CN112468322B - 一种即插即用的电网稳控装置通信测试方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种即插即用的电网稳控装置通信测试方法及系统，根据被测对象的类型选择通信测试仪与之匹配的测试板卡；通过人机交互模块设置通信测试仪的测试参数，生成测试数据并传送给通信测试仪；通信测试仪定时发送测试数据至电网稳控装置，电网稳控装置回传数据，通信测试仪接收后添加时间戳；通信测试仪统一数据格式后封装报文，人机交互模块抓取报文，解析报文并获取序号和时标，判断报文之间序号的连续性和时间间隔是否满足阈值要求，进而判定电网稳控装置通信测试是否合格。本发明基于一个通用的测试系统的形式在对应测试设备上实现帮助使用者快速处理不同的电网稳控通讯协议的测试需求，通用性好。

Description

一种即插即用的电网稳控装置通信测试方法及系统

技术领域

本发明涉及通信测试技术领域，尤其涉及一种即插即用的电网稳控装置通信测试方法及系统。

背景技术

目前的电网稳定控制装置系统一般都是基于不同的通讯协议进行的嵌入式开发，该方法的实现基于CPU+FPGA架构。对于应用层来说，差异主要体现在具体通讯协议的不同；对于驱动层来说，差异主要体现在FPGA、数据接收和发送硬件模块的不同。CPU实现算法比较复杂的功能模块，FPGA实时性要求较高的功能模块，二者相互配合，达到整个系统的最优设计。

当测试系统需要增加对新的通信协议支持时，都要从人机交互、软件模块、硬件模块重新设计开发，可以称为一个新的测试系统的开发；这样不利于模块的重用性，增长的开发周期并增加了开发成本。对于测试系统的使用者来说，增加了使用的复杂度。

发明内容

为了迅速、便捷、通用、可靠的针对不同通信协议进行全面测试，本发明提供一种即插即用的电网稳控装置通信测试方法及系统，基于一个通用的测试系统的形式在对应测试设备上实现，这个测试系统帮助使用者快速处理不同的电网稳控通讯协议的测试需求。

为达到上述目的，本发明提供了一种即插即用的电网稳控装置通信测试方法，包括：

(1)根据被测对象的类型选择通信测试仪与之匹配的测试板卡；

(2)通过人机交互模块设置通信测试仪的测试参数，生成测试数据并传送给通信测试仪；

(3)通信测试仪定时发送测试数据至电网稳控装置，电网稳控装置回传数据，通信测试仪接收后添加时间戳；

(4)通信测试仪统一数据格式后封装报文，人机交互模块抓取报文，解析报文并获取序号和时标，判断报文之间序号的连续性和时间间隔是否满足阈值要求，进而判定电网稳控装置通信测试是否合格。

进一步地，通信测试仪包括CPU和FPGA；通信测试仪定时发送测试数据至电网稳控装置，包括：CPU按照定时器设定周期发送缓存区内的测试数据至FPGA的发送缓存，定时器添加FPGA预发时标；FPGA按照预发时标发送缓存内的测试数据。

进一步地，如果FPGA的发送缓存已满，则等待FPGA的发送缓存存在可用空间后，定时器再添加FPGA预发时标，按照设定周期发送缓存区内的测试数据至FPGA的发送缓存。

进一步地，预发时标计算方法为：tick2＝tick0+(n*1667)/m，其中tick0为FPGA的当前时钟，n为当前周期的发送数据序号，m为CPU的每个定时器设定周期的微秒数。

进一步地，通信测试仪接收后添加时间戳，包括：FPGA接收到回传数据并添加时间戳，存入发送缓存；CPU按定时器周期查询数据完成标志，查询到数据完成标志后发送至CPU的接收缓存区。

进一步地，通信测试仪统一数据格式后封装报文包括：将CPU的接收缓存区内的回传数据存入抽象层缓存区，CPU的抽象层将数据封装成某一特定类型报文，特定类型报文与所述测试数据和回传数据的类型不同。

进一步地，判断时间间隔是否满足阈值要求包括：获取帧之间的时标差的最大值、最小值，判断是否在间隔阈值范围内，如果在间隔阈值范围内则满足阈值要求，否则不满足阈值要求。

本发明提供一种即插即用的电网稳控装置通信测试系统，包括：通信测试仪以及人机交互模块；

所述人机交互模块用于实现人机交互，设置通信测试仪的测试参数，生成测试数据并传送给通信测试仪；

所述通信测试仪包括若干组测试板卡，分别对应不同的被测对象的类型；通信测试仪定时发送测试数据至电网稳控装置，电网稳控装置回传数据，通信测试仪接收后添加时间戳；通信测试仪统一数据格式后封装报文，人机交互模块抓取报文，解析报文并获取序号和时标，判断报文之间序号的连续性和时间间隔是否满足阈值要求，进而判定电网稳控装置通信测试是否合格。

进一步地，所述通信测试仪包括CPU和FPGA；所述CPU在FPGA的发送缓存未满时，按照定时器设定周期发送缓存区内的测试数据至FPGA的发送缓存，定时器添加FPGA预发时标；FPGA接收到回传数据并添加时间戳，存入发送缓存；CPU按定时器周期查询数据完成标志，查询到数据完成标志后发送至CPU的接收缓存区。

进一步地，所述CPU包括RPC服务器模块、设备抽象层及接口模块、驱动层数据处理模块以及设备驱动层模块；

所述RPC服务器模块用于形成RPC服务器，人机交互模块形成RPC客户机，所述RPC服务器接收RPC客户机发送测试参数和测试数据；根据测试参数进行自身配置；

所述设备抽象层及接口模块，从测试参数中获取所需的测试类型，根据所需的测试类型调用操作函数，将测试参数作为操作函数的参数发送给设备驱动层模块；

设备驱动层模块调用操作函数，从测试参数中提取操作函数所需的参数，并映射到对应的外部设备；发送数据时驱动层数据处理模块根据测试参数设定的时间将CPU发送缓冲区内的测试数据发送至FPGA发送缓冲区，接收数据时驱动层数据处理模块按照测试参数设定的时间将FPGA接收缓冲区内的数据传入CPU接收缓冲区。

本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：

(1)本发明基于一个通用的测试系统的形式在对应测试设备上实现帮助使用者快速处理不同的电网稳控通讯协议的测试需求，通用性好。

(2)本发明通过设置抽象层，将不同的通讯协议所使用的设备抽象为一类设备，将使用同一协议的所有设备全部抽象为一类设备，根据不同的测试协议对象，选择测试板卡即可，从而达到软件层面的即插即用。

(3)本发明采用CPU和FPGA架构，CPU负责不同通信协议的软件层面的封装与抽象，达到不同的通信协议软件兼容的目的，实现了软件层面的即插即用，FPGA负责驱动不同通信协议所用外部设备的数据发送以及接收处理，实现了离散小、时间准、误差小(us)的目的，同时配合具体板卡实现了硬件层面上的即插即用。

附图说明

图1是测试系统数据处理流程示意图；

图2是人机(PC测试软件)模块的结构示意图；

图3是CPU内部数据处理流程示意图；

图4是CPU和FPGA之间数据处理示意图；

图5是测试系统数据处理流程图；

图6为测试系统连接示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

本发明设计了一套基于电网安全稳定控制各种装置通讯协议的测试方法，基于一个通用的测试系统的形式在对应测试设备上实现，通讯测试系统帮助使用者快速处理不同的电网稳控通讯协议的测试需求；如图1所示，通讯测试系统包括通信测试仪以及人机交互模块。通信测试仪设置多套板卡，即插即用。通信测试系统如图6所示，包括：通信测试仪以及人机交互模块；

所述人机交互模块用于实现人机交互，设置通信测试仪的测试参数，生成测试数据并传送给通信测试仪。

所述通信测试仪包括若干组测试板卡，分别对应不同的被测对象的类型；通信测试仪定时发送测试数据至电网稳控装置，电网稳控装置回传数据，通信测试仪接收后添加时间戳；通信测试仪统一数据格式后封装报文，人机交互模块抓取报文，解析报文并获取序号和时标，判断报文之间序号的连续性和时间间隔是否满足阈值要求，进而判定电网稳控装置通信测试是否合格。

所述通信测试仪包括CPU和FPGA；所述CPU在FPGA的发送缓存未满时，按照定时器设定周期发送缓存区内的测试数据至FPGA的发送缓存，定时器添加FPGA预发时标；FPGA接收到回传数据并添加时间戳，存入发送缓存；CPU按定时器周期查询数据完成标志，查询到数据完成标志后发送至CPU的接收缓存区，再存入抽象层缓冲区。

如图2所示，是人机交互模块的结构示意图，包括人机交互图形界面、数据处理界面和RPC客户端以及以太网服务模块。

人机交互模块的人机交互图形界面包括测试仪IP配置菜单、通讯报文发送周期配置框、测试报文序列框(根据通讯协议分为：数据帧、命令帧、错误帧等)、测试通道序号选择框(最大支持8个通道)、数据发送启停按钮、数据接收启停按钮、接收数据列表界面、丢帧信息统计页面、实时离散统计显示页面等。

人机交互模块需要部署一个RPC客户机用于与测试仪(RPC服务器)互联，通过RPC服务获取测试仪中发送数据缓冲区以及发送参数控制块的内存地址，将人机界面中的数据和控制信息写入相应的内存地址。

人机交互模块中部署一个网络抓包插件，用于抓取测试仪传递的包含应用数据的以太网报文，将0xA4类型的有效数据报文过滤出并解析，对报文中的时间戳信息、序号信息进行统计；在图形界面中展示出来。

所述通信测试仪包括CPU和FPGA。CPU内部数据处理模块需要实现一个通用的用于不同协议类型数据的模块化结构，如图3所示，CPU包括RPC服务器模块、设备抽象层及接口模块、驱动层数据处理模块以及设备驱动层模块。

RPC服务器模块作为CPU内部需部署RPC服务器，用于与人机交互模块形成RPC客户机通信，接收PC端传递的测试参数和测试数据，进行自身配置。

所述设备抽象层及接口模块，从测试参数获取所需的测试类型，根据所需的测试类型调用操作函数，将测试参数作为操作函数的参数发送给设备驱动层模块；所有的通讯协议都是基于数据包实现，因此将不同的通讯协议所使用的设备抽象为一类设备(以下称为包设备)，设备抽象层及接口模块进行统一管理，并提供一套通用的驱动接口，分别为：open()、close()、read()、write()、ioctl()，对于应用层不需要关心外部设备的具体类型。

设备驱动层模块按照操作函数的参数类型的协议查找对应使用的外部设备；按照执行驱动层数据处理模块设定的时间将CPU发送缓存区内的测试数据至FPGA的发送缓存；按照执行驱动层数据处理模块设定的时间FPGA接收缓存内的回传数据读入CPU接收缓存。

驱动层数据处理模块用软件定时器实现的设备驱动层模块的驱动控制，根据通讯协议要求的时间参数，进行驱动层数据的接收和发送。

设备驱动层模块按照不同类型的协议所使用的外部设备，将应用层数据放入特定设备的发送缓冲区、FPGA接收到的数据及时放入特定设备的接收缓冲区，接收和发送缓冲区由FPGA与设备驱动共同维护；接收缓冲区定义为64级缓存、发送缓冲区定义为16级缓存。

FPGA预发送机制，如图4所示：

每种通讯协议类型都有特定的要求：报文长度、时间特性等等；这些属性要求除了具体特征数字要求不同之外，都是相同的。因此在FPGA与CPU共同维护的多级发送缓存(ram)中，每帧报文打上预发送时间戳(FPGA时钟域)，FPGA发送数据模块根据每帧报文的时间戳按时发送。

对于多级发送缓存，定义一组由FPGA和CPU功能维护的发送缓存描述符，即描述指定某一级缓存的数据的其他属性，例：长度、时间戳等，这样做的目的是为了将数据和数据特征分开，避免FPGA在需要某一级缓存的数据属性时再去解析数据，提高实时性。

FPGA提供CPU获取FPGA时钟tick数的接口以及发送统计的接口：用于CPU计算FPGA数据发送时所需要的时间戳，当系统异常FPGA发送失败时(例：预发时刻过期等)，CPU能够获取反馈信息进行自我调整。

按照2M协议并采取介绍一下数据传输流程及整个测试系统的处理细节，整个实现过程参考图5，包括：

(1)根据被测对象的类型选择通信测试仪与之匹配的测试板卡；

(2)通过人机交互模块设置通信测试仪的测试参数，生成测试数据并传送给通信测试仪；

(3)通信测试仪定时发送测试数据至电网稳控装置，电网稳控装置回传数据，通信测试仪接收后添加时间戳；

(4)通信测试仪统一数据格式后封装报文，人机交互模块抓取报文，解析报文并获取序号和时标，判断报文之间序号的连续性和时间间隔是否满足阈值要求，进而判定电网稳控装置通信测试是否合格。

根据测试需求，选择支持2M通讯协议的板卡插入测试仪固定插槽，PC测试软件与测试仪相连、选择2M协议类型、设置IP后与测试仪建立以太网连接；软件中输入测试参数(测试通道号、2M周期为1.667ms、发送长度0-48字节)以及测试数据序列。开始发送后，测试参数以及测试序列会通过RPC服务写入到测试仪程序中的测试控制块以及发送缓冲区中。

测试仪程序根据上述环节所传入参数对数据进行发送，具体为程序中的软件定时器根据参数中的发送周期调整自己的周期为833us，这里定时器周期设置为报文发送周期的二分之一，其一因为发送和接收数据共用一个定时器，这样保证程序的接收能力，其二为了防止因定时器抖动造成发送不及时的出现，并在定时器服务子程序中根据参数中的通道号操作对应的包设备句柄，调用包设备写接口函数将发送缓冲区的数据序列写入FPGA与设备共同维护的发送缓冲区(16级缓存)，包设备写接口函数可以一次写入0到512个数据包，包设备每次将报文序列按照顺序写入16级缓存，并记录自己序列的写指针，如果序列发送完毕且没有更新，继续发送该序列；当数据第一次写入16级缓存时，获取FPGA的时钟tick0并以此为基准，计算每帧报文的预发时刻：tick2＝(tick0+(n*1667)/m),其中m为CPU的每tick微秒数；计算完成后并再次获取FPGA的时钟tick1，判断tick2是否过期，如果过期则更新tick0为当前FPGA的时钟，并重新计算该帧报文的预发时刻并填入该级缓存所对应的发送描述符，为FPGA发送该帧报文时提供时间戳。

当数据通过外部设备传输到FPGA的模块时，FPGA通过校验接收到的每一帧数据的和校验与报文中携带的CRC进行比较检查，检查不通过的报文丢弃并增加关于错误报文接收的统计，检查通过的报文FPGA将其存放到其64级接收缓存内，同时更新每级缓存的描述符(长度、时标)；程序通过检查FPGA提供的数据准备完成标志，将数据存放到每个设备抽象的包设备缓冲区中，存放的同时将每帧数据的接收时戳更新到每帧报文的尾部四个字节中。

应用层的数据接收任务模块通过循环调用包设备的读接口读出数据，并对与每一帧读出来的数据进行校验和的计算(防止数在程序内部时出错)并与报文中携带的和校验进行对比检查；通过检查的数据进行以太网报文的封装(目的地址为广播)，在数据头部添加报文类型标识0xEB90，调用网卡的原始数据发送函数通过测试仪板卡的网口发送出去。

测试软件通过抓包插件，抓取固定网卡上的以太网报文，并对接收到的报文进行过滤，将接收到的类型为0xEB90的报文进行解析，记录每一帧的接收时标和序号并进行计算，统计不连续的帧并记录到日志文件中以及帧之间的时标差的最大值、最小值、当前值，为装置通信的离散性提供参考数据。

综上所述，本发明涉及一种即插即用的电网稳控装置通信测试方法及系统，根据被测对象的类型选择通信测试仪与之匹配的测试板卡；通过人机交互模块设置通信测试仪的测试参数，生成测试数据并传送给通信测试仪；通信测试仪定时发送测试数据至电网稳控装置，电网稳控装置回传数据，通信测试仪接收后添加时间戳；通信测试仪统一数据格式后封装报文，人机交互模块抓取报文，解析报文并获取序号和时标，判断报文之间序号的连续性和时间间隔是否满足阈值要求，进而判定电网稳控装置通信测试是否合格。本发明基于一个通用的测试系统的形式在对应测试设备上实现帮助使用者快速处理不同的电网稳控通讯协议的测试需求，通用性好。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (7)

1.一种即插即用的电网稳控装置通信测试方法，其特征在于，包括：

(1)通信测试仪包括若干组测试板卡，若干组测试板卡即插即用，根据被测对象的类型选择通信测试仪与之匹配的测试板卡；

(2)通过人机交互模块设置通信测试仪的测试参数，生成测试数据并传送给通信测试仪；

(3)通信测试仪定时发送测试数据至电网稳控装置，电网稳控装置回传数据，通信测试仪接收后添加时间戳；

(4)通信测试仪统一数据格式后封装报文，人机交互模块抓取报文，解析报文并获取序号和时标，判断报文之间序号的连续性和时间间隔是否满足阈值要求，进而判定电网稳控装置通信测试是否合格；

通信测试仪包括CPU和FPGA；通信测试仪定时发送测试数据至电网稳控装置，包括：CPU按照定时器设定周期发送缓存区内的测试数据至FPGA的发送缓存，定时器添加FPGA预发时标；FPGA按照预发时标发送缓存内的测试数据；

如果FPGA的发送缓存已满，则等待FPGA的发送缓存存在可用空间后，定时器再添加FPGA预发时标，按照设定周期发送缓存区内的测试数据至FPGA的发送缓存。

2.根据权利要求1所述的即插即用的电网稳控装置通信测试方法，其特征在于，预发时标计算方法为：tick2＝tick0+(n*1667)/m，其中tick0为FPGA的当前时钟，n为当前周期的发送数据序号，m为CPU的每个定时器设定周期的微秒数。

3.根据权利要求2所述的即插即用的电网稳控装置通信测试方法，其特征在于，通信测试仪接收后添加时间戳，包括：FPGA接收到回传数据并添加时间戳，存入发送缓存；CPU按定时器周期查询数据完成标志，查询到数据完成标志后发送至CPU的接收缓存区。

4.根据权利要求3所述的即插即用的电网稳控装置通信测试方法，其特征在于，通信测试仪统一数据格式后封装报文包括：将CPU的接收缓存区内的回传数据存入抽象层缓存区，CPU的抽象层将数据封装成某一特定类型报文，特定类型报文与所述测试数据和回传数据的类型不同。

5.根据权利要求4所述的即插即用的电网稳控装置通信测试方法，其特征在于，判断时间间隔是否满足阈值要求包括：获取帧之间的时标差的最大值、最小值，判断是否在间隔阈值范围内，如果在间隔阈值范围内则满足阈值要求，否则不满足阈值要求。

6.一种即插即用的电网稳控装置通信测试系统，其特征在于，包括：通信测试仪以及人机交互模块；

所述人机交互模块用于实现人机交互，设置通信测试仪的测试参数，生成测试数据并传送给通信测试仪；

所述通信测试仪包括若干组测试板卡，若干组测试板卡即插即用，分别对应不同的被测对象的类型；通信测试仪定时发送测试数据至电网稳控装置，电网稳控装置回传数据，通信测试仪接收后添加时间戳；通信测试仪统一数据格式后封装报文，人机交互模块抓取报文，解析报文并获取序号和时标，判断报文之间序号的连续性和时间间隔是否满足阈值要求，进而判定电网稳控装置通信测试是否合格；所述通信测试仪包括CPU和FPGA；所述CPU在FPGA的发送缓存未满时，按照定时器设定周期发送缓存区内的测试数据至FPGA的发送缓存，定时器添加FPGA预发时标；FPGA接收到回传数据并添加时间戳，存入发送缓存；CPU按定时器周期查询数据完成标志，查询到数据完成标志后发送至CPU的接收缓存区。

7.根据权利要求6所述的即插即用的电网稳控装置通信测试系统，其特征在于，所述CPU包括RPC服务器模块、设备抽象层及接口模块、驱动层数据处理模块以及设备驱动层模块；

所述RPC服务器模块用于形成RPC服务器，人机交互模块形成RPC客户机，所述RPC服务器接收RPC客户机发送测试参数和测试数据；根据测试参数进行自身配置；

所述设备抽象层及接口模块，从测试参数中获取所需的测试类型，根据所需的测试类型调用操作函数，将测试参数作为操作函数的参数发送给设备驱动层模块；

设备驱动层模块调用操作函数，从测试参数中提取操作函数所需的参数，并映射到对应的外部设备；发送数据时驱动层数据处理模块根据测试参数设定的时间将CPU发送缓冲区内的测试数据发送至FPGA发送缓冲区，接收数据时驱动层数据处理模块按照测试参数设定的时间将FPGA接收缓冲区内的数据传入CPU接收缓冲区。

Images