CN110987006A - 基于sopc技术的海洋观测自动测试系统及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于海洋观测仪器可靠性测试技术领域，公开了一种基于SOPC技术的海洋观测自动测试系统及测试方法，硬件前端的下位机硬件系统用于模拟传感器的硬件电路工作状况、供电状况和数据传输接口；还用于模拟串口数据传输的通信协议和传感器数据；软件后端的上位机监控系统用于传感器模拟数据生成、传感器模拟工作状态设置、测试日志记录、测试模拟数据记录、测试结果评价。本发明综合了硬件电路工作状况测试与数据通信测试功能，不仅能模拟传感器的数据传输通信正常与异常，还可以通过硬件电路进行电路故障引入，模拟传感器的正常、短路和断路工作情况，并根据所模拟的各种工况的测试过程提供被测系统的可靠性评估。

Description

基于SOPC技术的海洋观测自动测试系统及测试方法

技术领域

本发明属于海洋观测仪器可靠性测试技术领域，尤其涉及一种基于SOPC技术的海洋观测自动测试系统及测试方法。

背景技术

目前，最接近的现有技术：一般意义的自动测试系统ATS(Automatic TestSystem)是指那些采用计算机控制，能实现自动化测试的系统。工程上的自动测试系统往往针对一定的应用领域和被测对象，并且常按应用对象命名，因此有飞机自动测试系统，导弹自动测试系统，发动机自动测试系统等。另一方面，自虚拟仪器概念提出以来，以虚拟代替传统仪器组建自动测试系统发展迅速。自动测试系统是以计算机为核心，也就是软件即仪器，所以在虚拟仪器构建的自动测试系统中,只要配置专门信号接口和线路，就可产生测试系统所需的模拟信号等。虚拟自动测试系统一般由硬件和软件两部分组成：硬件部分主要完成数据采集，软件部分实现对硬件功能的控制。

目前业内最新的一款基于FPGA动态重构的多功能测试系统，其测试前端是使用FPGA作为主控制器控制外围测试电路，用于输出不同的测试信号，其测试后端采用MySQL数据库和C#设计的人机交互界面为用户提供测试系统的监控平台。另一款基于虚拟仪器的发射机控制器测试系统，该系统也是由基于嵌入式芯片的采集卡和LabVIEW编写的人机交互界面组成，依靠人机交互界面监控采集卡的测试过程。这些现有的自动测试系统都是基于虚拟仪器构建的，起到模拟被测系统所对接仪器的作用，也不乏故障输入、故障保护功能测试的功能，但是这种故障引入功能基本都是从数据传输或者信号异常入手，并没有涉及到硬件电路异常的情况。

海洋原位长期观测仪器具有工作周期长、工作环境恶劣、维护成本高的特点，可靠性是系统设计的重中之重，研制过程往往需要长周期的实验室拷机测试。海洋原位长期观测仪器一般挂载有多种海洋传感器，实验室拷机测试中，一般采用挂载真实海洋传感器的方式进行。该测试方式存在的主要问题是：(1)真实海洋传感器价格昂贵，直接挂载昂贵的海洋传感器进行测试，系统测试成本高，不适合多台海洋观测仪器同时测试；(2)真实海洋传感器往往需要特定的工作环境(如浸入海水中)，直接挂载海洋传感器对实验室测试环境有较高的要求；(3)真实海洋传感器工作在正常状态，不能模拟各种故障状态，直接挂载海洋传感器不能测试海洋观测仪器的故障处理功能，而故障处理功能是海洋观测仪器可靠性的重要组成部分；(4)直接挂在真实传感器的系统测试方式，测试评价需要在测试完成后根据系统的日志文件、传感器数据文件进行离线分析，不能实现自动测试评价，同时因为真实传感器数据的未知性，不能评价数据通信的准确性。

针对直接挂载真实传感器进行海洋观测仪器测试的问题和海洋观测仪器的自动拷机测试需求，同时考虑到所研制的自动测试系统的通用性(海洋观测仪器所搭载的海洋传感器的接口多数为串口)，本发明提供了一种基于SOPC技术的海洋观测自动测试系统及测试方法。硬件前端电路模拟传感器电气接口(数据接口和供电接口)，基于SOPC技术的嵌入式软件模拟通信协议和传感器数据，后端上位机软件负责配置测试过程、无人值守监控和测试评价分析；利用SOPC技术的软件、硬件可编程特性保证所研制自动测试系统的通用性，通过编程，可满足不同海洋观测仪器的测试需求。本发明提供了一种具有广泛通用性的、测试过程无人值守的、面向海洋观测仪器拷机测试应用的自动测试系统，可满足大多数海洋观测仪器长期拷机测试的需求。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于SOPC技术的海洋观测自动测试系统及测试方法。本发明为海底原位长期观测装置提供测试平台以及相应的性能评估，是针对搭载多种传感器的海洋观测装置设计的，并且综合了硬件电路工作状况测试与数据通信功能测试。不仅可以模拟传感器的数据传输通信正常与异常，还可以通过硬件电路进行电路故障引入，模拟传感器的正常、短路和断路工作情况，并根据测试过程提供被测系统的可靠性评估，可实现长期无人值守的自动测试。

本发明是这样实现的，一种基于SOPC技术的海洋观测自动测试系统，包括：

硬件前端的下位机硬件系统，用于模拟传感器的硬件电路工作状况和数据传输；还用于模拟串口数据传输，或进行上位机通信接口拓展；以及给被测系统提供电压；

软件后端的上位机监控系统，通过UART串口与硬件前端的下位机硬件系统连接，用于提供人机交互界面，进行传感器模拟数据生成、传感器模拟工作状态设置、测试日志记录、测试模拟数据记录、测试结果评价。

进一步，所述硬件前端的下位机硬件系统包括：

FPGA核心板，用于搭建SOPC系统，运行下位机软件，负责测试任务调度、开关量控制和相关数据处理；

模拟传感器通路模块，包含电阻率、孔压、声学、高度计、方位姿态、海水电池、贯入机械手等传感器通路接口，以及预留的模拟通路接口，用于负责通过硬件电路切换来模拟传感器工作状况和供电状况，以及通过串口通信模拟传感器接口协议；

下位机与上位机通信的串口电路模块，以及预留的串口电路模块，用于负责下位机与上位机的通信，接收上位机的控制命令和需要存储的传感器模拟数据，上传测试过程数据给上位机；

SD卡电路模块，用于负责记录测试工作日志、传感器模拟数据以及测试过程数据的存储和读取；

系统电源电路模块，用于负责给下位机各个模块提供电源，以及为被测系统供电。

进一步，模拟传感器通路模块包括串口通信电路和工作状态模拟电路，分别模拟真实传感器的通信功能和电气特性；

串口通信电路的通信接口采用RS-232标准的串行接口，并搭载传感器串口通信协议，实现传感器串口通信模拟；

工作状态模拟电路采用两个继电器实现断路、短路以及正常工作不同工况的切换，当断路开关打开，即第一个继电器切至空接的开端，实现电路的断路状态；当断路开关闭合，即第一个继电器切至常闭端连接第二个继电器，第二个继电器的开端是短路故障电路，第二个继电器的常闭端为正常工作电路，短路故障电路通过串联一个小阻值功率电阻接地实现。

进一步，所述软件后端的上位机监控系统提供的人机交互界面包括：测试监控界面，用于各个模拟传感器的数据配置、状态配置、日志文件存储、测试过程数据接收显示及存储，还用于上位机与下位机的通信参数配置及显示。

进一步，所述软件后端的上位机监控系统提供的人机交互界面进一步包括：测试评价界面，用于导入被测系统存储数据文件、数据分析比较、测试结果分析显示。

本发明的另一目的在于提供一种基于SOPC技术的海洋观测自动测试系统的测试方法，包括：

使用硬件电路实现对传感器的电气特性模拟、通过嵌入式软件编程实现对传感器的通信协议模拟，以及通过硬件和软件的配合达到虚拟传感器；

所述虚拟传感器作为被测系统需求通过SOPC编程扩展，为搭载多种传感器的海洋工程地质观测系统提供电路工况模拟、数据传输模拟、测试评价分析的拷机测试。

进一步，所述基于SOPC技术的海洋观测自动测试系统的测试方法具体包括：

步骤一，以导入文本文件的形式导入电阻率、孔压、声学、海水电池、高度计和方位姿态传感器的实测数据以及对应的错误数据；

步骤二，通过串口发送给下位机存储用于模拟传感器的返回数据；

步骤三，完成初始化配置后，先由上位机配置下位机的各个模拟传感器的若干次上电的工作状态，下位机接收到命令后按照配置进行传感器工作状态的模拟，若处于正常的工作状态，在收到被测系统的命令后会根据上位机之前的配置，随机地返回之前初始化配置的传感器数据，或是发送错误的传感器数据，模拟传感器的数据采集过程；若处于短路或断路的工作状态，则不会对被测系统的命令有所反应，模拟传感器的电路故障情况，直到被测系统启动故障保护隔离后下电，等待下一次的上电；

步骤四，在完成全部测试以后，上位机根据测试过程中，下位机的相关返回数据，以及被测系统提供的数据记录，对被测系统的功能与性能进行评估，评估内容包括数据采集是否正确、命令发送是否正确、故障保护处理是否及时、错误数据返回有否处理。

进一步，所述步骤四对被测系统的功能与性能进行评估中，上位机通过测试系统与被测系统两方的数据日志记录对比，分析被测系统实现故障保护处理是否及时、命令发送是否正确、错误数据返回有否处理；通过测试系统与被测系统两方的所存储传感器数据的对比，分析被测系统的采集数据是否准确。

本发明的另一目的在于提供一种实现所述基于SOPC技术的海洋观测自动测试系统的测试方法的信息数据处理终端。

本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，包括指令，当其在计算机上运行时，使得计算机执行所述的基于SOPC技术的海洋观测自动测试系统的测试方法。

综上所述，本发明针对高可靠性海洋观测仪器的长周期实验室拷机测试需求，提供了一种基于SOPC技术的海洋观测自动测试系统，本发明的主要优点和积极效果为：

1)解决了直接挂载真实海洋传感器进行海洋观测系统测试的价格昂贵、测试环境要求高、不适合多个观测系统批量测试的问题。本发明通过提供模拟真实海洋传感器接口的模拟测试传感器，测试成本低，实验室环境要求低，可支持海洋观测系统的批量测试；

2)解决了直接挂载真实海洋传感器进行海洋观测系统测试的故障模拟困难问题。海洋观测系统工作环境恶劣，长期无人值守，系统工作可靠性要求高，要求系统中某个传感器发生故障时，系统能够自动隔离，防止故障扩大。直接挂载真实海洋传感器的测试方式，难以模拟海洋传感器电源短路、电源断路、通信错误等故障。本发明提供的模拟真实传感器的模拟测试传感器，可以根据系统配置自动模拟海洋传感器的电源短路、断路和通信错误等故障，有效支撑海洋观测系统的可靠性测试；

3)解决了直接挂载真实海洋传感器进行海洋观测系统测试的测试数据处理问题。直接挂载海洋真实传感器的系统测试方式，测试评价需要在测试完成后根据测试系统的日志文件、传感器数据文件进行离线分析，测试数据处理效率低，同时由于真实传感器数据的未知性，不能有效评价数据通信的准确性。本发明提供的模拟真实传感器的模拟测试系统，可自动根据系统的日志文件、传感器数据文件进行自动分析，测试完成即可自动生成测试评价报告。

综上所述，本发明提供了一种基于SOPC技术的海洋观测自动测试系统及测试方法。硬件前端电路模拟传感器电气接口(数据接口和供电接口)，基于SOPC技术的嵌入式软件模拟通信协议和传感器数据，后端上位机软件负责配置测试过程、无人值守监控和测试评价分析；利用SOPC技术的软件、硬件可编程特性保证所研制自动测试系统的通用性，通过编程，可满足不同海洋观测仪器的测试需求。本发明提供了一种具有广泛通用性的、测试过程无人值守的、面向海洋观测仪器拷机测试应用的自动测试系统，可满足大多数海洋观测仪器长期拷机测试的需求。

本发明综合了硬件电路工作状况测试与数据通信测试功能，不仅能模拟传感器的数据传输通信正常与异常，还可以通过硬件电路进行电路故障引入，模拟传感器的正常、短路和断路工作情况，并根据所模拟的各种工况的测试过程提供被测系统的可靠性评估。本发明基于SOPC技术的软件、硬件均可编程的特性，所提供的海洋观测自动测试系统具有通用性，通过编程，可方便用于各种海洋观测系统的可靠性测试。本发明提供的海洋观测测试系统是一个自动测试系统，系统测试启动后可无人值守运行，自动完成测试过程并生成测试评估结果，满足被测系统的长期工作可靠性测试需求。

附图说明

图1是本发明实施例提供的基于SOPC技术的海洋观测自动测试系统示意图。

图2是本发明实施例提供的下位机硬件电路总图。

图3是本发明实施例提供的上位机测试监控软件界面设计图。

图4是本发明实施例提供的上位机测试评价软件界面设计图。

图5是本发明实施例提供的工况模拟电路图。

图6是本发明实施例一，一套可搭载多种测量深海海底土力学性质传感器的复杂深海工程地质原位观测设备与本发明提供的测试系统进行拷机测试的系统连接图。

图7是本发明实施例二，结合了声呐扫描与电阻率测量的海底边界层沉积物观测设备与本发明提供的测试系统进行拷机测试的系统连接图。

图8是本发明实施例提供的基于SOPC技术的海洋观测自动测试系统的下位机硬件电路实物图。

图9是本发明实施例提供的基于SOPC技术的海洋观测自动测试系统的上位机测试监控软件界面示意图。

图10是本发明实施例提供的基于SOPC技术的海洋观测自动测试系统的上位机测试评价软件界面示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

海底原位长期观测装置挂载有多种海洋传感器，在进行该海底原位长期观测装置功能测试与性能测试时，通常需要长时间进行多种情况下的拷机测试，现在一般实验室拷机测试中，直接使用要挂载的海洋传感器进行长期的测试会带来更高的维护成本，甚至消耗其使用寿命。某些要挂载的传感器需要在特定情况下使用(如浸入一定的水深中)，否则无法工作甚至损坏传感器。

海底原位长期观测装置带有电路故障保护功能的，在一般实验室测试条件下无法提供对应的故障电路电气特征(如电流、电压)，也不可能直接用海洋传感器模拟故障条件，使得该功能无法拷机测试。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于SOPC技术的海洋观测自动测试系统及测试方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的基于SOPC技术的海洋观测自动测试系统，包括：

硬件前端的下位机硬件系统，用于模拟传感器的硬件电路工作状况、供电状况和数据传输接口；还用于模拟串口数据传输的通信协议和传感器数据，或进行上位机通信接口拓展；以及给被测系统提供电源。

软件后端的上位机监控系统，通过UART与硬件前端的下位机硬件系统连接，用于提供人机交互界面，进行传感器模拟数据生成、传感器模拟工作状态设置、测试日志记录、测试模拟数据记录、测试结果评价。

在本发明实施例中，所述硬件前端的下位机硬件系统包括：

FPGA核心板，用于搭建SOPC系统，运行下位机软件，负责测试任务调度、开关量控制和相关数据处理。

模拟传感器通路模块，包含电阻率、孔压、声学、高度计、方位姿态、海水电池、贯入机械手等多个模拟通路接口电路模块，以及预留的模拟通路接口，用于负责通过硬件电路切换来模拟传感器工作状况和供电状况，以及通过串口通信模拟传感器接口协议。

与上位机通信的串口接口电路模块，以及预留的串口电路模块，用于负责与下位机与上位机的通信，接收上位机的控制命令和需要预存储的模拟数据，返回测试过程数据给上位机监控系统。

SD卡电路模块，用于负责记录测试工作日志、传感器模拟数据以及测试过程数据的存储和读取。

系统电源电路模块，用于负责给下位机各个模块提供电源，以及为被测系统供电。

在本发明实施例中，模拟传感器通路模块包括串口通信电路和工作状态模拟电路，分别模拟真实传感器的通信功能和电气特性。

串口通信电路的通信接口采用RS-232标准的UART接口，并搭载的传感器串口通信协议，实现传感器串口通信模拟。

工作状态模拟电路采用两个继电器实现断路、短路以及正常工作不同工况的切换，当断路开关打开，即第一个继电器切至空接的开端，实现电路的断路状态。当断路开关闭合，即第一个继电器切至常闭端连接第二个继电器，第二个继电器开端是短路故障电路，第二个继电器的常闭端为正常工作电路，短路故障电路通过串联一个小阻值功率电阻接地实现。

在本发明实施例中，所述软件后端的上位机监控系统提供的人机交互界面包括：测试监控界面，用于各个传感器的数据配置、状态配置、日志文件存储、测试过程数据接收显示及存储，还用于上位机与下位机的通信参数配置及显示。

在本发明实施例中，所述软件后端的上位机监控系统提供的人机交互界面进一步包括：测试评价界面，用于导入存储数据文件、数据分析比较、测试结果显示。

在本发明实施例中，本发明提供一种基于SOPC技术的海洋观测自动测试方法具体包括：

步骤一，以导入文本文件的形式导入电阻率、孔压、声学、海水电池、高度计和方位姿态传感器的实测数据以及对应的错误数据。

步骤二，通过串口发送给下位机储存用于模拟传感器的返回数据。

步骤三，完成初始化配置后，先由上位机配置传感器接下来若干次上电的工作状态，下位机接收到命令后按照配置进行传感器工作状态的模拟，若处于正常的工作状态，在收到被测系统的命令后会根据上位机之前的配置，随机地返回之前初始化配置的数据，或是发送错误的采集数据，模拟传感器的数据采集过程。若处于短路或断路到状态，则不会对被测系统的命令有所反应，模拟传感器的电路故障情况，直到被测系统启动故障保护隔离后下电，等待下一次的上电。

步骤四，在完成全部测试以后，上位机根据测试过程中，下位机的相关返回数据，以及被测系统提供的数据记录，对被测系统的功能与性能进行评估，评估内容包括数据采集是否正确、命令发送是否正确、故障保护处理是否及时、错误数据返回有否处理。

在本发明实施例中，所述步骤四对被测系统的功能与性能进行评估中，上位机通过测试系统与被测系统两方的数据日志记录对比，分析被测系统实现故障保护处理是否及时、命令发送是否正确、错误数据返回有否处理；通过测试系统与被测系统两方的所存储传感器数据的对比，分析被测系统的采集数据是否准确。

在本发明实施例中，本发明使用硬件电路实现对传感器的电气特性模拟、通过嵌入式软件编程实现对传感器的通信协议模拟，以及通过硬件和软件的配合达到虚拟传感器的目的，而这些虚拟传感器可以视被测系统需求通过SOPC技术编程扩展，为一些搭载多种传感器的海洋工程地质观测系统，特别是海洋观测系统，提供一套带有电路工况模拟、数据传输模拟、测试评价分析的拷机测试方案，而这整一套方案的流程与实施细节是本发明的关键技术。

该方案的流程如下：

上位机监控软件首先以导入文本文件的形式导入电阻率、孔压、声学、海水电池、高度计和方位姿态传感器已有的实测数据以及对应的一些错误数据，再通过串口发送给下位机储存用于模拟传感器的返回数据；完成初始化配置后，开始正式测试，先由上位机配置传感器接下来若干次上电的工作状态，下位机接收到命令后按照配置进行传感器工作状态的模拟(正常、短路或断路)，若处于正常的工作状态，在收到被测系统的命令后会根据上位机之前的配置，随机地返回之前初始化配置的数据，或是发送错误的采集数据(随机功能由下位机嵌入式编程实现)，模拟传感器的数据采集过程；若处于短路或断路到状态，则不会对被测系统到命令有所反应，模拟传感器的电路故障情况，直到被测系统启动故障保护隔离后下电，等待下一次的上电。在完成全部测试以后，上位机会根据测试过程中，下位机的相关返回数据，以及被测系统提供的数据记录，对被测系统的功能与性能进行评估给用户，评估内容包括数据采集是否正确、命令发送是否正确、故障保护处理是否及时、错误数据返回有否处理。

该流程中有两处实施细节，分别是下位机的电路工况模拟实施细节以及上位机测试评价分析的具体方案。

下面结合具体硬件及功能原理对本发明作进一步描述。

本发明上位机监控提供了人机交互界面，其功能包括传感器模拟数据生成、传感器模拟工作状态设置(正常工作和故障)、测试日志记录、测试模拟数据记录、测试结果评价等。

下位机硬件系统是分模块设计的：包含工况模拟模块与串口通信模块的传感器模拟通路设计了11个，用于模拟传感器的硬件电路工作状况和数据传输模拟；可扩展通信通路只包含串口通信模块，共设计了6个，这种通路适用于外部供电的，只需模拟串口数据传输的传感器，或者用于上位机通信接口拓展；包含供电电压输出与电源串口通信模块的电源模拟通道设计了1个，用于给被测系统提供24V的供电电压，以及模拟被测系统与供电系统之间的通信传输。

如图2所示为下位机嵌入式系统硬件电路，使用Cyclone II系列芯片核心板作为系统的控制器。下位机硬件电路与被测系统通过多路接口对接(图中仅列出部分常用的传感器)，模拟在真实测试时所要搭载的传感器，实现对真实传感器的串口协议、测量数据、电路状态等功能的模拟。

整个下位机各模块硬件功能如下：

1)FPGA核心板是整个下位机系统控制核心，用于搭建SOPC系统，运行下位机软件，负责测试任务调度、开关量控制和相关数据处理；

2)模拟传感器通路模块包含了电阻率、孔压、声学、高度计、方位姿态、海水电池、贯入机械手等多个模拟通路接口电路模块，也设计了预留的模拟通路接口备用，负责通过硬件电路切换来模拟传感器工作状况，以及通过串口通信模拟传感器的接口协议。

3)与上位机通信的串口接口电路模块，并且预留了可扩展的上位机串口接口，负责与下位机与上位机的通信，包括接收上位机的控制命令和需要预存储的模拟数据、返回测试过程数据给上位机监控系统等。

4)SD卡电路模块，负责记录测试工作日志以及相关模拟数据的存储和读取；

5)系统电源电路模块，负责给电路各个模块提供电源，并且被测系统的供电也可以由该模块提供。

本发明的上位机软件设计是集采集通讯、数据解析、波形显示及数据存储为一体的软件，其是以VS2010平台下的Microsoft Foundation Classes(简称MFC)基础类库为依托，以C++语言为基础，设计实现串口数据采集、数据导入、数据实时显示更新、操作及数据信息日志存储、软件系统调试、测试结果分析比较等功能；数据信息查询系统通过编程创建各种数据表及文本文件，并对数据存储的测试需求和安全性进行优化，通过构建多个文本文件及表格完成对各种数据的访问导入和存储。上位机软件设计的整体软件功能框架如图3所示。

该界面详细功能如下：

1)数据配置功能。软件将自动调取预先在本地存储的传感器实测模拟数据的文本文件，并显示在数据配置窗口下的编辑框中，数据量过大时可以拖动滚动条，点击发送后会通过串口发送给下位机进行配置；

2)状态配置功能。每一种传感器可通过上位机一次设置十次系统工作的状态，每十次完成一个测试周期，其中包括三种工作状态：正常、短路和断路，每一个传感器通路每次只能工作在一种状态下；

3)日志文件存储功能。上位机系统为每一个传感器量测界面设计了日志文件存储功能，该功能模块旨在针对不同传感器分别记录其全部操作，如发送的命令及接受的数据，方便日后查对；

4)数据接收显示及存储功能。在每个传感器的数据接收模块，均可以显示该传感器所收到的来自下位机的数据，同时自动按照下方编辑框中的文件名称进行存储，存储格式为文本文件；

5)传感器详细监控界面通信及显示功能。根据不同的传感器设计了多个传感器详细监控界面，监控各个传感器的详细工作情况。

如图4所示，为上位机测试评价界面，该界面详细功能如下：

1)导入存储数据文件功能。界面左上方为测试系统监控软件回收数据显示模块，右上方为被测系统回收数据显示模块，可以显示导入的本地数据；

2)数据分析比较功能。点击中间的“分析比较”按钮，则软件将对两个平台的数据显示编辑框中的数据进行对比；

3)界面下方为测试结果分析表显示界面，每点击“分析比较”按钮一次，软件将比较分析一次并生成一条测试记录，并在界面下方的表格中记录本次分析的传感器类型、测试次数、测试结果、错误类型、测试时间等信息，该表格可以被导出为excel表格，以保存每一次的测试信息，由于表格空间有限，在表格中“错误类型”一栏将只显示错误代号，详细的错误说明，可见右下方的错误信息代号注释编辑框。

在本发明实施例中，下位机嵌入式系统设计有十二个传感器模拟通路，都是可编程的，每个传感器模拟通路分为两个部分电路：串口通信电路和工作状态模拟电路，分别模拟真实传感器的通信功能和电气特性。针对大部分传感器使用串口通信这种电路简单的通信方式，本发明设计采用RS-232标准的UART接口作为传感器模拟的通信接口，按照海洋观测系统所搭载的传感器串口通信协议，实现传感器串口通信模拟。

对一般传感器而言，电路故障情况可以分为短路、断路两种，判断实际的传感器有没有发生短路或断路的故障情况，依据就是电路的电流与电压，本发明的工况模拟电路设计需要模拟电路故障时的电流、电压特点，使用硬件电路实现，如图5所示。

工况模拟电路采用两个继电器实现三种不同工况的切换，当断路开关打开，即第一个继电器切至空接的开端，实现电路的断路状态。当断路开关闭合，即第一个继电器切至常闭端连接第二个继电器，第二个继电器开端是短路故障电路，第二个继电器的常闭端为正常工作电路，其中短路故障电路通过串联一个小阻值功率电阻接地实现。对于正常工作的传感器，在上电启动时会产生瞬时冲击电流，海底观测系统电路是否具备一定的抗冲击能力，能否识别该情况下可能带来的过电流故障也需要纳入测试的范围。针对该可能的情况，在正常工作电路中并联合适的电容接地可以模拟电路通电瞬间产生的冲击电流，测试海底观测系统的抗冲击能力。工作状态模拟电路根据上述思路设计，模拟真实传感器工作时会出现的短路、断路以及正常工作情况的电气特性，三种状态的切换由两个继电器来完成。其中继电器的切换依靠模拟开关实现，由FPGA核心板IO口控制开关管导通与关闭，控制继电器进行切换。

上位机测试评价分析是通过测试系统与被测系统两方的数据日志记录对比，来对测试结果给出评价分析。再看如图五所示为测试评价界面，上方左右两个编辑框分别是本发明测试过程的数据日志显示和被测系统的数据日志显示，这些日志都是各自系统在测试时分别记录下的自身工作过程，每一条发出、收到的数据都带有时间记录，以及对应的，可以被上位机分析识别的特定格式。上位机可以根据这两份数据，分析被测系统是否有实现故障保护处理是否及时、命令发送是否正确、错误数据返回有否处理等功能。

下面结合具体实施例对本发明作进一步描述。

实施例1

如图6为本发明实施例之一，该实施例是一套可搭载多种测量深海海底土力学性质传感器的复杂深海工程地质原位观测设备与本发明提供的测试系统进行拷机测试的系统连接图，该观测设备在国家自然科学基金重大科研仪器研制项目(41427803)—复杂深海工程地质原位长期观测设备研制的支持下应运而生。

实施例2

如图7为本发明实施例之二，该实施例是一套结合了声呐扫描与电阻率测量的海底边界层沉积物观测设备与本发明提供的测试系统进行拷机测试的系统连接图，该观测设备还搭载了海流计、浊度计以及方位姿态等海洋传感器。

如图8为本发明的基于SOPC技术的海洋观测自动测试系统的下位机硬件电路实物，如图9所示为本发明的基于SOPC技术的海洋观测自动测试系统的上位机测试监控软件界面，如图10所示为本发明的基于SOPC技术的海洋观测自动测试系统的上位机测试评价软件界面。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于SOPC技术的海洋观测自动测试系统，其特征在于，所述基于SOPC技术的海洋观测自动测试系统包括：

硬件前端的下位机硬件系统，用于模拟传感器的硬件电路工作状况、供电状况和数据传输接口；还用于模拟串口数据传输的通信协议和传感器数据；进行上位机通信接口拓展；

软件后端的上位机监控系统，通过UART串口与硬件前端的下位机硬件系统连接，用于提供人机交互界面，进行传感器模拟数据生成、传感器模拟工作状态设置、测试日志记录、测试模拟数据记录、测试结果评价。

2.如权利要求1所述的基于SOPC技术的海洋观测自动测试系统，其特征在于，所述硬件前端的下位机硬件系统包括：

FPGA核心板，用于搭建SOPC系统，运行下位机软件，负责测试任务调度、开关量控制和相关数据处理；

模拟传感器通路模块，包含电阻率、孔压、声学、高度计、方位姿态、海水电池、贯入机械手传感器通路接口，以及预留的模拟通路接口，用于负责通过硬件电路切换来模拟传感器工作状况和供电状况，以及通过串口通信模拟传感器接口协议；

与上位机通信的串口电路模块，以及预留的串口电路模块，用于负责下位机与上位机的通信，接收上位机的控制命令和需要存储的传感器模拟数据，上传测试过程数据给上位机；

SD卡电路模块，用于负责记录测试工作日志、传感器模拟数据以及测试过程数据的存储和读取；

系统电源电路模块，用于负责给下位机各个模块提供电源，以及为被测系统供电。

3.如权利要求2所述的基于SOPC技术的海洋观测自动测试系统，其特征在于，模拟传感器通路模块包括串口通信电路和工作状态模拟电路，分别模拟真实传感器的通信功能和电气特性；

串口通信电路的通信接口采用RS-232标准的UART接口，并搭载传感器串口通信协议，实现传感器串口通信模拟；

工作状态模拟电路采用两个继电器实现断路、短路以及正常工作不同工况的切换，当断路开关打开，即第一个继电器切至空接的开端，实现电路的断路状态；当断路开关闭合，即第一个继电器切至常闭端连接第二个继电器，第二个继电器的开端是短路故障电路，第二个继电器的常闭端为正常工作电路，短路故障通过串联一个小阻值功率电阻接地实现。

4.如权利要求1所述的基于SOPC技术的海洋观测自动测试系统，其特征在于，所述软件后端的上位机监控系统提供的人机交互界面包括：测试监控界面，用于各个模拟传感器的数据配置、状态配置、日志文件存储、测试过程数据接收显示及存储，还用于上位机与下位机的通信参数配置及显示。

5.如权利要求1所述的基于SOPC技术的海洋观测自动测试系统，其特征在于，所述软件后端的上位机监控系统提供的人机交互界面进一步包括：测试评价界面，用于导入被测系统存储数据文件、数据分析比较、测试结果显示。

6.一种如权利要求1所述的基于SOPC技术的海洋观测自动测试系统的测试方法，其特征在于，所述基于SOPC技术的海洋观测自动测试系统的测试方法包括：

使用硬件电路实现对传感器的电气特性模拟、通过嵌入式软件编程实现对传感器的通信协议模拟，以及通过硬件和软件的配合达到虚拟传感器；

所述虚拟传感器作为被测系统需求通过SOPC技术编程扩展，为搭载多种传感器的海洋工程地质观测系统提供电路工况模拟、数据传输模拟、测试评价分析的拷机测试。

7.如权利要求6所述的基于SOPC技术的海洋观测自动测试系统的测试方法，其特征在于，所述基于SOPC技术的海洋观测自动测试系统的测试方法具体包括：

步骤一，以导入文本文件的形式导入电阻率、孔压、声学、海水电池、高度计和方位姿态传感器的实测数据以及对应的错误数据；

步骤二，通过串口发送给下位机存储用于模拟传感器的返回数据；

步骤三，完成初始化配置后，先由上位机配置下位机的各个模拟传感器的若干次上电的工作状态，下位机接收到命令后按照配置进行传感器工作状态的模拟，若处于正常的工作状态，在收到被测系统的命令后会根据上位机之前的配置，随机地返回之前初始化配置的传感器数据，或是发送错误的传感器数据，模拟传感器的数据采集过程；若处于短路或断路的工作状态，则不会对被测系统的命令有所反应，模拟传感器的电路故障情况，直到被测系统启动故障保护隔离后下电，等待下一次的上电；

步骤四，在完成全部测试以后，上位机根据测试过程中，下位机的相关返回数据，以及被测系统提供的数据记录，对被测系统的功能与性能进行评估，评估内容包括数据采集是否正确、命令发送是否正确、故障保护处理是否及时、错误数据返回有否处理。

8.如权利要求7所述的基于SOPC技术的海洋观测自动测试系统的测试方法，其特征在于，所述步骤四对被测系统的功能与性能进行评估中，上位机通过测试系统与被测系统两方的数据日志记录对比，分析被测系统实现故障保护处理是否及时、命令发送是否正确、错误数据返回有否处理；通过测试系统与被测系统两方的所存储传感器数据的对比，分析被测系统的采集数据是否准确。

9.一种实现权利要求6～8任意一项所述基于SOPC技术的海洋观测自动测试系统的测试方法的信息数据处理终端。

10.一种计算机可读存储介质，包括指令，当其在计算机上运行时，使得计算机执行如权利要求6-8任意一项所述的基于SOPC技术的海洋观测自动测试系统的测试方法。

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