù)，最后描述了發(fā)現(xiàn)問題的測(cè)試用例執(zhí)行過程與實(shí)測(cè)結(jié)果。采用工程裝備嵌入式軟件測(cè)試環(huán)境平臺(tái)，

表1軟件測(cè)試問題

測(cè)試輸入(過程)測(cè)試問題(結(jié)果)主控箱模型發(fā)送數(shù)據(jù),輸入ID=0x3c1,dlc=8,data0=0x66,data1=0x19,data2=0x00,da-ta3=0x00。查看底盤車狀態(tài)界面。期望結(jié)果:底盤車橫傾角值15.02,對(duì)應(yīng)表盤指針向左打滿,報(bào)警指示燈變紅。實(shí)測(cè)結(jié)果:表盤指針超出左邊界,報(bào)警指示燈未變紅。主控箱模型發(fā)送數(shù)據(jù),ID=0x4c0,dlc=8,data0=0x00,da-ta1=0x00,data2=0x00,data3=0x00。查看顯示終端控制輸出界面。期望結(jié)果:控制輸出界面吊機(jī)回轉(zhuǎn)“左轉(zhuǎn)”指示燈變綠。實(shí)測(cè)結(jié)果:吊機(jī)回轉(zhuǎn)“左轉(zhuǎn)”指示燈不亮,“右轉(zhuǎn)”指示燈變綠,與通訊協(xié)議不符。顯示終端進(jìn)入手柄標(biāo)定界面,按鍵操作輸入零位=128,死區(qū)=50,最小值=50,最大值=200,按F8進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)定。期望結(jié)果:用戶面板查看到的標(biāo)定信息與通訊協(xié)議相關(guān)定義相一致。實(shí)測(cè)結(jié)果:用戶面板查看標(biāo)定信息為ID=0x621,dlc=8,data0=0x20,data1=0x04,data2=0x10,data3=0x01,data4=0x80,data5=0x32,da-ta6=0x32,data7=0xC8,與通訊協(xié)議相關(guān)定義不一致。

能夠提供極端或異常的測(cè)試環(huán)境，增強(qiáng)了軟件測(cè)試的充分覆蓋性，縮短了軟件測(cè)試周期并提高了測(cè)試效率。

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Research on Embedded Software Test Environment Platform Technology for Engineering Equipment

Li Hui,Shi Xiaohua,Lin Kejun,Yao Xuemei

(First Engineers Scientific Research Institute， General Armaments Department,Wuxi214035,China)

To cover the shortage of satisfying exception test cases’ execution condition of traditional real equipment test environment,a kind of embedded software test environment platform for engineering equipment based on CAN bus is proposed. First introduces the system architecture of software test center,presents the function implementation and advantages of software test environment platform. Then utilize this environment platform to perform software test for a certain type of display terminal,built the simulation model and configure bus interface based on requirement analysis,and compile the test script task. Finaly list the problems found during the software test procedure. The software test environment platform could provide exception test environment,shorten the test period and increase the test efficiency.

software test; embedded software; test environment ; display terminal

1671-4598(2016)04-0010-03DOI：10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.04.003

TP23

A

2015-09-23；

2015-10-18。

黎暉(1984-)，男，江西南豐人，工程師，主要從事渡河裝備技術(shù)研究工作。