航天器嵌入式軟件CAN總線測試方法研究

翟耘萱　田園　史翠紅　張鳳

摘 要：根據(jù)“硬件標準選用，軟件定義功能”的設(shè)計模式，從CAN總線硬件平臺架構(gòu)入手，梳理航天器嵌入式軟件CAN總線的測試要點，從性能、功能、可靠性和安全性等方面設(shè)計通用測試用例，為總線測試的軟件測試工程師提供借鑒。

關(guān)鍵詞：星載嵌入式軟件；CAN總線；測試方法；可靠性；安全性

中圖分類號：V443+.1；V556? 文獻標志碼：A? 文章編號：1671-0797（2023）09-0005-03

DOI：10.10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.09.002

0? ? 引言

隨著航天電子技術(shù)的發(fā)展，航天電子設(shè)備綜合化程度越來越高，總線技術(shù)已經(jīng)開始在航天電子領(lǐng)域得到越來越廣泛的運用。航天器工作環(huán)境惡劣，空間輻射、電磁干擾等都可能通過硬件影響軟件的正常工作，為實現(xiàn)“一重故障保業(yè)務連續(xù)，二重故障保航天器安全”的目標，保證軟件的在軌重構(gòu)功能，總線可靠性和安全性成為在軌航天器的必要保障。CAN總線作為一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議，因具有高位速率、高抗電磁干擾能力以及錯位可查處等可靠性、實時性特點而被廣泛應用于航天電子的地面、星、箭載子系統(tǒng)的通信功能[1-6]。

航天器嵌入式軟件與硬件關(guān)系密切，硬件運行環(huán)境的特點以及硬件的多樣性顯著影響和制約著軟件的開發(fā)[7]，“硬件標準選用，軟件定義功能”的設(shè)計模式被廣泛應用，模式的建立為總線通用化測試提供了充分保障。為保障CAN總線方案的實施，保證軟件質(zhì)量，越來越多的基于CAN總線的自動化測試系統(tǒng)被提出[8-10]，關(guān)于CAN總線的測試方法和用例卻鮮有提及。

1? ? CAN總線通信硬件架構(gòu)

星載CAN總線一般采用相雙冗余的總線型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，包括A、B兩條CAN總線，由管理控制單元及其他下位機組成通信節(jié)點?？偩€各節(jié)點CAN總線處理器在上電初始化完成后等待管理控制單元發(fā)送指令、廣播與輪詢，并依據(jù)通信協(xié)議約定的格式完成數(shù)據(jù)的接收與響應。

根據(jù)主控芯片和芯片擴展差異，CAN總線通信架構(gòu)主要包括：CUP+控制芯片+驅(qū)動芯片、FPGA+控制芯片+驅(qū)動芯片和FPGA（CAN軟核）+驅(qū)動芯片三種形式。總線驅(qū)動芯片通常采用PCA82C250，控制芯片選用SJA1000系列芯片。如圖1所示，CUP+控制芯片+驅(qū)動芯片架構(gòu)（架構(gòu)1）通過芯片的片選使復用SJA1000芯片的數(shù)據(jù)讀寫信號，根據(jù)外部總線的中斷信號鑒別總線占用情況，預設(shè)總線優(yōu)先級制定總線同時占用的通信策略。如圖2所示，F(xiàn)PGA+控制芯片+驅(qū)動芯片架構(gòu)（架構(gòu)2）基于FPGA的并行運行特性實現(xiàn)雙SJA1000芯片的獨立運行，同時處理雙總線發(fā)送與接收，根據(jù)總線優(yōu)先級排序解析處理指令緩存寄存器。如圖3所示，F(xiàn)PGA（CAN軟核）+驅(qū)動芯片架構(gòu)（架構(gòu)3）中FPGA集成CAN總線控制功能，縮減了集成電路間的異步交互，軟核方案架構(gòu)對寄存器的冗余備份、異常通信處理策略的可靠性和安全性提出了更嚴格的要求。

2? ? 嵌入式軟件CAN總線測試

2.1? ? 測試要點

CAN總線的測試需要基于需求，對產(chǎn)品的性能、功能、接口全面覆蓋，易發(fā)、多發(fā)問題設(shè)置重點測試用例，涉及數(shù)據(jù)邊界的測試用例要涵蓋邊界，針對星載嵌入式軟件需要對軟件在高頻次、長時間、惡劣環(huán)境下的可靠性和安全性重點關(guān)注，CAN總線測試實施重點關(guān)注以下5點內(nèi)容：

（1）測試總線接收數(shù)據(jù)長度、格式、內(nèi)容異常情況下軟件自糾能力；

（2）測試總線過載情況下軟件接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的防溢出能力；

（3）測試總線阻塞、關(guān)閉情況下總線接口自主復位初始化功能；

（4）測試滿足時間性能指標的基礎(chǔ)上保留合理的時間裕度；

（5）測試瞬時密集數(shù)據(jù)傳輸?shù)膹姸瘸鲕浖幚砟芰罂偩€恢復正常時軟件恢復正常工作的能力。

2.2? ? 測試用例

基于CAN總線測試要點的實施，對CAN總線接口的性能、功能、可靠性和安全性等方面進行測試用例設(shè)計，通過示波器抓取的時序信號、遙測信息的指令計數(shù)情況確認軟件設(shè)計的正確性。針對不方便黑盒測試的功能，利用VTEST測試平臺對軟件內(nèi)相關(guān)寄存器監(jiān)視完成灰盒測試。對CAN總線的性能測試方面主要從總線波特率、總線應答及幀間隔時間、總線控制芯片的芯片復位脈沖寬度、總線控制芯片讀寫時序幾個方面進行測試，關(guān)于CAN總線的性能測試可以詳細參考CAN2.0通用協(xié)議和外圍控制芯片的使用手冊，在此不多做贅述。

對于CAN總線的功能測試主要從符合協(xié)議通信、錯誤協(xié)議通信以及總線切換策略測試3個方面進行，功能測試針對不同架構(gòu)平臺的測試項目一致，測試用例如表1所示。

對于CAN總線的可靠性和安全性測試設(shè)計總線控制芯片內(nèi)部寄存器的監(jiān)視，通過普通的黑盒測試是無法實現(xiàn)的，本文通過利用VTEST構(gòu)建的虛擬平臺實現(xiàn)對所需寄存器的監(jiān)視功能，測試用例如表2所示。VTEST測試工具模擬嵌入式虛擬測試平臺能夠模擬嵌入式軟件的接口芯片，通過導入被測源代碼，實現(xiàn)對程序目標碼插樁、接口監(jiān)視，統(tǒng)計目標碼程序語句和分支覆蓋信息，分析目標碼的執(zhí)行情況[11]。

3? ? 結(jié)語

軟件測試是軟件產(chǎn)品的重要保證，對共性多發(fā)測試項目的梳理和總結(jié)能夠有效遏制相關(guān)問題的出現(xiàn)，本文從CAN總線常用架構(gòu)入手梳理測試要點，設(shè)計測試用例，希望能為相關(guān)工程師提供借鑒。

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收稿日期：2023-01-11

作者簡介：翟耘萱（1990—），男，吉林人，工程師，研究方向：嵌入式軟件。