基于USB的衛星通用化地面測試軟件的設計

安 然，任家峪，張 卓，閔康磊，羅 鏗

(上海航天電子技術研究所，上海 201109)

基于USB的衛星通用化地面測試軟件的設計

安 然，任家峪，張 卓，閔康磊，羅 鏗

(上海航天電子技術研究所，上海 201109)

針對當前衛星地面測試設備研制任務劇增、研制需求周期短、密度大、技術更新快的問題，將軟件工程中的組件技術引入衛星測試軟件領域，提出利用測試功能組件構建通用化測試軟件的設計思路;首先，對現有衛星型號的地面測試任務做共性研究；然后，分析研究現有衛星數傳分系統和測控分系統單機地面測試涵蓋的所有測試功能，描述通用化測試軟件的研制需求；以通用化和模塊化的設計思路進行軟件概要設計；通過分析軟件組成、設計流程圖、搭建軟件界面等步驟進行軟件詳細設計；最后，軟件實現;提出的基于USB接口的衛星通用化地面測試軟件，通過某型號功放級地面測試和某型號Ka應答機地面測試，經驗證，通用性強，覆蓋功能全面，能較好地滿足多個分系統單機設備的測試要求。

衛星地面測試；軟件開發；軟件需求分析；通用化設計；模塊化設計

0 引言

近年來，隨著航天技術的不斷發展與應用，衛星研制的任務量與日俱增，多條型號線并行開展。在衛星發射任務日趨密集，并且保質量保成功的現狀下，衛星用地面測試設備面臨嚴峻的考驗。原先以型號為導向，專研專用的測試設備研制模式，研發周期長，排查故障難，已不能滿足當前研制周期短、密度大、技術更新快的需求。因此，更新研制技術、提高研制效率成為突破問題的關鍵。

原先的衛星地面測試軟件是針對型號專用測試設備配套研制的，只為實現特定的測試功能，代碼復雜并且難以維護，不具有擴展性，在研制階段沒有考慮軟件的通用性和復用性。測試需求稍有改動，便需要軟件的代碼更改，有時甚至需要軟件構架的更改，在代碼更改后，需要大量的時間和人員來保證新的代碼能夠正常工作，難以保證系統的可靠性、可維護性。

為了解決上述問題，本文將軟件工程中的組件技術引入衛星測試領域，提出了利用測試功能組件構建通用化測試軟件的設計思路[1]。首先，本文對現有衛星型號的地面測試軟件進行分析，總結不同測試功能的共性；其次，提煉通用化測試軟件的研制需求；然后，根據組件技術的思路，進行軟件概要設計和詳細設計；最后，軟件實現。目前，本文提出的基于USB接口的衛星通用化地面測試軟件已經在多個型號的數傳子系統發射機前級測試、功放級測試，測控子系統應答機測試上應用，并證明通用性強，能較好的滿足測試要求。

1 通用化測試系統的構建

本文從系統體系結構模型研究出發，分析研究通用化測試軟件的關鍵技術，結合衛星測試的實際功能需求，給出一種典型的通用化測試系統設計，并通過試驗驗證了該系統的實際性能[2-4]。

圖1 通用化測試系統開發流程圖

通用化測試系統的開發流程如圖1所示。首先，對現有衛星型號的地面測試任務總結并統計歸類，進行共性研究，總結當前測試任務的類型和特點，完成系統的總體設計。通用化測試系統搭建的關鍵之一是測試任務的共性研究，通用測試系統要滿足多個型號測試任務的要求，那么從眾多的測試任務中提煉出共性的測試項目是實現通用測試平臺第一個技術關鍵，其成果直接影響到通用測試系統組建的繁簡程度和設計合理性[5]。在硬件方面，搭載現有的硬件平臺，采用已有的成熟的硬件設計方案；在軟件方面，進行全新的軟件方案設計，軟件方案設計要以實現通用化的測試需求為首要目標，按照步驟分為需求分析、概要設計、詳細設計和程序編寫幾個部分。最后，進行系統測試[6-7]。

基于USB接口的通用化測試系統硬件關系如圖2所示。地面測試臺與計算機通過USB線相連，在計算機上布置測試軟件，地面測試臺通過電纜與單機設備連接。地面測試臺搭載上位機測試軟件實現對單機設備的測試。

圖2 測試系統硬件關系圖

具體的測試流程為：在計算機上運行測試軟件，測試軟件的上位機應用程序提供一個友好的人機交互界面。測試軟件通過USB接口與地面測試臺進行通訊，地面測試臺通過電纜與單機設備通信。硬件設備上電后，通過對測試軟件的操作完成單機設備和地面測試臺等方面的性能指標測試以及相應的數據處理、顯示記錄等功能。

2 軟件需求分析和概要設計

2.1 軟件需求分析

軟件需求分析主要包括軟件的功能需求，非功能需求和設計約束。軟件的功能需求是需求規格說明中的主要部分。本章主要對通用化測試軟件的功能需求詳細闡述。

根據工作經驗，就接觸的多個衛星型號單機產品，其配套地面測試臺的測試功能和任務多有相似之處。經過總結，本文整理出通用化測試軟件的軟件功能需求。通用化測試軟件的目標是盡可能涵蓋地面測試臺所涉及的所有測試功能，測試者可以通過編寫配置文件自行選擇實現其中幾個或者全部功能，進行測試任務。

衛星型號單機設備地面測試時，地面測試臺模擬星上系統實現與單機設備進行數據通信等功能，如接收單機設備的上行數據、模擬星上系統發送下行數據或遙控指令等[8]。地面測試臺模擬星上有效載荷數據、信息處理器輸出數據和固態記錄器輸出數據等，用于衛星與地面測試系統對接試驗，衛星數傳子系統相關設備的調試、驗證。地面測試臺接收衛星測控子系統相關單機設備的遙測數據，按位解析，用于衛星測控子系統相關設備的調試、驗證。

2.2 軟件概要設計

2.2.1 通用化設計

通用化能保證測控系統應用可以獨立于不同硬件平臺并且具有很好的擴展性[9]，為此，應用軟件采用分層設計，在軟件和硬件之間定義統一的接口層函數，建立硬件抽象層，使硬件驅動和軟件應用層之間保持映射關系，隱藏特定硬件的具體特性和接口細節。硬件資源為上層應用程序提供統一的功能，通過標準的內部接口，將硬件驅動和應用層建立連接關系。分層的設計可以更好的實現軟件的移植，上層應用更多側重的是具體的測試方法和程序。

在應用層，本軟件采用建立統一的配置數據庫方法來實現不同的測試功能，不同的數據庫對應不用的測試應用，用戶可以修改數據庫的內容來配置具體的程序參數和程序界面。應用層通過配置數據庫的信息來建立相關的測試項目的模型和生成圖形化界面。采用數據庫配置可以更容易的實現測試項目的擴展，當用戶需要一種新的測試功能的需求，只需要增加新數據庫的結構和語言描述，應用層建立相應的連接關系，從而很快的實現新的測試功能。

2.2.2 模塊化設計

根據軟件的功能需求分析，我們把軟件劃分為幾個主要模塊設計，為確保軟件的安全性和可靠性，各模塊之間互相獨立，結構框架如圖3示。本軟件為實時系統，其設計需要考慮系統的響應時間和數據吞吐量，考慮各任務的優先級，按任務優先級準則執行任務。

圖3 軟件模塊化設計框圖

本軟件主要包括模擬數據源發送模塊，遙控指令發送模塊，模擬量遙測接收模塊，遙控數據接收模塊和數字量遙測接收模塊。而對于某些大數據量的數據采集和處理需求，考慮到測試的實時性， 軟件還應增加事后處理模塊的設計。當測試數據傳輸速度快且數據幀格式復雜時，通過界面配置，在數據采集時只做存盤操作，然后在事后處理模塊進行數據的組幀、對比、解析等。

1)模擬數據源發送模塊：按照測試需求，軟件模擬多路數據源的發送。常見的數據源有三種，第一種是偽隨機碼或PN碼；第二種是根據測試要求的幀格式按位組幀，數據幀內容由測試者填寫，軟件做幀格式正確性判斷；第三種是已知的數據文件。模擬數據源的配置還包括發送通道數和指令代碼。模擬源發送可選擇發送模式，單次發送或者周期發送。軟件通過數據庫配置和界面配置，模擬不同的數據源發送。

2)遙控指令發送模塊：按照測試需求，軟件配置多條遙控指令并發送。遙控指令的配置包括指令內容編輯，指令個數，指令分組，指令代碼等。指令發送可選擇不同的模式，如單次發送、周期發送、按組發送或順序發送等。軟件可以通過數據庫配置遙控指令的內容，也可以通過界面新增、修改或刪除指令。指令配置完成后，通過界面加載完成指令的發送。

3)模擬量遙測接收模塊：按照測試需求，軟件接收模擬量遙測并解析。模擬量遙測解析是指把接收到的數據按照解析公式轉換成電壓、電流、溫度等模擬量。模擬量遙測接收通道數可配置，遙測參數解析公式、參數個數和曲線監控可配置。軟件實現模擬量遙測的實時接收，遙測解析實時或事后可選擇，測試數據本地存盤，存盤路徑可設置。

4)遙控數據接收模塊：按照測試需求，軟件接收遙控數據并處理。遙控數據的處理包括數據比對，計算幀計數并做連續性判讀、統計錯誤消息和誤碼率等信息。軟件實現遙控數據的實時接收，數據實時或事后處理可選擇，測試數據本地存盤，存盤路徑可設置。

5)數字量遙測接收模塊：按照測試需求，軟件接收數字量遙測并解析。數字量遙測解析是指把接收到的數據按照解析定義按位解析，顯示成特定含義或控制指示燈的亮與滅。數字量遙測接收通道數可配置，遙測參數解析定義、參數個數可配置。軟件實現數字量遙測的實時接收，遙測解析實時或事后可選擇，測試數據本地存盤。

3 軟件詳細設計與實現

3.1 軟件組成

基于USB通訊的軟件主要包括三部分：USB固件程序、USB設備驅動程序以及PC機應用程序。

3.1.1 USB固件程序

USB接口廣泛應用于各種外設與PC或嵌入式系統的通信，在各行各業發揮著巨大的作用。如今已經成為最常見的數字接口。USB功能主要由USB接口芯片來實現，主要實現USB控制器的配置、初始化，控制USB芯片和PC機、FPGA之間的數據傳輸，

固件開發采用的軟件是Keil uVision2集成開發環境，采用C51語言編寫，C51語言具有C語言結構清晰的優點，便于學習，同時具有匯編語言的硬件操作能力，可移植性好，并且具有豐富的庫函數，提供多種模塊化功能，可降低開發難度、提高開發效率。

3.1.2 設備驅動程序

USB驅動程序屬于標準WDM驅動程序。WDM采用分層驅動程序模型，分為USB總線驅動程序和USB功能驅動程序兩個部分。其中，USB總線驅動程序由操作系統提供，負責與硬件對話，實現底層通信；而USB功能驅動程序由軟件開發人員設計，位于USB總線驅動程序之上，不直接與硬件對話。USB功能驅動程序通過USB總線驅動程序創建URB(USB請求塊)并發送IRP(I/O請求包)來實現與USB設備的通信[10]。

3.1.3 應用程序

應用程序包括實現軟件測試功能的實現和搭建軟件界面。軟件的測試功能按照模塊化設計，在下一小節詳細闡述設計流程。軟件界面是人機交互的窗口，通過對軟件窗口的操作完成單機設備和地面測試臺的數據通信和測試功能，并在測試工程中實時顯示測試結果，對有需求的測試任務可以提供測試報告的功能。

綜合考慮多方面因素，本軟件應用程序采用Microsoft Visual Studio 2010開發環境，采用C#編程語言。Microsoft Visual Studio 2010是目前最流行的Windows平臺應用程序開發環境，其優勢在于，一是開發工具在功能上更強大，二是同操作系統和其他應用軟件配合上更加完善。C#是基于C語言和Microsoft .NET平臺開發的編程語言，它可以快速的編寫各種基于Microsoft .NET平臺的應用程序。其優勢在于，一是C#的現代化設計能夠消除很多常見的C++編程錯誤，二是對版本的更新提供內在的支持降低了開發成本。

3.2 軟件功能實現

軟件功能以模塊化實現，各模塊之間實現互相獨立的功能，定義統一的接口函數，減少模塊之間的耦合性，某一個模塊出現問題不影響其他模塊的功能實現，同時可以很好的擴展軟件功能。測試結束后，各模塊分別打印測試報告[11]。

以數字量遙測接收模塊為例，設計流程如圖4所示。其中，設計流程中的“讀取配置表”指的是讀取配置數據庫文件來啟動程序，加載相應的配置信息，使得測試功能運行在相應的程序中，建立對應的“測試工程”，當開始測試程序后，界面能夠實時顯示對應的測試結果，實現軟件的通用化設計。具體實施步驟是：軟件開啟前，按照測試需求修改并完成配置數據庫文件，軟件開啟時，讀取預定義路徑的配置數據庫文件；或者在軟件運行后點擊“裝入腳本”按鈕，更新配置數據庫文件。

圖4 數字量遙測接收模塊測試流程圖

數字量遙測接收模塊測試的流程，詳細闡述如下：

1)板卡初始化：在啟動模塊界面時，軟件判斷USB板卡是否已初始化成功。如果是，進入下一步；否則，重新初始化板卡。如果重新初始化板卡成功，進入下一步；否則，打印錯誤消息，退出該模塊。

2)讀取配置表：在啟動此模塊之前，應確保已經按照測試需求，完成數字量遙測接收的相關數據庫配置，包括通道數、遙測參數解析定義、參數個數和指令代碼等。板卡初始化成功后，軟件讀取相應的數據庫配置文件，加載數字量遙測接收的所有配置信息。

3)采集數據：啟動采集數據的線程。首先，判斷USB信道是否空閑。如果是，采集數據并本地存盤；否則，進入下一次循環，等待信道空閑時再執行線程體。軟件采集到的數據存入本地緩存，等待解析數據的線程讀取。

4)解析數據：啟動解析數據的線程。首先，判斷本地緩存是否不為空。如果是，把本地緩存數據按定義解析并顯示；否則，進入下一次循環，等待本地緩存不為空時再執行線程體。按照數據庫配置文件，軟件解析數字量遙測，把數據按照解析定義按位解析，顯示成特定含義或控制指示燈的亮與滅。

其他模塊的設計流程和此流程類似，故不再贅述。

3.3 軟件界面

工作界面應滿足以下要求：整體界面友好、直觀，便于操作和查看結果；標簽、編輯框、按鈕等整齊清楚；多個測試功能按模塊分頁面顯示；界面上有必要的操作監控和文件路徑；保存、解析、顯示收到的數據可關聯設置，可對測試數據進行管理，比對分析等[12]。

經過總結，工作界面上應包括：

1)模擬數據源發送，模擬多路工程遙測數據發送，數據以文本文件或二進制文件的形式輸入，也可以在界面上手動編輯并輸入；

2)遙控指令發送，可通過界面新增、修改或刪除指令，可選擇不同的發送模式，如單次發送、周期發送或組合發送；

3)模擬量遙測參數接收，遙測參數實時顯示，曲線監控界面可配置，測試數據自動保存到文件，可以事后回放；

4)遙控數據接收，設置存儲路徑，可保存數據，實時或事后數據比對，計算幀計數并做連續性判讀、統計錯誤消息和誤碼率等信息；

5)數字量遙測數據接收，數據解析并實時顯示，存儲路徑界面可設置，可保存數據。把接收到的數據按照解析定義按位解析，顯示成特定含義或控制指示燈的亮與滅。遙測解析實時或事后可選擇，測試數據本地存盤。

3.4 軟件測試

本軟件已在多個衛星型號上應用實踐。現摘取其中兩個型號單機的應用實例進行軟件測試，某型號功放級地面測試軟件實例如圖5所示，某型號Ka應答機地面測試軟件實例如圖6所示。測試結果表明，該軟件功能完善，性能穩定，界面友好，能夠實現不同的測試方案，具有一定的通用性和擴展性，滿足了地面測試的各項需求。

圖5 衛星地面測試軟件實例1

4 結束語

本文設計的USB通用化地面測試軟件，與以往的專用軟件相比，其通用化的設計可以滿足當前研制任務周期短、密度

圖6 衛星地面測試軟件實例2

大、技術更新快的需求，是一個節省研制成本，確保測試任務高效完成的重大創新。本軟件能夠滿足衛星數傳分系統和測控分系統大部分單機地面測試的需求，并已在多個型號上得到驗證。

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Design of Generalized Software Based on USB for Satellite Ground Test

An Ran, Ren Jiayu, Zhang Zhuo, Min Kanglei, Luo Keng

(Shanghai Aerospace Electronic Technology Institute, Shanghai 201109, China)

Regarding to large develop task, short demand cycle, high density and rapid technical update in current satellite ground test equipment field, component technology in software engineering was introduced into satellite ground test in this paper. The design idea is using test functional components to construct generalized software. Firstly, the common parts of existing satellite models ground testing task were researched. Secondly, Analysis and research all test function in current satellite test system, then describe the requirement of generalized test software. Generalized and modular ideas were realized in software summary design. And the detail design include software components analysis, work flowchart design, GUI setup. At last, generalized software was realized. The generalized software based on USB for satellite ground test proposed in this paper was verified that it have strong commonality and can cover most test function, it meet the test demand of multiple equipments better in satellite system.

satellite ground test；software development；software requirement analysis；generalized design；modular design

2017-08-27；

2017-10-25。

安 然(1989-)，女，山東單縣人，碩士研究生，工程師，主要從事衛星地面測試軟件開發方向的研究。

1671-4598(2017)12-0133-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.12.035

TN927; V557

A