一种支持串行总线验证检测的装置设计与实现

许晶 谭志宏 孙宏强

摘要：该文提出了一种支持RS232、RS-422、RS-485和ARINC429总线信号检测的设计，作为测试设备，对总线协议芯片验证板卡的被测设备进行测试，控制各功能板卡向验证板卡发送测试命令和数据，并检测比较发送数据和接收响应数据是否一致，以此来判断被测设备的总线通信功能是否正常。

关键词：串行总线；测试装置；验证

中图分类号： TP23     文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2023）06-0005-03

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

低速串行总线因其结构简单、使用成本低、可靠性高、传输距离远等诸多优点，在装备电子系统、工业控制系统中得到了广泛应用。例如，RS485 是一种串行数据接口标准，由电子工业协会（Electronics Industry Association，EIA） 制订并发布的，它是在RS422 基础上制定的标准，在导弹上信息交互中起着至关重要的作用[1]。其他的RS232、RS-422和ARINC 429[2]也都大量使用。

随着元器件使用的逐步推广，为了验证器件的功能、性能，有必要对其进一步进行验证。

1 验证装置

为了对RS232、RS-422、RS-485和ARINC429相关元器件进行验证，开发了一种验证板卡。验证装置则是用于对验证板卡进行测试，控制各功能板卡向验证板卡发送测试命令和数据，并检测比较发送数据和接收响应数据是否一致，并以此来判断被测设备的总线通信功能是否正常，如图1所示。

验证装置要求人机界面友好，操作简单，显示直观，采用模块化设计，功能独立，运行稳定。设备的输入/输出信号特性与验证板卡的输入/输出信号特性一致。验证装置检测设备应具备手动测试模式和自动测试模式。设备研制过程所涉及的被测产品功能、性能方面的技术要求及技术指标以被测产品承制单位现行有效的产品资料（如：产品规范、技术说明书、验收测试程序等）为依据。

验证装置主要功能包括检测被测模块RS-232通讯功能是否正常，主要检测数据传输功能是否正常；检测被测模块ARINC429通讯功能是否正常，并检测总线信号电气特性是否符合标准要求；检测被测模块RS-422通讯功能是否正常，并检测总线信号电气特性是否符合标准要求；检测被测模块RS-485通讯功能是否正常，并检测总线信号电气特性是否符合标准要求。

1.1 验证装置要求

验证装置检测设备能够提供验证板卡所有所需激励和负载信号，包括总线信号的检测，实现对验证板卡RS-232、RS-422、RS-485以及ARINC 429等硬件资源的检测和功能性能的验证。验证装置检测设备对每个功能通道的测试资源可以单独激励和设置。验证装置检测设备测试软件依据测试程序控制各功能板卡向验证板卡发送测试命令和数据，然后验证装置检测设备比较发送数据和接收响应数据是否一致，并以此来判断被测模块通信功能是否正常，并检测总线信号电氣特性是否符合标准要求。

在对总线验证板卡进行任何测试、拆卸操作时，场所应有防静电设施，操作者应戴上防静电腕带。验证板卡关机到下一次开机应至少间隔10s，以避免冲击电流对验证板卡造成损害。

设备采用统一的测试系统软件配套测试程序的方式实现，测试软件需提供源代码，系统软件分为开发软件与执行软件，开发软件用于RS-232、RS-422、RS-485以及ARINC 429测试项目的开发，测试过程中可以根据测试项目配套选择测试程序。测试程序执行过程中，测试过程面板会实时更新显示测试信息，包括测试项目、测试结果、测试结论；测试之前可配置测试项，且可进行测试次数选择，测试程序应支持数据通信功能、数据统计功能。验证装置检测设备应具备良好的软件操作界面，能够运行测试项目自动化完成测试以及生成测试报告，尽可能减少人员操作过程，并保存相关过程参数及图片。

1.2 验证装置系统设计

通过对验证装置检测设备需求文件的整理分析，设计验证装置架构如图2所示。其中，主控机具备专用总线扩展槽，插入RS-232/RS-422/RS-485接口卡、ARINC 429接口卡和模拟量采集卡等，以实现测试接口扩展。提供手动和自动测试模式下人机交互界面，支持测试设备软件的测试功能和维护功能。

图2  验证装置架构

综合考虑成本、可靠性、测试需求等各方面的因素，验证装置检测设备基于PCI总线[3]构建。PCI机箱选用的5+2槽机箱。PCI机箱提供PCI总线、各功能板卡工作电源，使主控计算机可以通过PCI总线控制所有板卡，完成对验证板卡功能测试。预留扩展槽，可根据后期的应用需求，插入不同的PCI板卡，方便功能扩展。

RS232/422/485模块选用PCI总线24路RS232/422/485异步串口通讯模块，可设置为异步RS232/422/485模式。波特率支持CCITT标准通讯速率921.6Kbps～75bps和非标准速率（2.4Mbps，1.44Mbps、1Mbps，500Kbps，200Kbps，100kbps），RS422波特率最高支持10Mbps。

ARINC429总线模块为PCI总线接口模块，具有8通道ARINC429的总线通信能力，波特率150Kbps、100Kbps、50Kbps、48Kbps、12.5Kbps、10Kbps可设置。

矩阵开关模块为PCI总线接口模块，该模块包含双线制的21选1开关阵列。该矩阵开关模块，可以完成所有总线测试信号切换到高速模拟量采集卡通道，便于对验证板卡各种总线接口电气特性是否符合标准要求。

4台程控电源通过网口多机控制软件是针对远程组网控制而研发的，它方便于客户利用网线、交换机等，远程基于UDP协议[4]进行组网控制电源，可以对每台电源可实时回读电压电流。网口多机控制软件运行在Win7 SP1以上、Win8、Win10及其兼容机上。

试验工装包括过渡板和工装，工装提供连接插座，支持验证板卡的插入，工装固定在过渡板上供验证试验，可以支持验证板卡的调试、验证以及环境试验。

信号接口箱主要用于工控机与试验工装之间测试信号转接的接口箱，高度为8U，同时将四台程控电源及交换机及开关电源集成到该接口箱中。

测试电缆主要用于验证装置检测设备工控机、试验工装及信号接口箱之间连接，测试电缆的尾部附近均设置固定卡箍，以减小应力，保护电缆，提高可靠性。测试线缆长度为三米，数量为3根，其中一根为供电线缆，另外两根为信号输入输出接口。

1.3 验证装置软件设计

设备采用统一的测试系统软件配套测试程序的方式实现，开发软件用于ARINC 429/RS-485/RS-422测试项目的开发，测试过程中可以根据测试项目配套选择测试程序。测试程序执行过程中，测试过程面板会实时更新显示测试信息，包括测试项目、测试结果、测试结论；测试之前可配置测试项，且可进行测试次数选择，测试程序应支持数据通信功能、数据统计功能。

验证装置测试软件部署在验证装置工控机上，是运行在Windows系统平台上到用户端软件，支持对验证板卡接口、功能、性能及健康状态的集成测试，主要检测RS-232、RS-422、RS-485和ARINC429串口通信接口，同时显示并记录验证板卡内部软件测试结果，开发工具选用LabWindows/CVI[5]。LabWindows/CVI是开发虚拟仪器系统的最佳平台之一，它将功能强大、使用灵活的C语言平台与用于数据采集、分析和显示的测控专业工具库有机地结合起来，它的集成开发平台、交互式编程方法、功能面板和库函数大大增强了C/C++语言的功能，为熟悉C语言的科技人员建立检测系统、自动测量系统、数据采集系统、过程监控系统等提供了极大的便利。

测试设备软件采用模块化的设计方法，按照软件功能需求将程序划分为启动、系统管理、测试功能、校准功能、数据管理功能等几大模块，使整个软件结构清晰，便于维护和升级。界面如图3所示。

启动模块：主要用于完成测试软件的初始化、用户登录和启动自检等功能。其中登录功能用于记录用户登录信息，验证用户登录操作；自检功能用于实现测试设备的板卡级自检测，保证测试系统硬件工作正常。

数据对比功能：主要用于验证装置检测设备向被测模块发出RS-232、RS-422、RS-485、ARINC429总线测试命令和数据；被测模块通过RS-232、RS-422、RS-485、ARINC429总线向验证装置检测设备总线接收测试响应数据；验证装置检测设备比较发送数据和接收响应数据是否一致，并以此来判断被测模块RS-232、RS-422、RS-485、ARINC429通信功能是否正常，并检测总线信号电气特性是否符合标准要求。

退出功能：主要是复位硬件设备并释放动态分配的内存以及线程等资源，确保软件安全有效退出。

2 串行总线验证

2.1 RS-232总线验证

RS-422通讯功能测试包括2路RS232串行接口传输。测试主要是检测数据传输功能是否正常。测试步骤如下：

1）测试设备向计算机发出串行通信测试命令；

2）测试设备串行通讯模块向串行通信数据接口发送测试数据；

3）控制器正确接收数据后，将其返回给测试设备；

4）测试设备比较发送数据和接收数据是否一致，并以此来判断控制器的串型通讯功能是否正常；

5）当测试设备完成通信测试时发送退出串行通信测试命令。

2.2 RS-422总线验证

RS-422总线测试包括8路RS-422总线接口传输。测试主要是检测数据传输功能是否正常。测试步骤如下：

1）测试设备向计算机发出RS-422总线测试命令；

2）测试设备RS-422总线模块向RS-422总线发送测试数据；

3）控制器正确接收数据后，将其返回给测试设备；

4）测试设备比较发送数据和接收数据是否一致，并以此来判断控制器的串型通讯功能是否正常；

5）当测试设备完成通信测试时发送退出串行通信测试命令。

2.3 RS-485总线验证

RS-485总线测试包括4路RS-485总线接口传输。测试主要是检测数据传输功能是否正常。测试步骤如下：

1）测试设备向计算机发出RS-485总线测试命令；

2）测试设备RS-485总线模块向RS-485总线发送测试数据；

3）控制器正确接收数据后，将其返回给测试设备；

4）测试设备比较发送数据和接收数据是否一致，并以此来判断控制器的串型通讯功能是否正常；

5）当测试设备完成通信测试时发送退出串行通信测试命令。

2.4 ARINC 429总线验证

ARINC429总线测试包括4路ARINC429总线接口传输。测试主要是检测数据传输功能是否正常。测试步骤如下：

1）测试设备向计算机发出ARINC429总线测试命令；

2）测试设备ARINC429总线模块向ARINC429总线发送测试数据；

3）控制器正确接收数据后，将其返回给测试设备；

4）测试设备比较发送数据和接收数据是否一致，并以此来判断控制器的串型通讯功能是否正常；

5）当测试设备完成通信测试时发送退出串行通信测试命令。

3 结论

针对RS232、RS-422、RS-485和ARINC 429相关元器件的验证需求，本文设计了一种用于对验证板卡进行验证的串行总线验证装置，构建了验证平台，开发了验证软件。经过验证和试验，表明所验证的串行总线相关元器件符合预期功能。

参考文献：

[1] 崔玉江，邵云峰，乔道鹏.弹上RS485总线通讯质量研究[J].现代防御技术，2016，44（2）：209-214.

[2] 付军立.ARINC429总线接收器极限参数测试方法[J].测试技术学报，2017，31（6）：519-523.

[3] 樊江锋，陈帅，叶波，等.PCI总线技术的发展[J].电子测试，2017（11）：88-89，71.

[4] 吴迪.基于UDP通信协议的PC与PLC数据传输[J].燃料与化工，2021，52（5）：34-35.

[5] 楊韧.基于LabWindows/CVI的高级应用开发技术探索[J].信息与电脑（理论版），2019（13）：111-113.

【通联编辑：梁书】