基于嵌入式的遠程測試控制技術

以往采用郵寄或本地維修為主的通信設備測試、維修方式,因為在業(yè)務力量、時間、經(jīng)費、效率等方面存在諸多弊端,已逐漸不能滿足實際要求。隨著通信測試及網(wǎng)絡技術的迅猛發(fā)展,通過互聯(lián)網(wǎng)絡,將本地故障設備的測試結果傳送到遠端,由遠端的專家進行診斷,充分發(fā)揮二者的優(yōu)勢,能極大地提高維修效率、縮短維修周期、節(jié)約維修成本,是對常規(guī)維修模式的一種挑戰(zhàn)。該方案原理比較清晰、易懂,實現(xiàn)起來較容易。本文所討論的遠程控制就是為解決這個問題而提出的。

??? 1 總體方案

??? 本應用是在測試終儀中增加網(wǎng)絡接口模塊,以互聯(lián)網(wǎng)為傳輸平臺,在遠端接入診斷PC而實現(xiàn)遠程控制及診斷功能的,其框圖如圖1所示。

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??? 診斷專家人員可在診斷PC上通過Internet向異地測試儀發(fā)送指令,測試儀接收并按照指令要求完成對故障設備的自動測試,將測試數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡傳回診斷PC,建立數(shù)據(jù)實時交互的傳輸平臺[1]。

??? 2 基本原理

??? 2．1 互聯(lián)網(wǎng)的基本結構和特征

??? 設備的遠程監(jiān)測診斷是計算機科學、通訊技術與故障診斷技術相結合的一種新的設備故障診斷模式。TCP／IP是發(fā)展至今最成功的通信協(xié)議。該協(xié)議分為4層,由上到下依次為應用層、傳輸層、網(wǎng)絡層和鏈路層。

??? 本應用使用的是EM2000網(wǎng)絡模塊,底下3層的較復雜的協(xié)議已經(jīng)固化在他的ASIC中,能夠實現(xiàn)透明的數(shù)據(jù)通信。這樣,研究工作主要集中在應用層的設計和功能實現(xiàn)上。這包括建立在傳輸層上的數(shù)據(jù)幀定義、交換數(shù)據(jù)的定義、應用功能的設計和人機交互界面的設計等。

??? 本應用中使用的是EM2000網(wǎng)關,他是用來在嵌入式系統(tǒng)與互聯(lián)網(wǎng)建立數(shù)據(jù)連接和協(xié)議轉換的設備。一方面PC端的網(wǎng)絡應用程序將應用層數(shù)據(jù)打包成為IP包在網(wǎng)絡上傳送,EM2000將辨識和解析這些數(shù)據(jù)包,把應用層的原始數(shù)據(jù)轉發(fā)至RS 232接口。另一方面EM2000也將RS 232接口的數(shù)據(jù)封裝成為IP包,傳送至PC端的網(wǎng)絡應用程序。支持透明傳輸和簡單協(xié)議兩種工作方式;EM2002網(wǎng)關在網(wǎng)絡接口部分具有WWW接口,用戶可以通過瀏覽器在網(wǎng)絡上實現(xiàn)對EM2002及串行設備的配置和管理。在網(wǎng)絡中的具體位置如圖2所示。

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??? 2．2 傳輸幀的定義

??? 下面主要考慮第4層應用層的具體使用,即數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸袷健⒕唧w的定義等。根據(jù)本測試設備的狀態(tài)和顯示的功能,其格式可設計成2大類,即測試數(shù)據(jù)幀和命令控制幀。格式的設計應能實現(xiàn)系統(tǒng)對端間信息的無障礙交流、易于識別和判斷,同時,還應保證傳輸?shù)目煽啃?兼顧信息利用率。對該系統(tǒng),經(jīng)過實際信息交互統(tǒng)計,確定使用一個字節(jié)的長度,即256種狀態(tài)。

??? (1)幀類型定義

??? 傳輸幀格式的定義如表1所示。第7位為類型定義位,“1”表示為數(shù)據(jù)幀;“0”為命令控制幀。

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??? (2)數(shù)據(jù)幀

??? 數(shù)據(jù)幀格式的定義如表2所示,主要用來傳送檢測的數(shù)據(jù)結果。根據(jù)需檢測信道數(shù)量和檢測項目來設置數(shù)據(jù)幀的字節(jié)。本系統(tǒng)設置8個數(shù)據(jù)信道,8個測試項目和“正常”／“故障”2個參數(shù)。

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??? 對于數(shù)據(jù)幀,考慮到本設備測試信道的數(shù)量和測試項目的多少,兼顧處理速度的快慢和復雜程度,最后確定信道號范圍為0～7,占用數(shù)據(jù)幀的第6位至第4位,以二進制表示,高位在前,低位在后;測試項目范圍為0～7,占用數(shù)據(jù)幀的第3位到第1位,表示方式同上(根據(jù)需要,以后擴容時,適當增加字節(jié)即可)。數(shù)據(jù)幀的最后一位定義為測試結果,“0”表示正確無誤,“1”表示故障。這里沒有采用通常的校驗位,主要是因為該通信速率較低,目前網(wǎng)絡傳輸?shù)目煽啃苑浅８?這方面可以忽略,以提高處理效率,簡化程序編寫難度。

??? (3)命令控制幀

??? 命令控制幀的格式定義如表3所示。字節(jié)的最高位固定為“0”,主要用來傳輸測試終端和遠端診斷終端的控制命令和設備狀態(tài)信息。

??? 命令控制幀按傳送方向不同,可分為命令控制字和狀態(tài)表示字2種。對于命令控制字,第6位到第4位為“101”,是命令識別位;后4位為命令代碼,表示不同種類的測試進程。測試平臺將自動返回相應的信息,其幀格式為第6至4位為“001”,這是信息數(shù)據(jù)的識別位,其余位為不同類型的定義。對于硬件復位命令,測試端返回1EH;鏈路檢測為1FH。

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??? 3 具體實現(xiàn)

??? 3．1 網(wǎng)絡接口設計

??? 嵌入式系統(tǒng)和微型計算機系統(tǒng)一樣,必須通過TCP／IP協(xié)議轉換才能接入Internet。在這里數(shù)據(jù)通信的設計主要體現(xiàn)在串口的設計[2],將MCU的數(shù)據(jù)按照預先定義的格式通過與轉換芯片連接的串行接口發(fā)送或接收即可。設計中只要MCU的串口和EM2000網(wǎng)關的交換速率匹配即可,按照字節(jié)方式逐字發(fā)送和接收。另外,EM2000網(wǎng)關的接口電平與TTL兼容,這就省略了電平變換電路,使得設計實現(xiàn)起來更簡便。

??? 3．2 MCU的軟件設計

??? 嵌入式MCU系統(tǒng)軟件主要由MCS-51匯編程序編寫。為了實現(xiàn)本地鍵盤控制與異地遠端控制同步工作,需要對部分軟件進行重新編寫。主要包括初始化程序、掃描程序、執(zhí)行程序、串口中斷調用程序、協(xié)議翻譯程序等。

??? (1)存儲單元初始化的特殊要求

??? 眾所周知,測試主程序首先對系統(tǒng)所用變量進行初始化,包含堆棧棧底的指針設定、寄存器、狀態(tài)字的初始值設定、串口模式／狀態(tài)字的初始設置等,但在這里由于遠程通信的特殊情況,具有特殊要求。雖然部分存儲單元在從加電到復位完成時,單元值已經(jīng)被置位,但是仍需再置位。這主要考慮當在平臺運行期間,各個寄存器和存儲單元都會有不斷變化的新值存入,這樣,當進行遠端復位操作時,有些存儲單元的值不會自動復位,如果按原程序執(zhí)行就會發(fā)生不確定的問題。為保證存儲單元內容的一致性和可控性,對寄存器空間進行初始化是必不可少的。

??? (2)子程序間的通信機制

??? 在處理鍵盤控制和遠端控制同步運行時,嵌入式實時操作系統(tǒng)常采用郵箱查詢方式。首先掃描及防抖程序[3]負責對鍵盤的操作進行掃描,經(jīng)消除抖動和干擾影響后,將鍵盤值放入35H,并向郵箱發(fā)送“鍵盤動作事件”的信件;同時,串口通信程序不間斷掃描端口數(shù)據(jù),如果判斷有命令數(shù)據(jù)注入,則將命令值放入36H內,同時向郵箱發(fā)送。串口命令發(fā)生事件”的信件。這樣通過對主程序信箱的查詢,如果發(fā)現(xiàn)有信件存在,則對信件進行相應翻譯,變成機器可以執(zhí)行的代碼,對設備進行動作調度和相關信息處理。

??? 3．3 TCP／IP端口配置

??? TCP／IP端口相當于掛在Internet網(wǎng)上的一塊標準網(wǎng)絡設備,具有惟一的全球識別MAC地址,可以接入任意的網(wǎng)段而不受限制。在配置網(wǎng)絡參數(shù)時,只要知道通信雙方的網(wǎng)絡IP和路由,即可以輕松實現(xiàn)網(wǎng)絡連接。該模塊設置了1 B的緩沖區(qū),通信速率為2 400 b／s,提高了IP包傳輸效率。

??? 3．4 遠端診斷終端的設計

??? 遠程診斷終端主要為軟件程序設計,該部分采用Visual Basic,HTML等語言進行編寫,主要分為2個部分。

??? (1)通信模塊配置網(wǎng)頁的設計及上傳

??? 在遠程測試之前,需要對通信模塊相關參數(shù)進行網(wǎng)絡配置,使遠程軟件能夠對測試終端進行訪問和控制操作。本設計采用HTML語言編寫了Web網(wǎng)頁風格的界面,上載至模塊FLASH存儲器,用戶可通過瀏覽器對硬件訪問和網(wǎng)絡配置。為加強保密安全,還增添了Password入口參數(shù)的設置。

??? (2)遠端終端主程序的設計

??? 主程序采用Microsoft Visual Basic語言編寫,主要功能包括控制和測試2部分。測試前,先輸入分配到的IP地址與要偵聽的端口號,然后根據(jù)網(wǎng)絡狀況,利用VB語言中WinSock插件的Connect方法在本地計算機與測試平臺之間建立一個Socket,以便完成控制等數(shù)據(jù)的傳送和接收。各項操作的運行狀態(tài)和操作結果都將由當前狀態(tài)框實時顯示。當本地計算機與遠程測試平臺連接正常之后,便可以開始測試。

??? 4 應用驗證

??? 首先測試通信模塊,在單臺計算機上建立2個超級終端,一個與串口建立連接,另一個與Socket建立連接。在超級終端的一窗口內輸入數(shù)據(jù),另一窗口即時響應,說明網(wǎng)絡接口模塊功能正常。其次測試MCU串行通信性能,通過電平轉換電路建立與計算機的串口連接,用超級終端進行數(shù)據(jù)傳輸驗證。完成后,對全系統(tǒng)進行聯(lián)調,先進行直連試驗,即將測試終端與診斷終端通過交叉網(wǎng)線直連,驗證功能的正確性;然后將測試平臺接入Internet網(wǎng),通過異地連接,驗證功能的正確性。目前,經(jīng)過多項調試驗證,能夠建立診斷終端與測試終端的連接,并可進行異地的各項狀態(tài)顯示、控制測試、復位等功能,實現(xiàn)了原設計目標。

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??? 5 結 論

??? 本文介紹的方法,能夠非常容易地實現(xiàn)將嵌入式系統(tǒng)與互聯(lián)網(wǎng)相連。研發(fā)人員不用精通TCP／IP協(xié)議和具體的網(wǎng)絡知識,即可以設計出具有網(wǎng)絡功能的電子產品,大大縮短開發(fā)周期。該方法在遠程監(jiān)測、網(wǎng)絡監(jiān)控、遠程診斷等方面具有很大的應用空間。目前,該項技術正在向單位相關領域推廣。