專用測試設(shè)備的互換性實現(xiàn)方法

秦振漢,林 淵,胡廣明,郭雙紅

(航天科工慣性技術(shù)有限公司,北京 100074)

0 引言

儀器互換性是衡量測控系統(tǒng)的重要指標(biāo)，也是測試軟件設(shè)計和開發(fā)時面對的重點問題。提高互換性的目的是當(dāng)測試設(shè)備儀器升級或替換后, 不會對現(xiàn)有的測試軟件造成太大影響；同時便于已有測試程序向其他測試設(shè)備的移植[1]。目前，已經(jīng)陸續(xù)推出了多種儀器互換標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范[2-5]，并在測控領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。但在實際工程項目中，仍然存在大量的非標(biāo)準(zhǔn)儀器、板卡，這些儀器的驅(qū)動程序未遵循或未完全遵循現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)，而是使用廠商自定義的指令集、API函數(shù),相互間無法兼容。由這些非標(biāo)準(zhǔn)儀器、板卡構(gòu)成的專用測試設(shè)備，在測試軟件開發(fā)中無法使用現(xiàn)有的互換性技術(shù)，當(dāng)板卡或儀器進行升級或替換時，由于特定驅(qū)動程序的改變，經(jīng)常導(dǎo)致現(xiàn)有的測試程序無法使用；同時，測試軟件和硬件驅(qū)動程序直接相關(guān)，無法快速、方便地移植其它測試設(shè)備上，測試軟件的可移植性很低。

為此，通過對開發(fā)實踐的歸納和總結(jié)，本文提出了一種提高專用測試設(shè)備互換性的工程實現(xiàn)方法。該方法忽略了各種儀器或板卡的具體實現(xiàn)細節(jié)，將關(guān)注點放在更高一層的測試設(shè)備層面，通過對測試設(shè)備需要實現(xiàn)的測試需求的抽象，建立標(biāo)準(zhǔn)化的測試需求接口集合，并通過對這些接口的組合，建立特定的測試設(shè)備驅(qū)動接口。業(yè)務(wù)邏輯程序只依賴該接口，不涉及硬件的實現(xiàn)細節(jié)。同時，將測試儀器或板卡的具體操作封裝在驅(qū)動組件內(nèi)部，并與配置文件一起發(fā)布，描述了測試設(shè)備的實現(xiàn)細節(jié)。

通過這種方式，為測試軟件的開發(fā)提供了規(guī)范的接口定義，業(yè)務(wù)邏輯面向接口進行開發(fā)，便于現(xiàn)有軟件在不同測試設(shè)備上的移植；同時，將各種非標(biāo)準(zhǔn)儀器驅(qū)動對測試軟件的影響控制在驅(qū)動組件內(nèi)部，提高了測試設(shè)備的儀器互換性。

1 專用測試設(shè)備的儀器互換性方法

1.1 儀器互換性技術(shù)

目前常用的儀器互換性技術(shù)包括: SCPI互換、VPP互換、ATLAS語言規(guī)范、IVI-C、IVI-COM、IVI-MSS、IVI-Signal互換[2-5]等。這些技術(shù)可分為面向儀器的互換和面向信號的互換等兩類[5]。其中，SCPI互換、VPP互換、IVI-C和IVI-COM互換等屬于面向儀器的互換, 其基本思想是把同類儀器的操作封裝成相同的接口，其函數(shù)名稱、參數(shù)相同，主要解決同類儀器之間互換問題。但實際上隨著儀器的功能、種類越來越多，已經(jīng)很難對儀器進行明確的分類，也不能覆蓋所有的測試儀器。面向信號的互換技術(shù)包括ATLAS語言規(guī)范、IVI-MSS、IVI-Signal互換等,其基本思想是按照儀器支持的信號功能對測試資源進行分類，相同的信號具有相同的函數(shù)接口。雖然測試程序可以面向信號方式實現(xiàn)，但是對各種物理儀器的操作仍然需要調(diào)用各種驅(qū)動程序來實現(xiàn)。

1.2 專用測試設(shè)備的硬件組成

在專用測試設(shè)備開發(fā)中，需要使用大量的PCI、CPCI嵌入式板卡和其他一些非標(biāo)準(zhǔn)儀器。這些儀器的驅(qū)動程序由不同廠商、在不同的時間開發(fā)，并沒有遵守統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范。有些測試儀器、板卡是針對特定需求而定制開發(fā)的，本身就沒有可供參考的標(biāo)準(zhǔn)。

以導(dǎo)航計算機測試設(shè)備為例，這是一個由多種測試設(shè)備組成的系列化產(chǎn)品，用于各型導(dǎo)航計算機的測試，在產(chǎn)品研試、小批量試制和生產(chǎn)交付階段中廣泛應(yīng)用。該類測試設(shè)備受功能需求、時間、成本、通用化、系列化等因素的影響，使用了很多的非標(biāo)儀器和板卡。表1羅列了典型測試設(shè)備中幾種常用儀器的選型情況。

表1 幾種典型導(dǎo)航計算機測試設(shè)備的硬件構(gòu)成

從表1的情況可知，除少數(shù)儀器(以斜體標(biāo)識)外，大多數(shù)儀器、板卡的驅(qū)動程序都不是按照現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)的。此外，有些專門定制的板卡，其類別已經(jīng)很難劃分，也無法采用面向信號方式描述。這種情況在專用測試設(shè)備中很常見，給互換性開發(fā)帶來了很大的困難。

1.3 專用測試設(shè)備的互換性實現(xiàn)模型

針對這種情況，參考已有的研究成果[6-8]，結(jié)合實際工程實踐，建立了如圖1所示的專用測試設(shè)備的互換性模型。

圖1使用統(tǒng)一建模語言(unified modeling language，UML)，以組件圖的形式，描述了互換性模型內(nèi)部各種接口、組件的拓撲結(jié)構(gòu)。位于最頂層的是測試業(yè)務(wù)邏輯接口。位于模型底層的是各種測試儀器、板卡的驅(qū)動程序，包括儀器廠商提供的標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動程序、非標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動的API函數(shù)及其封裝組件等。

該模型的核心是在業(yè)務(wù)邏輯和具體儀器驅(qū)動程序之間增加了一個獨立的測試設(shè)備驅(qū)動器，并通過后者隔離了上下層的直接聯(lián)系，封裝了所有關(guān)于硬件的操作。測試業(yè)務(wù)邏輯程序只針對測試設(shè)備驅(qū)動接口進行開發(fā)，使其具備良好的可移植性；當(dāng)測試設(shè)備升級或儀器替換時，只需重構(gòu)測試設(shè)備驅(qū)動組件，不必修改已有的軟件程序。測試設(shè)備驅(qū)動器包含了5個獨立的功能單元。

圖1 專用測試設(shè)備的互換性模型(組件圖)

1)測試需求接口集合：

通過對測試設(shè)備硬件需求的分類，針對各項測試需求，建立規(guī)范的需求接口，并將其匯總在一起，形成面向該類設(shè)備的、標(biāo)準(zhǔn)化的需求接口集合。例如，對于慣導(dǎo)、慣測等類型的被測產(chǎn)品，由于其數(shù)字化程度很高，因而在測試設(shè)備的硬件需求中，以各種類型的數(shù)字通訊需求為主；對于導(dǎo)航計算機類的被測產(chǎn)品，測試設(shè)備的硬件需求較為復(fù)雜，包括了數(shù)字通訊、模擬量、數(shù)字量、脈沖信號以及其它的特殊接口等。

這些接口本質(zhì)上是對該類測試設(shè)備所實現(xiàn)的測試需求的抽象，反應(yīng)的是該類設(shè)備硬件需要實現(xiàn)的系統(tǒng)級功能，與非標(biāo)準(zhǔn)儀器、嵌入式板卡的驅(qū)動接口相比，具有更好的普適性和穩(wěn)定性。

2)測試設(shè)備驅(qū)動接口：

測試需求接口集合描述了某類設(shè)備的全部需求，但實際上，每種測試設(shè)備并不需要實現(xiàn)全部功能。為此，建立獨立的測試設(shè)備驅(qū)動接口，通過對若干種需求接口的組合，描述了某個測試設(shè)備需要實現(xiàn)的各項功能，其目標(biāo)是將軟件需求層面的測試要求，映射為軟件設(shè)計層面的驅(qū)動接口定義。在測試設(shè)備驅(qū)動器中，采用外觀(Facade)模式[9]，將驅(qū)動接口作為對外的唯一端口，提供了標(biāo)準(zhǔn)接口規(guī)范、交互機制，屏蔽驅(qū)動器內(nèi)部的具體實現(xiàn)。

3)測試設(shè)備驅(qū)動組件：

測試設(shè)備驅(qū)動組件是驅(qū)動接口的具體實現(xiàn)，描述了某個實際測試設(shè)備是如何實現(xiàn)驅(qū)動接口中定義的各項需求。測試設(shè)備功能的實現(xiàn)依賴于集成的測試儀器、板卡以及電氣連接拓撲關(guān)系。該模型中，前者對應(yīng)的是測試設(shè)備驅(qū)動組件，后者保存在配置文件中。

4)測試設(shè)備配置文件：

配置文件采用XML文件形式，描述了測試設(shè)備的資源配置信息，包括各種儀器、板卡的資源描述、儀器的信號端口定義、內(nèi)部的電氣連接關(guān)系、設(shè)備的對外功能端口等。通過這些文件，將測試設(shè)備對外提供的各個功能項目映射到內(nèi)部儀器、板卡的端口和引腳上，從而將硬件資源配置信息與業(yè)務(wù)邏輯程序分離，提高了測試軟件開發(fā)的靈活性和移植性。

5)設(shè)備驅(qū)動創(chuàng)建組件：

該組件根據(jù)設(shè)備的資源配置信息，完成測試設(shè)備驅(qū)動組件的實例化操作，從而在測試業(yè)務(wù)邏輯與測試設(shè)備硬件建立關(guān)聯(lián)。

該組件使用了簡單類廠模式，根據(jù)測試設(shè)備的邏輯名稱，通過反射機制，動態(tài)創(chuàng)建驅(qū)動組件對象。利用運行時動態(tài)創(chuàng)建方式，可以將設(shè)備驅(qū)動組件的實例化操作延遲到軟件運行后進行，使測試軟件具有良好的擴展性，當(dāng)硬件儀器升級或替換時，只需在配置文件中修改驅(qū)動組件的信息，無需修改原有的測試程序。

2 互換性的設(shè)計與開發(fā)

該方法中，測試需求接口集合、測試設(shè)備驅(qū)動接口的設(shè)計、驅(qū)動組件開發(fā)是主要工作內(nèi)容。

2.1 測試需求分解

在實際的工程應(yīng)用中，每種測試設(shè)備都是針對某個特定需求而開發(fā)的，這些需求在項目任務(wù)書、技術(shù)要求等文件中有明確的規(guī)定?？梢酝ㄟ^對這些需求的匯總和分析，獲得該類設(shè)備的總體需求情況，進而抽象出對應(yīng)的需求接口。

以導(dǎo)航計算機測試設(shè)備的需求情況為例，雖然每種測試設(shè)備的硬件構(gòu)成都有差別，但仍然可以從更高層面上，總結(jié)出該類設(shè)備所具有的總體需求情況。這些硬件需求可以分為12類，其中，電源控制、串口通訊、模擬量控制和數(shù)字量控制是必選項；其他項目，如脈沖信號輸出、光纖陀螺集成測試、PWM信號采集、VF恒流源輸出、計數(shù)器信號控制、網(wǎng)絡(luò)通訊、CAN通訊、1553B總線通訊等為可選項，可根據(jù)實際的測試要求，靈活選擇。例如，在光纖陀螺測試中，必須提供光纖陀螺集成測試選項；在振梁加表測試中，需要不可逆計數(shù)器脈沖輸出控制；在含VF電路的產(chǎn)品測試時，需提供外部的恒流源控制功能等。

2.2 接口設(shè)計

1)測試需求接口集合的設(shè)計：

針對需求分解中獲得的每項測試需求，建立獨立的需求接口，并提供規(guī)范的接口定義，代表了設(shè)備需要實現(xiàn)的一項獨立需求。在進行測試需求接口集合的設(shè)計時，主要關(guān)注以下兩點：

每個接口代表一個獨立的職責(zé)，避免重復(fù)定義和功能混淆。例如，不可逆脈沖信號和頻標(biāo)信號在性質(zhì)上基本相同，多數(shù)測試設(shè)備也都是采用相同的程控儀器或嵌入式板卡實現(xiàn)，但從需求角度分析，兩者職責(zé)完全不同，需要單獨定義。

接口定義中禁止出現(xiàn)硬件信息的內(nèi)容。例如，測試板卡的板卡號、端口號、通道號等內(nèi)容應(yīng)避免出現(xiàn)在接口函數(shù)中。應(yīng)從需求角度出發(fā)，以被測產(chǎn)品編號、端口號等代替，并在配置文件中建立與具體硬件資源的映射信息。

2)測試設(shè)備驅(qū)動接口的設(shè)計：

測試設(shè)備的驅(qū)動接口定義了某個實際測試設(shè)備應(yīng)實現(xiàn)的硬件功能。從前面的分析可知，每種測試設(shè)備的實現(xiàn)功能是有限的，都是若干需求項的組合，因而測試設(shè)備的驅(qū)動接口可以看作是多個需求接口的集成。

在圖2中，使用UML組件圖的形式，描述了某種專用測試設(shè)備的驅(qū)動接口(忽略了必選的需求項)。該驅(qū)動接口包含了串口通訊、光纖陀螺集成測試、脈沖輸出測試和計數(shù)器信號控制等四個獨立的需求項，可以實現(xiàn)一些功能上相對簡單的導(dǎo)航計算機產(chǎn)品的測試。

圖2 測試設(shè)備驅(qū)動接口的設(shè)計(組件圖)

在圖2中，還提供了一個測試功能基礎(chǔ)接口，定義了最基本的操作內(nèi)容，如初始化、關(guān)閉、復(fù)位、運行狀態(tài)、事件的接收和發(fā)送等。所有特定項目的需求接口必須繼承該基礎(chǔ)接口，并通過后者，組合到測試設(shè)備驅(qū)動接口中，形成更復(fù)雜的、完整的測試設(shè)備驅(qū)動接口，同時，便于后者的功能擴展。

2.3 測試設(shè)備驅(qū)動組件的開發(fā)

測試設(shè)備驅(qū)動組件是對測試設(shè)備驅(qū)動接口的實現(xiàn)，描述了測試設(shè)備的具體實現(xiàn)方式。測試設(shè)備驅(qū)動組件通過調(diào)用對應(yīng)測試儀器、板卡的驅(qū)動程序，結(jié)合電氣關(guān)系配置文件，實現(xiàn)了測試設(shè)備驅(qū)動接口中定義的全部功能需求。

在工程項目中，一般將驅(qū)動組件的軟件開發(fā)和測試設(shè)備的硬件開發(fā)結(jié)合在一起，其過程如圖3所示。測試設(shè)備硬件設(shè)計是驅(qū)動接口設(shè)計的直接依據(jù)，明確該測試設(shè)備需要實現(xiàn)的功能要求。硬件選型工作直接決定了在驅(qū)動組件開發(fā)時需要使用的儀器驅(qū)動程序，電氣關(guān)系配置文件中的內(nèi)容來源于硬件的電氣設(shè)計。最后，開發(fā)的設(shè)備驅(qū)動組件描述了測試設(shè)備是如何實現(xiàn)預(yù)定的功能，與設(shè)備的硬件開發(fā)相互匹配。

圖3 測試設(shè)備驅(qū)動組件的開發(fā)過程

3 在項目開發(fā)中的應(yīng)用

導(dǎo)航計算機測試設(shè)備是一種典型的、用于電子產(chǎn)品測試的系列化專用設(shè)備。在該類測試軟件項目的開發(fā)中，通過測試設(shè)備驅(qū)動接口，為上層的業(yè)務(wù)邏輯程序提供了一個穩(wěn)定的開發(fā)基礎(chǔ)，例如，對于電源控制而言，測試程序只需針對電源控制功能接口進行開發(fā)，不必了解該功能是如何實現(xiàn)的。

同時，將對各種測試儀器、板卡的控制功能封裝到具體的實現(xiàn)組件中。例如，對于前文表1中提到的三個測試設(shè)備，分別建立各自的測試設(shè)備驅(qū)動組件。雖然它們的對外接口完全一致，測試程序都可自由調(diào)用，但組件內(nèi)部的具體實現(xiàn)卻完全不同。以“電源控制”功能為例：

1)設(shè)備1的電源控制：該設(shè)備的開發(fā)年代較早，使用了自研的電源輸出電路。在硬件上，通過數(shù)字IO板卡，控制繼電器的開閉，實現(xiàn)電源的通斷操作。在該設(shè)備驅(qū)動組件的內(nèi)部，本質(zhì)上是利用IO板卡的驅(qū)動函數(shù)，實現(xiàn)電源輸出的間接控制。

2)設(shè)備2的電源控制：硬件上使用了標(biāo)準(zhǔn)的程控電源，在驅(qū)動組件開發(fā)時，可直接使用規(guī)范的IviDCPwr類驅(qū)動，或使用廠商提供的IVI專用驅(qū)動程序，實現(xiàn)電源輸出控制功能。

3)設(shè)備3的電源控制：硬件上使用了外置的程控電源。在驅(qū)動組件開發(fā)時，使用RS232串口，發(fā)送廠商提供的SCPI控制指令，實現(xiàn)電源輸出控制功能。

從中可以看出，該方法將測試儀器、板卡驅(qū)動程序的差異性信息封閉在驅(qū)動組件的內(nèi)部，并對外提供了統(tǒng)一的接口，當(dāng)測試程序在不同測試設(shè)備上移植時，只需調(diào)用不同的驅(qū)動組件；當(dāng)測試設(shè)備升級、改造后，只需調(diào)整驅(qū)動組件的內(nèi)部實現(xiàn)，降低了對現(xiàn)有測試程序的影響。

4 結(jié)束語

在專用測試設(shè)備中，很多測試儀器、板卡的驅(qū)動程序不符合現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，為儀器互換和程序移植帶來了巨大的困難，為此，本文提出了一種針對專用測試設(shè)備的互換性實現(xiàn)方法。本方法將關(guān)注點放在了測試設(shè)備的系統(tǒng)需求上，屏蔽了不同的非標(biāo)儀器驅(qū)動在具體細節(jié)上的差異，為測試軟件開發(fā)建立了更加宏觀和抽象的需求接口。測試軟件的業(yè)務(wù)邏輯針對該接口開發(fā)，使得測試程序具有良好的移植性。此外，建立了特定的測試設(shè)備驅(qū)動組件，用于封裝各種非標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動程序，當(dāng)硬件升級或改造時，其影響只限定在組件內(nèi)部，便于儀器互換。

該方法已經(jīng)在多個系列專用測試設(shè)備的軟件開發(fā)中得到了應(yīng)用，有效隔離了測試軟件中業(yè)務(wù)邏輯部分和底層硬件部分，使兩者相互獨立，降低了軟硬件間的直接耦合性，有效提高了專用測試設(shè)備的儀器互換性。