航天器嵌入式軟件CAN總線測試方法研究

翟耘萱　田園　史翠紅　張鳳

摘 要：根據“硬件標準選用，軟件定義功能”的設計模式，從CAN總線硬件平臺架構入手，梳理航天器嵌入式軟件CAN總線的測試要點，從性能、功能、可靠性和安全性等方面設計通用測試用例，為總線測試的軟件測試工程師提供借鑒。

關鍵詞：星載嵌入式軟件；CAN總線；測試方法；可靠性；安全性

中圖分類號：V443+.1；V556? 文獻標志碼：A? 文章編號：1671-0797（2023）09-0005-03

DOI：10.10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.09.002

0? ? 引言

隨著航天電子技術的發展，航天電子設備綜合化程度越來越高，總線技術已經開始在航天電子領域得到越來越廣泛的運用。航天器工作環境惡劣，空間輻射、電磁干擾等都可能通過硬件影響軟件的正常工作，為實現“一重故障保業務連續，二重故障保航天器安全”的目標，保證軟件的在軌重構功能，總線可靠性和安全性成為在軌航天器的必要保障。CAN總線作為一種串行數據通信協議，因具有高位速率、高抗電磁干擾能力以及錯位可查處等可靠性、實時性特點而被廣泛應用于航天電子的地面、星、箭載子系統的通信功能[1-6]。

航天器嵌入式軟件與硬件關系密切，硬件運行環境的特點以及硬件的多樣性顯著影響和制約著軟件的開發[7]，“硬件標準選用，軟件定義功能”的設計模式被廣泛應用，模式的建立為總線通用化測試提供了充分保障。為保障CAN總線方案的實施，保證軟件質量，越來越多的基于CAN總線的自動化測試系統被提出[8-10]，關于CAN總線的測試方法和用例卻鮮有提及。

1? ? CAN總線通信硬件架構

星載CAN總線一般采用相雙冗余的總線型網絡結構，包括A、B兩條CAN總線，由管理控制單元及其他下位機組成通信節點?？偩€各節點CAN總線處理器在上電初始化完成后等待管理控制單元發送指令、廣播與輪詢，并依據通信協議約定的格式完成數據的接收與響應。

根據主控芯片和芯片擴展差異，CAN總線通信架構主要包括：CUP+控制芯片+驅動芯片、FPGA+控制芯片+驅動芯片和FPGA（CAN軟核）+驅動芯片三種形式?？偩€驅動芯片通常采用PCA82C250，控制芯片選用SJA1000系列芯片。如圖1所示，CUP+控制芯片+驅動芯片架構（架構1）通過芯片的片選使復用SJA1000芯片的數據讀寫信號，根據外部總線的中斷信號鑒別總線占用情況，預設總線優先級制定總線同時占用的通信策略。如圖2所示，FPGA+控制芯片+驅動芯片架構（架構2）基于FPGA的并行運行特性實現雙SJA1000芯片的獨立運行，同時處理雙總線發送與接收，根據總線優先級排序解析處理指令緩存寄存器。如圖3所示，FPGA（CAN軟核）+驅動芯片架構（架構3）中FPGA集成CAN總線控制功能，縮減了集成電路間的異步交互，軟核方案架構對寄存器的冗余備份、異常通信處理策略的可靠性和安全性提出了更嚴格的要求。

2? ? 嵌入式軟件CAN總線測試

2.1? ? 測試要點

CAN總線的測試需要基于需求，對產品的性能、功能、接口全面覆蓋，易發、多發問題設置重點測試用例，涉及數據邊界的測試用例要涵蓋邊界，針對星載嵌入式軟件需要對軟件在高頻次、長時間、惡劣環境下的可靠性和安全性重點關注，CAN總線測試實施重點關注以下5點內容：

（1）測試總線接收數據長度、格式、內容異常情況下軟件自糾能力；

（2）測試總線過載情況下軟件接收數據緩沖區的防溢出能力；

（3）測試總線阻塞、關閉情況下總線接口自主復位初始化功能；

（4）測試滿足時間性能指標的基礎上保留合理的時間裕度；

（5）測試瞬時密集數據傳輸的強度超出軟件處理能力后總線恢復正常時軟件恢復正常工作的能力。

2.2? ? 測試用例

基于CAN總線測試要點的實施，對CAN總線接口的性能、功能、可靠性和安全性等方面進行測試用例設計，通過示波器抓取的時序信號、遙測信息的指令計數情況確認軟件設計的正確性。針對不方便黑盒測試的功能，利用VTEST測試平臺對軟件內相關寄存器監視完成灰盒測試。對CAN總線的性能測試方面主要從總線波特率、總線應答及幀間隔時間、總線控制芯片的芯片復位脈沖寬度、總線控制芯片讀寫時序幾個方面進行測試，關于CAN總線的性能測試可以詳細參考CAN2.0通用協議和外圍控制芯片的使用手冊，在此不多做贅述。

對于CAN總線的功能測試主要從符合協議通信、錯誤協議通信以及總線切換策略測試3個方面進行，功能測試針對不同架構平臺的測試項目一致，測試用例如表1所示。

對于CAN總線的可靠性和安全性測試設計總線控制芯片內部寄存器的監視，通過普通的黑盒測試是無法實現的，本文通過利用VTEST構建的虛擬平臺實現對所需寄存器的監視功能，測試用例如表2所示。VTEST測試工具模擬嵌入式虛擬測試平臺能夠模擬嵌入式軟件的接口芯片，通過導入被測源代碼，實現對程序目標碼插樁、接口監視，統計目標碼程序語句和分支覆蓋信息，分析目標碼的執行情況[11]。

3? ? 結語

軟件測試是軟件產品的重要保證，對共性多發測試項目的梳理和總結能夠有效遏制相關問題的出現，本文從CAN總線常用架構入手梳理測試要點，設計測試用例，希望能為相關工程師提供借鑒。

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收稿日期：2023-01-11

作者簡介：翟耘萱（1990—），男，吉林人，工程師，研究方向：嵌入式軟件。