CN103995475B - 一种柔性嵌入式被测设备模拟器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柔性嵌入式被测设备模拟器，特别提出了有益于测控领域柔性设计的虚拟设备通讯协议VDCP(Virtual？Device？Communication？Protocol)。该发明涉及的嵌入式被测模拟器由嵌入式主控单元、模拟量和数字量输入输出单元、测控总线单元、显示单元构成；通过嵌入式被测设备模拟器的各输入单元模拟被测设备的激励接收模块，通过各输出单元模拟被测设备的响应输出模块，采用本发明提出的VDCP协议标准化了测控主机与嵌入式子设备之间基于TCP/IP网络的通讯方式，从而解决了测控领域在研制测控系统时过分依赖于电子被测设备的问题，大大缩短了测控设备的研制周期和研制成本，亦增加了测控系统的可扩展性和重用性。

Description

一种柔性嵌入式被测设备模拟器

技术领域

本发明涉及电子设备测控技术领域，提出了一种柔性嵌入式被测设备模拟器，特别是在其上提出了虚拟设备通讯协议(VDCP)。

背景技术

在测控系统的研发过程中，需要向被测对象注入多种形式的激励信号并读取被测对象的激励响应，以验证测试系统是否能准确生成和发送激励信号、是否能够接收和分析响应信号。现有的方法是，制作一个真实的被测设备，向其中注入激励信号，收集其反馈信号，从而评判测控系统功能是否正确。这种方法的一个缺点是研发投入较大，研制周期被延长，且被测设备扩展性和重用性不强，每开发一个项目就需要制作一个与之适应的被测设备，造成不必要的浪费。此外，激励信号有多种样式，如数字量、模拟量或者各种测控总线(CAN、RS232/RS422、1553B、AFDX、RapidIO等)数据，但是在现有的测试系统开发过程中，通常仅能使用单纯的某种形式的激励信号，逐项测试相应的功能，这种方式手段单一，效率和准确度都不高。随着测试系统的复杂性越来越高,对系统柔性(可扩展性)、实时性、可靠性和可重用性要求日趋增加。

发明内容

针对现有技术中的上述缺陷，本发明提供了一种嵌入式被测设备模拟器，基于TCP/IP网络通过VDCP协议接口接收测控主机的操控命令，完成模拟真实被测设备的各项功能，解决了一般测控系统研制过程中过分依赖于具有特定硬件的被测设备的问题，提高了设备的可扩展性和重用性。所述嵌入式被测设备模拟器包括：

嵌入式主控单元板、数字量输入输出单元板、模拟量输入输出单元板、测控

总线单元板和显示单元；

所述嵌入式主控单元板为载板，提供多个PCI接口插槽，所述数字量输入输出单元板、模拟量输入输出单元板和测控总线单元板通过所述PCI接口插槽安装在所述嵌入式主控单元板上；

所述嵌入式被测设备模拟器和测控系统主机使用VDCP协议数据单元来传递信息，所述VDCP协议数据单元包括命令字头1、命令字头2、命令字头3和数据字，其中：

所述命令字头1包括：

同步字标识，占用10个比特，标识一个VDCP协议数据单元的起始位置；

命令优先级，占用4个比特，指示命令的处理优先级；

异步命令标识和异步命令响应标志，分别占用1个比特，指示是否为异步命令和是否为异步命令响应；

扩展命令标识位，占用1个比特，标识用户定义的私有扩充协议；

虚拟设备功能号，占用12个比特位，定义虚拟设备的功能代号；

奇偶校验位，对整个VDCP协议数据单元进行奇偶校验；

所述命令字头2包括：

命令字节数，占用16个比特，代表VDCP协议数据单元的长度；

篱笆标号，占用16个比特，用于标识具体的异步命令；

所述命令字头3包括：

虚拟设备号，占用8个比特，用于标识虚拟设备；

虚拟设备板卡号，占用4个比特，用于标识虚拟设备中的板卡；

虚拟设备功能参数计数，代表一个命令所携带的参数个数；

虚拟设备响应返回代码，标识虚拟设备执行完命令后的状态。

用户扩展命令功能号，标识用户自定义的虚拟设备功能号。

所述数据字携带命令参数信息和/或所述嵌入式被测设备模拟器和测控系统主机之间传递的信息；

其中，所述虚拟设备为与特定VDCP协议数据单元对应的嵌入式被测设备模拟器。

特别地、所述嵌入式主控单元板上运行VxWorks操作系统，接收测控系统主机通过VDCP协议数据单元发送的命令并执行对应的测试功能任务；所述数字量输入输出单元板上的输入单元、模拟量输入输出单元板上的输入单元、和/或所述测控总线数据单元板上的接收单元模拟系统激励输入通道；所述数字量输入输出单元板上的输出单元、模拟量输入输出单元板上的输出单元、所述测控总线数据单元板上的发送单元和/或显示单元模拟系统响应输出通道。

特别地、所述嵌入式主控单元板上设置有TCP/IP接口，VDCP协议数据单元被承载在TCP/IP协议帧上，通过所述TCP/IP接口输入或者输出所述嵌入式被测设备模拟器。

特别地、所述模拟信号输入输出单元板用于对模拟信号进行接收和发送；所述数字信号输入输出单元板用于数字信号进行接收和发送；所述测控总线单元板用于实现全双工交换式测控总线数据的接收和发送。

特别地、在采用异步命令方式时，当测控系统主机产生一个命令时，将所述命令封装在所述VDCP协议数据单元中，填入唯一标识该命令的篱笆标号，所述篱笆标号随VDCP协议数据单元传输至所述嵌入式被测设备模拟器；当所述嵌入式被测设备模拟器完成命令后将所述篱笆标号与响应数据封装在所述VDCP协议数据单元中回传给所述测控系统主机，使得测控系统主机能够根据所述篱笆标号区分该响应数据所对应的所述命令。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：嵌入式被测设备模拟器能够按照用户的设计，实时采集测控系统输入的激励信号，并可根据需要，向测控系统设备实时输出响应信号，以仿真被测设备的功能；VDCP协议将具体的硬件设备抽象为虚拟设备，通过设备号和功能号来访问相应的硬件设备，获得相应的功能，能够使得测控系统设备间实现无缝链接，简化了协同通讯的复杂逻辑，从而使得测控系统无需依赖于真实被测对象就可以提前验证自身设计的准确性，此外，VDCP协议的使用大大提高了系统的可扩展性和各设备的可重用性。

附图说明

图1为本发明提出的柔性嵌入式被测设备模拟器总统功能框图

图2为本发明提出的VDCP协议数据单元格式图

图3为本发明提出的VDCP协议工作原理图

图4为本发明提出的柔性嵌入式被测设备操作命令流程图

图5为本发明提出的柔性嵌入式被测设备模拟器示意图

具体实施方式

首先对方案中使用的缩写标记含义解释如下：

VDCP代表虚拟设备通信协议

VDCP-S代表基于虚拟设备通信协议的服务器(主控设备)

VDCP-C代表基于虚拟设备通信协议的客户端(从设备)

本发明所采用的技术方案包括两个层面：一是嵌入式被测设备模拟器本身，二是设备间通讯协议框架，即虚拟设备通讯协议VDCP。在硬件层面，为了使得被测设备能够尽可能地模拟各种测控领域内的电子被测对象，采用基于PCI或者CPCI总线的VxWorks嵌入式系统，使用PCI总线可以实现大部分测控系统和被测设备功能，使用VxWorks系统可以满足大部分测控系统的实时性要求；为不失一般性，建议了预留数字量、模拟量以及测控总线处理板卡单元。在通信协议层面，标准化了设备间的通讯协议，能够简化测控系统协同任务的复杂逻辑；同时实现了VDCP协议的标准Ｃ源代码，能够满足跨平台使用需求，例如主控机运行Windows系统而被测设备模拟器运行VxWorks嵌入式系统。

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。

(1)硬件设计：

参见附图5，本发明提出的嵌入式被测设备模拟器的硬件由嵌入式主控单元板、数字信号输入输出单元板、模拟信号输入输出单元板和测控总线单元板组成。它们之间的位置连接关系是嵌入式主控单元板作为整个系统的载板，对外提供多个PCI接口插槽，数字量、模拟信号输入输出单元、测控总线单元通过PCI接口插槽安装于嵌入式主控制板上。此外还有一套LCD显示模块，安装于嵌入式被测设备模拟器的面板上，用于显示各板卡上输入输出信号的信息。

以下对上述各个模块进行详细说明：

·嵌入式主控单元板

作为系统各功能单元的载体，运行VxＷorks实时操作系统，通过PCI接口对各功能单元进行控制。

·模拟信号输入输出单元

对多通道的模拟信号进行接收和发送。

·数字信号输入输出单元

实现多通道TTL电平的输入和输出。

·测控总线单元

实现全双工交换式测控总线数据接收发送，可以是测控系统领域常用的RS232/422、1553B和AFDX通讯板卡。

·显示单元

使用4.3英寸真彩显示屏以减小被测设备模拟器的整体尺寸，提高其便携性，通过USB或者RS232总线接收被测设备模拟器输出的实时关键数据信息：如显示数字、模拟输入输出的状态信息、显示测控总线通讯状态信息，显示设备自检结果等。

(2)VDCP协议设计：

为了进一步缩短研制周期和降低研制成本，需要设计标准化的设备间通讯协议，以增加系统的可扩展性和重用性，规范测控系统领域内设备间的基于TCP/IP的网络通讯方式。虚拟设备通讯协议VDCP核心内容为其在网络上传输的数据包格式，参见图2。以下对其协议包数据格式进行详细说明：(若无特别说明，本协议的数据均以Big-Endian的方式进行分布)

·命令字头1：

同步字标号定义为0x3AA，占用10个比特，代表一个VDCP包的起始头，为了防止因网络故障引起的同步字标号误判，引入起始头防伪的设计，定义起始头前缀为0x000001,占用三个字节，防伪码为0x0F，即除了真实的包头前缀可以使用0x000001外，如果数据包中出现0x000001或者0x00000F的数据，需要在0x01或者0x0F之前插入0x0F防伪码，即相应的为0x00000F01和0x00000F0F，将此过程定义为VDCP编码(参见图3)，由数据发送端实施。在数据接收端，如果读取到0x00000F01或者0x00000F0F的数据，需要将0x0F防伪码去除，以恢复其表示的真实数据。

命令优先级，占用4个比特，即具有16种优先级，其中15为最高优先级，0为最低优先级。假设优先级15的命令字处理频率为1，则相应的优先级14的命令字处理周期为2,优先级13的命令字处理周期为4，依次类推为2的N幂次方，Ｎ＝(15-优先级)。由于优先级较多，在实际应用中，为了不失系统的实时性，不建议使用过多的优先级设计，而建议使用2～3个优先级。

异步命令标识和异步命令响应标志，分别占用1个比特，表示是否为异步命令和是否为异步命令响应，用于对嵌入式子设备的异步操作，测控系统主机无需等待嵌入式子设备的响应而可以继续别的操作，亦称此类异步命令为非阻塞命令。

扩展命令标识位，占用1个比特，代表用户可以定义本协议以外的私有扩充协议。

虚拟设备功能号，占用12个比特位，可以定义虚拟设备的功能代号，如果打开设备、读取设备和写设备的存储空间等。

奇偶校验位，对整个VDCP包进行奇偶校验。

·命令字头2：

命令字节数，占用16个比特，代表VDCP包的长度，因此，一个VDCP包的最大长度为65536，计算实际长度的公式为实际长度＝命令字节数+1。如果一个VDCP包大于65536，可以使用上述的扩展标识位对VDCP包进行拆包处理。

篱笆标号(FenceID)，占用16个比特，这是实现异步命令的核心，在测控主机产生一个VDCP命令时，可以由一个全局的计数器从1开始累加，每个计数可当作一个FenceID使用，FenceID随VDCP命令传输至嵌入式子设备，当子设备完成命令后将FenceID回传给测控主机，使得测控主机能够根据FenceID区分该系统响应属于哪个异步命令，从而实现了非阻塞命令响应操作，参见图4。

·命令字头3：

虚拟设备号，占用8个比特，因此本发明的VDCP协议最大支持256个子设备，参见图2。

虚拟设备板卡号，占用4个比特，因此每个子设备可以最大支持8个PCI板卡，当超出8个PCI板卡时，可以将设备分为两个或者多个子设备，参见图2。

虚拟设备功能参数计数，代表一个VDCP命令所带的参数个数。

虚拟设备响应返回代码，代表嵌入式子设备执行完VDCP命字后的状态，从而使得测控主机获取命令执行的状态。

用户扩展命令功能号，代表用户自定义功能号，从而保证本发明的协议本身亦具备可扩展性和兼容性。

·数据字

数据字主要由VDCP命令数据组成，当存在命令字头3中的虚拟设备功能参数计数Ｍ时，字节1和字节2代表命令中各参数的数据类型，从字节3开始，依次为Ｍ个参数值，每个参数占用4个字节，剩下的均为VDCP数据字；当M不存在时，该段数据均为数据字。

(3)软件设计：

根据被测设备模拟器在整个测试系统中的功能特点，在设计软件时，需要考虑以下程序特性：实时性、可配置性和交互性，使得设备模拟器在有限的硬件配置下发挥更多的模拟器功能。本测试设备模拟器可以以单一模拟器的形式出现于整个测试系统中，亦可以多个模拟器的形式协同工作于这个测试系统中，如图1。

·实时性设计

设备模拟器作为一种高可配置、高灵活性信号源，决定了设备模拟器软件必须满足实时性设计的要求，在大量的科学研究和工程应用中，VxWorks被广泛采用并可以满足嵌入式设备对实时性的要求，因此本模拟器设备采用全新的VxWorks6.6操作系统(VxWorks6.6可以支持更多的主流计算机硬件，使得测试系统性能更加优越)，开发VxWorks实时测试功能程序，硬件驱动程序以及网络任务调度处理程序(VDCP库)。

·可配置性设计

嵌入式被测设备模拟器必须具备可配置的功能，以完成各项模拟器的准确输出，因此在设计软件的时候必须设计可配置性接口。这些可配置性接口设计具体体现在：软件设计考虑了各项模拟器的参数配置及其安全数值范围；设备模拟器功能模块化，根据实际的测试环境，将功能模块置于内核或者非内核环境中运行，以最大可能地满足系统的实时性和低耗能性运行。

·可交互性设计

本发明中涉及的显示单元和VDCP协议使得本嵌入式被测对象模拟器可以作为单一的模拟源工作，关键数据可以显示于嵌入式子显示屏上，亦可以通过TCP/IP网络实现多模拟源的方式工作，由测控主机完成整系统的交互操作。

(4)结构设计

系统采用紧凑的箱式结构，嵌入式主控板及各功能板卡均装配于箱体内，各个对外的接口由转接线连接到相应的航空插头上，航空插头装配于箱体面板上。整套设备尺寸约为25(W)×30(D)×20(H)cm。箱体面板结构示意图4所示。

下面以一个实际的测试过程来进一步描述本发明提供的技术方案。

定义测控系统主机向虚拟设备(嵌入式被测对象模拟器或者测控系统嵌入式子单元)执行一个操作的过程为一个VDCP操作，根据一般测控系统特点，将VDCP操作定义为两种类型：即阻塞(或称同步)操作和非阻塞(或称异步)操作。一个阻塞型VDCP操作需要得到虚拟设备的响应后才能返回该操作，而一个非阻塞性VDCP操作则无需等待虚拟设备响应而直接返回该操作，由系统操作响应线程实现监测虚拟设备的响应，从而达到非阻塞的目的。例如，当测控主机需要读取某一个虚拟设备的寄存器时，可以执行一个阻塞型VDCP操作，具体地，主机按照附图1的协议格式生成VDCP操作命令数据包，其中命令头1中的异步命令标识位设为0，然后主机对该数据包执行防伪码编码，并将编码后的数据流递交给TCP/IP传输单元，主机挂起该操作以等待虚拟设备的响应；虚拟设备端接收到主机的上述数据包后，首先执行防伪码去除扫描，然后解析数据包以识别具体的操作，如读取寄存器，当虚拟设备得到相应寄存器值后，开始按照附图1的协议格式生成VDCP操作响应数据包，并将本次接收到的VDCP包中的FenceID回写至VDCP操作响应数据包中，随后执行防伪码编码，并将数据流递交给TCP/IP传输单元；此时，测控主机网络响应线程得到本操作的VDCP操作响应包，执行防伪码去除扫描后解析得到寄存器值，一个阻塞型操作结束。相应地，如果执行一个非阻塞操作，则在上述主机完成数据流发送后直接返回操作并开始执行其它操作，当虚拟设备完成操作并返回给主机后，主机根据FenceID唤醒(见附图4中的系统操作响应线程)与该FenceID对应的原VDCP操作，从而完成一个非阻塞VDCP操作。

特别说明：本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明做出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明的权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种嵌入式被测设备模拟器，其特征在于，包括：

嵌入式主控单元板、数字量输入输出单元板、模拟量输入输出单元板、测控总线单元板和显示单元；

所述嵌入式主控单元板为载板，提供多个PCI接口插槽，所述数字量输入输出单元板、模拟量输入输出单元板和测控总线单元板通过所述PCI接口插槽安装在所述嵌入式主控单元板上；

所述嵌入式被测设备模拟器和测控系统主机使用虚拟设备通讯协议的协议数据单元来传递信息，所述虚拟设备通讯协议的协议数据单元包括第一命令字头、第二命令字头、第三命令字头和数据字，其中：

所述第一命令字头包括：

同步字标识，占用10个比特，标识一个虚拟设备通讯协议的协议数据单元的起始位置；命令优先级，占用4个比特，指示命令的处理优先级；

异步命令标识和异步命令响应标志，分别占用1个比特，指示是否为异步命令和是否为异步命令响应；

扩展命令标识位，占用1个比特，标识用户定义的私有扩充协议；

虚拟设备功能号，占用12个比特位，定义虚拟设备的功能代号；

奇偶校验位，对整个虚拟设备通讯协议的协议数据单元进行奇偶校验；

所述第二命令字头包括：

命令字节数，占用16个比特，代表虚拟设备通讯协议的协议数据单元的长度；

篱笆标号，占用16个比特，用于标识具体的异步命令；

所述第三命令字头包括：

虚拟设备号，占用8个比特，用于标识虚拟设备；

虚拟设备板卡号，占用4个比特，用于标识虚拟设备中的板卡；

虚拟设备功能参数计数，代表一个命令所携带的参数个数；

虚拟设备响应返回代码，标识虚拟设备执行完命令后的状态；

用户扩展命令功能号，标识用户自定义的虚拟设备功能号；

所述数据字携带命令参数信息和/或所述嵌入式被测设备模拟器和测控系统主机之间传递的信息；

其中，所述虚拟设备为与虚拟设备通讯协议的协议数据单元对应的嵌入式被测设备模拟器。

2.根据权利要求1所述的一种嵌入式被测设备模拟器，其特征在于：所述嵌入式主控单元板上运行VxWorks操作系统，接收测控系统主机通过虚拟设备通讯协议的协议数据单元发送的命令并执行对应的测试功能任务；所述数字量输入输出单元板上的输入单元、模拟量输入输出单元板上的输入单元、和/或所述测控总线数据单元板上的接收单元模拟系统激励输入通道；所述数字量输入输出单元板上的输出单元、模拟量输入输出单元板上的输出单元、所述测控总线数据单元板上的发送单元和/或显示单元模拟系统响应输出通道。

3.根据权利要求1所述的一种嵌入式被测设备模拟器，其特征在于：所述嵌入式主控单元板上设置有TCP/IP接口，虚拟设备通讯协议的协议数据单元被承载在TCP/IP协议帧上，通过所述TCP/IP接口输入或者输出所述嵌入式被测设备模拟器。

4.根据权利要求1至3任一项所述的一种嵌入式被测设备模拟器，其特征在于：

所述模拟信号输入输出单元板用于对模拟信号进行接收和发送；

所述数字信号输入输出单元板用于数字信号进行接收和发送；

所述测控总线单元板用于实现全双工交换式测控总线数据的接收和发送。

5.根据权利要求1至3任一项所述的一种嵌入式被测设备模拟器，其特征在于：

在采用异步命令方式时，当测控系统主机产生一个命令时，将所述命令封装在所述虚拟设备通讯协议的协议数据单元中，填入唯一标识该命令的篱笆标号，所述篱笆标号随虚拟设备通讯协议的协议数据单元传输至所述嵌入式被测设备模拟器；当所述嵌入式被测设备模拟器完成命令后将所述篱笆标号与响应数据封装在所述虚拟设备通讯协议的协议数据单元中回传给所述测控系统主机，使得测控系统主机能够根据所述篱笆标号区分该响应数据所对应的所述命令。