0 引言

    伴隨數(shù)字信息技術(shù)高速發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)設(shè)備數(shù)量已經(jīng)遠超過通用計算機，后PC時代已經(jīng)到來。嵌入式系統(tǒng)設(shè)備廣泛服務(wù)于網(wǎng)絡(luò)通信、消費電子、工業(yè)控制、測控等多個領(lǐng)域。

    嵌入式技術(shù)在測試領(lǐng)域應(yīng)用日益成熟，但由于其具體應(yīng)用場合不同，難以形成統(tǒng)一的軟件開發(fā)框架。呂國勇、史祥龍等人分析了Ajax異步交互、CGI(Comment Gateway Interface)通用網(wǎng)關(guān)在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用^[1-2]，從而減輕了服務(wù)器的負擔，提高了客戶端與服務(wù)器之間的交互速度。劉利枚、周鮮成等人對嵌入式軟件測試系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)進行了探索，提出了一種實用的嵌入式軟件動態(tài)測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架^[3]。蔡勇、王勇等人基于嵌入式數(shù)據(jù)庫SQLite3.0技術(shù)設(shè)計了測控系統(tǒng)，分析了嵌入式數(shù)據(jù)庫的特點和關(guān)鍵技術(shù)，著重研究了應(yīng)用方式和移植方法^[4]。張振、王小寧等人對嵌入式Web服務(wù)器Boa的移植與應(yīng)用進行了研究，并實現(xiàn)了其在控制領(lǐng)域的遠程管理^[5]。本文在前人的技術(shù)基礎(chǔ)上進行綜合、擴展，提出了一套較為成熟的基于B/S測控模式的嵌入式軟件架構(gòu)，并對其中軟件的實現(xiàn)及移植過程進行了較為全面的探討和總結(jié)，最終提供一套具體可行的實現(xiàn)方案。

1 整體結(jié)構(gòu)

    系統(tǒng)采用B/S軟件架構(gòu)模式，Server端為嵌入式測試系統(tǒng)，具備Web服務(wù)和數(shù)據(jù)庫存儲能力，Browser端為符合W3C的標準瀏覽器。

    用戶通過Web頁面登錄至服務(wù)器后發(fā)出配置、測試等控制命令；Server響應(yīng)用戶的請求，調(diào)用對應(yīng)的CGI服務(wù)程序，并采用Ajax異步數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞綄y試結(jié)果動態(tài)返回至用戶Web頁，前端采用波形曲線、指針等多種形式展現(xiàn)數(shù)據(jù)。

1.1 硬件結(jié)構(gòu)

    系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)分為4個部分：嵌入式測試系統(tǒng)、交叉編譯系統(tǒng)、被測對象配電器和時鐘同步系統(tǒng)。嵌入式測試系統(tǒng)采用ARM11-S3C6410處理器，操作系統(tǒng)內(nèi)核為Linux2.6.3.8。交叉編譯系統(tǒng)與嵌入式測試系統(tǒng)通過NFS(Network File System)網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)、TFTP（Trivial File Transfer Protocol）文件傳輸協(xié)議、串口通信等協(xié)議來進行系統(tǒng)調(diào)試、程序傳輸以及與下位機進行通信。嵌入式測試系統(tǒng)繼電器模塊、AD轉(zhuǎn)換模塊與被測對象配電器通過兩條通信電纜相連，系統(tǒng)產(chǎn)生激勵并讀取配電器返回的測試結(jié)果。嵌入式測試系統(tǒng)通過NTP協(xié)議與外部的時鐘服務(wù)器同步，可為今后擴展為分布式測試系統(tǒng)提供統(tǒng)一時鐘校對服務(wù)。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 軟件結(jié)構(gòu)

    測試系統(tǒng)軟件采用B/S架構(gòu)模式，軟件分為3層結(jié)構(gòu)進行設(shè)計。整個結(jié)構(gòu)分為上層、中間層和底層3部分：上層為用戶接口界面，負責接受用戶指令、顯示動態(tài)數(shù)據(jù)等；中間層由Web服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫構(gòu)成，負責提供Web服務(wù)、數(shù)據(jù)存儲等功能；底層由硬件驅(qū)動程序、測試應(yīng)用程序構(gòu)成，提供底層函數(shù)調(diào)用。

2 功能及實現(xiàn)

    根據(jù)上文所述硬件結(jié)構(gòu)、軟件架構(gòu)，設(shè)計并實現(xiàn)測試系統(tǒng)的各部分功能。以下就本設(shè)計的關(guān)鍵模塊進行詳細說明。系統(tǒng)功能模塊設(shè)計如圖2。

2.1 用戶界面設(shè)計

    用戶界面設(shè)計主要分為4個功能模塊：用戶身份驗證模塊、測試設(shè)備基本信息瀏覽與配置模塊、動態(tài)數(shù)據(jù)查看模塊和歷史數(shù)據(jù)瀏覽模塊。

    用戶身份驗證模塊加強了系統(tǒng)安全性，分為普通用戶和管理員兩種權(quán)限模式。基本信息瀏覽模塊與配置模塊將調(diào)用底層CGI程序獲取設(shè)備基本信息，如服務(wù)器IP地址、客戶端IP地址、主機名稱、內(nèi)核版本等信息；動態(tài)數(shù)據(jù)顯示模塊采用開源的Flot Javascript插件，將數(shù)據(jù)以數(shù)字、儀表、曲線多種方式來呈現(xiàn)。前臺與后臺數(shù)據(jù)交換采用了Ajax異步通信技術(shù)來實現(xiàn)動態(tài)更新頁面；歷史數(shù)據(jù)查看模塊調(diào)用后臺數(shù)據(jù)庫歷史數(shù)據(jù)后采用Ajax異步通信更新前端頁面，并自動生成CVS格式的歷史數(shù)據(jù)文件，用戶下載后可用于數(shù)據(jù)分析。

2.2 Web服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫設(shè)計

    為構(gòu)建B/S模式測試系統(tǒng)，系統(tǒng)必須具備提供Web服務(wù)能力和實驗數(shù)據(jù)管理能力。本節(jié)詳細介紹服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫的實現(xiàn)過程。

2.2.1 嵌入式Web服務(wù)器設(shè)計

    目前在嵌入式設(shè)備中常用的Web服務(wù)器有Boa、thttpd、Mini_httpd等，同等硬件條件下，Boa顯示出更快的處理速度，內(nèi)存需求小，能耗低，支持CGI腳本程序。

    主要移植步驟如下：(1)編譯源碼，生成ARM架構(gòu)下可執(zhí)行文件Boa。(2)修改服務(wù)器配置文件相關(guān)參數(shù)：DocumentRoot（測試頁面文檔路徑）、ScriptAlias（測試CGI腳本路徑）。

    圖3為服務(wù)器文件部署目錄，在boa.conf中更改參數(shù)如下：DocumentRoot/Testwww；ScriptAlias/cgi-bin/  /Testwww/CGIScripts/。Pages目錄主要部署HTML網(wǎng)頁文件、JavaScript腳本文件；CGIScripts目錄部署CGI腳本程序，包括數(shù)據(jù)庫查詢腳本、數(shù)據(jù)測試腳本、獲取設(shè)備基本信息腳本等；DataTbls目錄主要存儲數(shù)據(jù)庫文件，包括歷史數(shù)據(jù)表、用戶密碼數(shù)據(jù)表、設(shè)備基本信息表。分類目錄設(shè)計更利于文檔的編輯和管理。

2.2.2 嵌入式數(shù)據(jù)庫設(shè)計

    嵌入式設(shè)備中常用的數(shù)據(jù)庫有mSQL、SQLiteDB等。經(jīng)對比選擇開源數(shù)據(jù)庫SQLiteDB，它支持數(shù)據(jù)庫大小為2 TB，足夠小，全部代碼250 KB，比目前流行的大多數(shù)數(shù)據(jù)庫對數(shù)據(jù)的操作要快。

    移植步驟如下：(1)編譯源碼包生成可執(zhí)行文件目錄。(2)將編譯生成的bin、include、lib目錄通過NFS文件系統(tǒng)復(fù)制至對應(yīng)嵌入式文件系統(tǒng)下。

    根據(jù)需求分析設(shè)計數(shù)據(jù)庫實體對象，分為用戶實體、設(shè)備基本信息實體、歷史數(shù)據(jù)測試信息實體，最終設(shè)計對應(yīng)的數(shù)據(jù)表。圖4給出用戶實體E-R圖。

2.3 CGI、Ajax異步通信設(shè)計

    為了加強系統(tǒng)頁面與用戶的動態(tài)交互性，本系統(tǒng)采用CGI與Ajax的解決方案。使用CGI技術(shù)在服務(wù)器端發(fā)布動態(tài)網(wǎng)頁，與Ajax的XMLHttpRequest組件進行數(shù)據(jù)交互，實現(xiàn)了動態(tài)Web功能，使網(wǎng)頁局部自動刷新，無須手動更新網(wǎng)頁。這是本系統(tǒng)前臺與后臺數(shù)據(jù)通信的主要方式。

    工作流程如下：(1)用戶通過Web瀏覽器訪問嵌入式服務(wù)器中部署好的測試頁面，服務(wù)器響應(yīng)瀏覽器請求，返回內(nèi)嵌有JavaScript腳本的Web頁面。(2)瀏覽器解析返回頁面代碼并顯示，執(zhí)行內(nèi)嵌的JavaScript腳本程序。(3)用戶在瀏覽器輸入的數(shù)據(jù)首先由JavaScript程序預(yù)處理，然后通過XMLHttp Request對象向服務(wù)器發(fā)出異步請求。服務(wù)器解析請求參數(shù)后調(diào)用底層相應(yīng)驅(qū)動程序進行測試或存取數(shù)據(jù)庫，并將獲取的數(shù)據(jù)以XML格式返回給瀏覽器。(4)瀏覽器通過responseXML方法獲得數(shù)據(jù)，然后通過DOM文檔對象模型來更新用戶界面。

2.4 測試系統(tǒng)時鐘同步設(shè)計

    以上討論的是單測試系統(tǒng)組網(wǎng)情況，而B/S架構(gòu)可搭建分布式測試系統(tǒng)。在分布式系統(tǒng)中, 常常需要一個全局時間, 用來確定系統(tǒng)中各種事件發(fā)生的先后、協(xié)調(diào)各種消息的傳輸、控制和監(jiān)視系統(tǒng)的狀態(tài)，這就需要對系統(tǒng)中各個部件進行時鐘同步，保障局部時間統(tǒng)一。

2.4.1 網(wǎng)絡(luò)時間同步協(xié)議

    常用的網(wǎng)絡(luò)時間同步協(xié)議主要有NTP(Net Work Protocol)、SNTP(Simple Net Work Protocol)以及PTP(Precision Time Protocol)等，表1為三者綜合比較。

    考慮協(xié)議的同步時間精度及其實現(xiàn)的難易度，決定采用NTP作為測試網(wǎng)絡(luò)中的時鐘同步協(xié)議。NTP時間同步模式分為4種：客戶端/服務(wù)器模式、對等體模式、廣播模式、組播模式。系統(tǒng)采用客戶端/服務(wù)器模式。

2.4.2 設(shè)計方案

    首先構(gòu)建測試網(wǎng)絡(luò)，采用一臺Windows7操作系統(tǒng)的主機作為時鐘源服務(wù)器，兩臺嵌入式測試設(shè)備作為被同步對象。3個節(jié)點由路由器連接，構(gòu)成局域測試網(wǎng)絡(luò)。

    其次配置時鐘源服務(wù)器、移植NTP協(xié)議至嵌入式測試設(shè)備。(1)對于Windows時鐘服務(wù)器只需更改注冊表相應(yīng)參數(shù)，使其對外提供NTP服務(wù)。(2)嵌入式測試系統(tǒng)將作為NTP協(xié)議的Client，首先需要移植NTP協(xié)議。其次在配置文件ntp.conf中添加語句server 192.168.1.131，根據(jù)具體IP參數(shù)設(shè)置時鐘服務(wù)器的IP地址。(3)將嵌入式系統(tǒng)ntpd設(shè)置為開機自啟動服務(wù)，在/etc/init.d/rcS添加如下語句：ntpdate 192.168.1.131；/etc/init.d/ntpd。首先ntpdate將行一次時間校正，以防止服務(wù)器和客戶端時間誤差太大導(dǎo)致ntpd更新失敗，然后啟動ntpd服務(wù)，該服務(wù)每隔64 s會自動更新一次時間，在局域網(wǎng)條件下時鐘同步誤差范圍為1~10 ms之間。

3 實驗結(jié)果及分析

    使用瀏覽器登錄B/S模式嵌入式測試系統(tǒng)。圖6為測試數(shù)據(jù)實時顯示頁面，左側(cè)為動態(tài)數(shù)字顯示，并且對異常數(shù)據(jù)用顏色標識提示，右側(cè)為儀表顯示方式，以更加直觀的方式查看數(shù)據(jù)。圖7為波形圖表顯示頁面，直觀顯示數(shù)據(jù)隨時間變化趨勢。

4 結(jié)束語

    本文通過基于嵌入式B/S模式測試系統(tǒng)的構(gòu)建以及基于ARM平臺的測試程序設(shè)計，對其中的服務(wù)器搭建、數(shù)據(jù)庫配置、前后臺數(shù)據(jù)傳輸方式以及未來多測試子系統(tǒng)組網(wǎng)的時鐘同步問題進行了詳細的闡述。從底層數(shù)據(jù)采集到數(shù)據(jù)存儲以及上層數(shù)據(jù)顯示都較好地完成了配電器測試任務(wù)，最終提出了一套可行的構(gòu)建嵌入式測試系統(tǒng)方案。本文研究對未來實現(xiàn)B/S模式的分布式遠程測控系統(tǒng)打下了良好基礎(chǔ)，具有一定的參考價值。

參考文獻

[1] 呂國勇，史祥龍.基于嵌入式Linux和Ajax技術(shù)的Web異步交互設(shè)計[J].計算機應(yīng)用，2013，33：247-251.

[2] 王寶忠，馬成.基于CGI技術(shù)的嵌入式動態(tài)Web的研究與實現(xiàn)[J].電子設(shè)計工程，2012，20(18)：161-163.

[3] 劉利枚，周鮮成，石彪.嵌入式軟件測試系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].國外電子測量技術(shù)，2008，27(1)：59-61.

[4] 蔡勇，王勇.嵌入式數(shù)據(jù)庫SQLite在測控系統(tǒng)設(shè)計中的應(yīng)用[J].電子測試，2011(10)：89-93.

[5] 張振，王曉寧，張元.嵌入式Web服務(wù)器移植與測試[J].電子設(shè)計工程，2010，18(6)：1-3.