嵌入式的遠程測試控制技術

圖1 故障診斷系統的遠程應用框圖

2、基本原理

2.1 互聯網的基本結構和特征

設備的遠程監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是發展至今最成功的通信協議。該協議分為4層，由上到下依次為應用層、傳輸層、網絡層和鏈路層。

本應用使用的是EM2000網絡模塊，底下3層的較復雜的協議已經固化在他的ASIC中，能夠實現透明的數據通信。這樣，研究工作主要集中在應用層的設計 和功能實現上。這包括建立在傳輸層上的數據幀定義、交換數據的定義、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網關，他是用來在嵌入式系統與互聯網建立數據連接和協議轉換的設備。一方面PC端的網絡應用程序將應用層數據打包成為IP包 在網絡上傳送，EM2000將辨識和解析這些數據包，把應用層的原始數據轉發至RS 232接口。另一方面EM2000也將RS 232接口的數據封裝成為IP包，傳送至PC端的網絡應用程序。支持透明傳輸和簡單協議兩種工作方式；EM2002網關在網絡接口部分具有WWW接口，用 戶可以通過瀏覽器在網絡上實現對EM2002及串行設備的配置和管理。在網絡中的具體位置如圖2所示。

圖2 EM2000網關在數據傳輸路由中的位置

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，即數據傳輸的幀格式、具體的定義等。根據本測試設備的狀態和顯示的功能，其格式可設計成2大類，即測試數據幀和命令 控制幀。格式的設計應能實現系統對端間信息的無障礙交流、易于識別和判斷，同時，還應保證傳輸的可靠性，兼顧信息利用率。對該系統，經過實際信息交互統 計，確定使用一個字節的長度，即256種狀態。

（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”表示為數據幀；“0”為命令控制幀。

表1 傳輸幀格式定義

（2）數據幀

數據幀格式的定義如表2所示，主要用來傳送檢測的數據結果。根據需檢測信道數量和檢測項目來設置數據幀的字節。本系統設置8個數據信道，8個測試項目和“正常”／“故障”2個參數。

表2 數據幀定義

對于數據幀，考慮到本設備測試信道的數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，占用數據幀的第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，占用數據幀的第3位到第1位，表示方式同上（根據需要，以后擴容時，適當增加字節即可）。數據幀 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，目前網絡傳輸的可靠性非常高，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信息。

表3 命令控制幀定義

命令控制幀按傳送方向不同，可分為命令控制字和狀態表示字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”，這是信息數據的識 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。

3、具體實現

3.1 網絡接口設計

嵌入式系統和微型計算機系統一樣，必須通過TCP／IP協議轉換才能接入Internet。在這里數據通信的設計主要體現在串口的設計[2>， 將MCU的數據按照預先定義的格式通過與轉換芯片連接的串行接口發送或接收即可。設計中只要MCU的串口和EM2000網關的交換速率匹配即可，按照字節 方式逐字發送和接收。另外，EM2000網關的接口電平與TTL兼容，這就省略了電平變換電路，使得設計實現起來更簡便。
3.2 MCU的軟件設計

嵌入式MCU系統軟件主要由MCS-51匯編程序編寫。為了實現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、執行程序、串口中斷調用程序、協議翻譯程序等。

（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、狀態字的初始值設定、串口模式／狀態字的初始設置等，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，如果按原程序執行就會發生不確定的問題。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，經消除抖動和干擾影響后，將鍵盤值放入35H，并向郵箱發送“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據，如果判斷有命令數據注入，則將命令值放入36H內，同時向郵箱發送。串口命令發生事件”的信件。這樣通過對主程序信箱 的查詢，如果發現有信件存在，則對信件進行相應翻譯，變成機器可以執行的代碼，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網上的一塊標準網絡設備，具有惟一的全球識別MAC地址，可以接入任意的網段而不受限制。在配置網絡參數時， 只要知道通信雙方的網絡IP和路由，即可以輕松實現網絡連接。該模塊設置了1 B的緩沖區，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進行網絡配置，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絡配置。為加強保密安全，還增添了Password入口參數的設置。

（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，然后根據網絡狀況，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，以便完成控制等數據的傳送和接收。各項操作的運行狀態和操作結果都將由當前狀 態框實時顯示。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據，另一窗口即時響 應，說明網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，用超級終端進行數據傳輸驗證。完成后，對全系統進 行聯調，先進行直連試驗，即將測試終端與診斷終端通過交叉網線直連，驗證功能的正確性；然后將測試平臺接入Internet網，通過異地連接，驗證功能的 正確性。目前，經過多項調試驗證，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顯示、控制測試、復位等功能，實現了原設計目標。

圖3 診斷終端程序測試界面

5、結 論

本文介紹的方法，能夠非常容易地實現將嵌入式系統與互聯網相連。研發人員不用精通TCP／IP協議和具體的網絡知識，即可以設計出具有網絡功能的電子產 品，大大縮短開發周期。該方法在遠程監測、網絡監控、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。