項(xiàng)目8電路板的功能檢測(cè)評(píng)估任務(wù)2測(cè)試用例設(shè)計(jì)與實(shí)施任務(wù)描述隔離控制器在完成電路焊接制作，并進(jìn)行過電路檢測(cè)后，需要進(jìn)行后續(xù)的功能測(cè)試。功能測(cè)試是以最終設(shè)備功能的穩(wěn)定運(yùn)行為目標(biāo)，功能測(cè)試需要配合固件程序，測(cè)試要有步驟地進(jìn)行，從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，設(shè)計(jì)多個(gè)測(cè)試用例，逐步完成整個(gè)隔離控制器的功能驗(yàn)證。本任務(wù)通過多個(gè)測(cè)試固件的燒些運(yùn)行，驗(yàn)證隔離控制器功能完備性和運(yùn)行穩(wěn)定性。知識(shí)儲(chǔ)備測(cè)試用例(TestCase)的設(shè)計(jì)從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，逐步驗(yàn)證電路設(shè)備的各項(xiàng)功能，一些簡(jiǎn)單的用例在電路測(cè)試期間就需要開始檢測(cè)，用以驗(yàn)證基礎(chǔ)電路的穩(wěn)定運(yùn)行，較為復(fù)雜的通信功能驗(yàn)證就需要設(shè)計(jì)較為復(fù)雜的測(cè)試用例。用例的設(shè)計(jì)要考慮到檢測(cè)操作方便開展，還要考慮到檢測(cè)能覆蓋隔離控制器的所有功能。檢測(cè)結(jié)果可以用表格的形式詳細(xì)記錄，以便事后開展分析，幫助系統(tǒng)的后續(xù)改進(jìn)。下面以隔離控制器的功能驗(yàn)證為例，給出用例設(shè)計(jì)和實(shí)施的具體案例。一、用例設(shè)計(jì)1.系統(tǒng)固件燒寫和運(yùn)行最簡(jiǎn)單的用例莫過于閃爍一盞LED燈，這一用例用于驗(yàn)證隔離控制器的編程接口能順利工作，驗(yàn)證隔離控制器主控部分穩(wěn)定工作。使用隔離控制器的編程接口，將設(shè)計(jì)好的測(cè)試程序?qū)懭肟刂破?，斷開編程器的連接，將12V電源接入隔離控制器的V+和V-接口端子，實(shí)現(xiàn)隔離控制器的上電運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)主芯片PA0管腳上連接的雙色LED燈紅色引腳每隔500ms切換電平狀態(tài)，使得紅色指示燈每秒閃爍一次。課堂思考如指示燈未能按預(yù)期閃爍，如何排查故障？2.系統(tǒng)指示燈測(cè)試隔離控制器中針對(duì)7路輸入和8路輸出分別設(shè)計(jì)了15路獨(dú)立的指示燈，可以設(shè)計(jì)一個(gè)用例來測(cè)試該15路指示燈是否能準(zhǔn)確工作，這樣可以有利于利用這些指示燈為后面測(cè)試輸入輸出端口服務(wù)。2.系統(tǒng)指示燈測(cè)試將隔離控制器主芯片所接入的15路指示燈依次點(diǎn)亮熄滅，形成流水燈的效果，為便于觀察，將這些指示燈按輸入端口和輸出端口的序號(hào)排列閃爍；輸入端口為PA12、PC8、PB15、PB12、PB10、PA6、PA1；輸出端口為PA8、PC7、PB14、PB11、PB0、PA5、PC3、PC2。這里應(yīng)當(dāng)注意到，指示燈的順序并非依照芯片端口序號(hào)排列，測(cè)試該用例時(shí)應(yīng)當(dāng)按照PCB布板時(shí)LED的排列順序來測(cè)試。具體電路設(shè)計(jì)如圖8-6所示。3.輸入端口測(cè)試隔離控制器有七路輸入接口，需要設(shè)計(jì)合適的用例用于測(cè)試七路輸入接口是否能滿足功能需求。將隔離控制器的七路輸入接口端子分別和GNDS端子短接，當(dāng)主控芯片檢測(cè)到輸入接口的電平變化，對(duì)應(yīng)指示燈亮起或熄滅。3.輸入端口測(cè)試隔離控制器上的對(duì)外接口如圖8-7所示，其中七路輸入接口分別是DI0_CON到DI6_CON。4.輸出端口測(cè)試隔離控制器有八路輸出接口，需要設(shè)計(jì)合適的用例用于測(cè)試八路輸出接口是否能滿足功能需求。在圖8-7中DO0_CON到DO7_CON為八路輸出接口。4.輸出端口測(cè)試設(shè)計(jì)合適的固件程序，實(shí)現(xiàn)八路輸出端子依次輸出有效信號(hào)，各路輸出間隔1秒，循環(huán)往復(fù)，每路輸出有效電平時(shí)，對(duì)應(yīng)指示燈點(diǎn)亮，利用萬用表二極管檔測(cè)試各路輸出與GND信號(hào)的短路情況。5.RS485通信測(cè)試隔離控制器對(duì)外通信接口采用RS485，測(cè)試該接口是否能有效通信，需要有配合的收發(fā)設(shè)備，通常開發(fā)用計(jì)算機(jī)不會(huì)帶有RS485的接口，因此需要USB轉(zhuǎn)RS485的轉(zhuǎn)換器來配合測(cè)試。隔離控制器的對(duì)外接口中，如圖8-7所示，標(biāo)識(shí)為RS485A_CON和RS485B_CON的接口為RS485通信的AB信號(hào)線。5.RS485通信測(cè)試設(shè)計(jì)合適的固件程序，實(shí)現(xiàn)隔離控制器RS485接口的回顯測(cè)試，測(cè)試時(shí)首先將測(cè)試程序燒寫進(jìn)隔離控制器，隨后在測(cè)試計(jì)算機(jī)上插入U(xiǎn)SB轉(zhuǎn)RS485的轉(zhuǎn)換器。測(cè)試計(jì)算機(jī)利用串口調(diào)試助手等工具進(jìn)行RS485接口測(cè)試，串口調(diào)試軟件有很多種，不同操作系統(tǒng)下都有類似功能的工具，如圖8-8所示為開源的CuteCom軟件。5.RS485通信測(cè)試此類串口調(diào)試軟件均類似，部分軟件提供較為豐富的功能，這里只用到其基礎(chǔ)功能，串口發(fā)送和接收。在使用這類軟件進(jìn)行通信測(cè)試時(shí)，一般需要先設(shè)定好工作參數(shù)，常用參數(shù)有串口設(shè)備名稱、波特率、數(shù)據(jù)位、停止位、奇偶校驗(yàn)、流控等，這些參數(shù)可以根據(jù)測(cè)試用的固件來設(shè)定，大致的參數(shù)設(shè)置如圖8-9所示：5.RS485通信測(cè)試測(cè)試時(shí)可依據(jù)需要設(shè)定好發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的格式，選擇字符形式或HEX形式。在這里設(shè)計(jì)的測(cè)試?yán)讨?，通過串口調(diào)試助手將字符數(shù)據(jù)發(fā)送給隔離控制器，控制器在收到數(shù)據(jù)后，會(huì)講數(shù)據(jù)回送出來，此時(shí)將會(huì)在串口調(diào)試助手的接收窗口中顯示回送回來的數(shù)據(jù)，其和之前發(fā)送的數(shù)據(jù)是一致的。RS485接口的數(shù)據(jù)回顯測(cè)試能驗(yàn)證隔離控制器通信電路的正常工作。課堂思考當(dāng)通信測(cè)試時(shí)沒有返回任何信息，需要考慮哪些可能的問題？如返回內(nèi)容和預(yù)期不符，需要考慮哪些問題？6.協(xié)議命令測(cè)試隔離控制器在使用時(shí)對(duì)外通信接口使用RS485，通信協(xié)議部分借鑒modbusrtu形式，利用設(shè)計(jì)好的通信協(xié)議可以控制讀取隔離控制器的各路輸入端口狀態(tài)和設(shè)置各路輸出端口狀態(tài)。這里給出的測(cè)試固件參考了ADAM4150的操作指令，RS485接口工作在9600波特率、8位數(shù)據(jù)位、1位停止位、無奇偶校驗(yàn)、無流控，協(xié)議和常用的標(biāo)準(zhǔn)MODBUS有細(xì)微的差異，具體可參考如下的指令說明。6.協(xié)議命令測(cè)試（1）控制指令（繼電器控制：功能碼為05）。開啟：01050013FF007DFF。具體字節(jié)格式如表8-1所示：設(shè)備碼功能碼地址高位地址低位輸出開CRC低位CRC高位01050013FF007DFF6.協(xié)議命令測(cè)試（1）控制指令（繼電器控制：功能碼為05）。關(guān)閉：0105001300003C0F。具體字節(jié)格式如表8-2所示：設(shè)備碼功能碼地址高位地址低位輸出關(guān)CRC低位CRC高位0105001300003C0F6.協(xié)議命令測(cè)試設(shè)備碼是隔離控制器在RS485總線上的設(shè)備編號(hào)，RS485總線要求所有接入總線的設(shè)備都有唯一的編號(hào)，這里使用01作為設(shè)備編號(hào)，在實(shí)際使用中可以根據(jù)需要修改固件來設(shè)定不同的編號(hào)，當(dāng)然也可以在固件中加入相關(guān)功能實(shí)現(xiàn)用戶設(shè)置自定義編號(hào)。功能碼05在MODBUS協(xié)議中表示寫單個(gè)線圈，這里單個(gè)線圈就對(duì)應(yīng)一路輸出端口；地址就是輸出端口的編號(hào)，如地址為0x0010對(duì)應(yīng)隔離控制器的DO0，0x0011對(duì)應(yīng)隔離控制器的DO1，以此類推。6.協(xié)議命令測(cè)試輸出開0xFF00表示在輸出端口輸出“閉合”信號(hào)，隔離控制器中該輸出端口會(huì)實(shí)現(xiàn)和信號(hào)地的短接；輸出關(guān)0x0000表示在輸出端口輸出“斷開”信號(hào)，隔離控制器中該輸出端口會(huì)實(shí)現(xiàn)和信號(hào)地的斷路。CRC校驗(yàn)碼用于對(duì)控制指令前面字節(jié)的校驗(yàn)，讀者可自行使用第三方的CRC16校驗(yàn)工具來計(jì)算其值，也可使用如下的在線工具進(jìn)行計(jì)算。如下網(wǎng)址的頁面提供了多種CRC校驗(yàn)的服務(wù)：https://www.lammertbies.nl/comm/info/crc-calculation6.協(xié)議命令測(cè)試有關(guān)CRC校驗(yàn)的相關(guān)知識(shí)讀者可自行查找相關(guān)資料，這里進(jìn)行校驗(yàn)的多項(xiàng)式為CRC16_MODBUS：x16+x15+x2+1（0x8005），初始值0xFFFF，低位在前，高位在后，結(jié)果與0x0000異或。端口開啟指令和端口關(guān)閉指令被隔離控制器接收后，隔離控制器會(huì)返回應(yīng)答指令，如果控制指令被成功執(zhí)行，應(yīng)答指令將原樣返回所接收到的控制指令。6.協(xié)議命令測(cè)試（2）獲取狀態(tài)指令(獲取設(shè)備狀態(tài)值：功能碼為01)發(fā)送獲取狀態(tài)指令請(qǐng)求具體字節(jié)格式如表8-3所示：設(shè)備碼功能碼地址高位地址低位讀取數(shù)量CRC低位CRC高位0101000000077DC86.協(xié)議命令測(cè)試（2）獲取狀態(tài)指令(獲取設(shè)備狀態(tài)值：功能碼為01)發(fā)送獲取狀態(tài)指令請(qǐng)求具體字節(jié)格式如表8-3所示。這里設(shè)備碼是隔離控制器在RS485總線上的設(shè)備編號(hào)；功能碼01在協(xié)議中表示讀取輸入端口狀態(tài)；指令中的地址指的是第一個(gè)待讀輸入端口的地址；讀取數(shù)量指待讀取輸入端口的數(shù)量；CRC校驗(yàn)碼用于對(duì)指令中前面字節(jié)的校驗(yàn)設(shè)備碼功能碼地址高位地址低位讀取數(shù)量CRC低位CRC高位0101000000077DC86.協(xié)議命令測(cè)試隔離控制器在收到該請(qǐng)求指令時(shí)，會(huì)將對(duì)應(yīng)輸入端口的狀態(tài)返回給查詢方。響應(yīng)獲取狀態(tài)指令請(qǐng)求的具體字節(jié)格式如表8-4所示。設(shè)備碼功能碼位數(shù)端口二進(jìn)制表達(dá)（高位補(bǔ)0）CRC低位CRC高位0101010C518D6.協(xié)議命令測(cè)試響應(yīng)指令中的位數(shù)指的是端口狀態(tài)需要多少字節(jié)的二進(jìn)制表達(dá).如7路輸入端口，則需要一個(gè)字節(jié)的空間，最高的第8位補(bǔ)0；如果需要讀取9路輸入端口，則需要兩個(gè)字節(jié)來存放狀態(tài)信息，同時(shí)高位需要補(bǔ)7個(gè)0。隔離控制器中有7路輸入，實(shí)際使用一個(gè)字節(jié)就夠了。對(duì)于7路輸入端口，在響應(yīng)指令中，二進(jìn)制表達(dá)的比特位某一端口的狀態(tài)，1表示端口開啟，0表示端口關(guān)閉。二、用例實(shí)施1.固件燒寫和運(yùn)行固件燒寫需要配合一定的工具，可以使用SWD接口完成程序固件的下載運(yùn)行，隔離控制器的燒寫接口是如圖8-10所示的牛角座。1.固件燒寫和運(yùn)行接口中除了編程用的SWD信號(hào)線外，還包括了串口通信線，接口的信號(hào)排序如圖8-11所示。1.固件燒寫和運(yùn)行在利用接口下載固件程序時(shí)，按照SWD的信號(hào)規(guī)范，實(shí)際只需要使用SWD、CLK、GND三根信號(hào)線就可以，但市場(chǎng)上能購買到與此接口匹配的下載調(diào)試器，該下載器的數(shù)據(jù)接口與此處的10針接口完全匹配，因此直接使用10P的排線會(huì)更加方便，所用下載器如圖8-12所示。1.固件燒寫和運(yùn)行下載的軟件工具可以采用J-Link編程工具，可在其官方主頁下載，其網(wǎng)址為/downloads/jlink/1.固件燒寫和運(yùn)行在安裝好J-Link軟件后，可以使用其組件中的J-FlashLite來進(jìn)行固件下載，其啟動(dòng)時(shí)的說明對(duì)話框如圖8-14所示。1.固件燒寫和運(yùn)行J-FlashLite可以用于固件文件的下載，固件文件可以是bin后綴的二進(jìn)制映像文件，也可以是hex后綴的二進(jìn)制文件，區(qū)別在于hex文件中多了地址信息，如使用bin文件，需要額外說明下載的目標(biāo)地址，這里給讀者提供測(cè)試用的hex文件。J-FlashLite的運(yùn)行時(shí)需要先指定目標(biāo)芯片的型號(hào)，這里可以選擇隔離控制器的主控芯片STM32F103R8，接口選擇SWD，如圖8-15所示。1.固件燒寫和運(yùn)行設(shè)定好參數(shù)后，點(diǎn)擊“OK”按鈕可以進(jìn)入工作界面，在此界面中選擇待燒寫的hex文件，點(diǎn)擊“EraseChip”按鈕可以擦除芯片程序，擦除現(xiàn)有程序后點(diǎn)擊“ProgramDevice”按鈕可以將準(zhǔn)備好的hex文件寫入芯片，完成后在Log窗口部分會(huì)顯示相應(yīng)的提示信息。其工作界面如圖8-16所示。1.固件燒寫和運(yùn)行在將測(cè)試用hex文件寫入芯片后，可以將隔離控制器復(fù)位或重新上電，如此完成后，可以觀察隔離控制器的工作狀態(tài)判斷是否符合設(shè)計(jì)制作要求。市場(chǎng)上有很多支持SWD接口的編程設(shè)備，大多都可以很好地完成固件下載工作，但在選購和使用時(shí)要注意其接口線序；STM32芯片也支持串口IAP編程，但需要操作芯片部分功能管腳的電平信號(hào)配合，這里還是推薦使用SWD接口完成隔離控制器的固件下載測(cè)試。2. 結(jié)果記錄和分析依據(jù)前文所設(shè)計(jì)的測(cè)試用例開展功能測(cè)試，測(cè)試結(jié)果需要有必要的記錄，可以設(shè)計(jì)相應(yīng)的表格來記錄結(jié)果，當(dāng)出現(xiàn)功能與預(yù)期不吻合的情況，需要依據(jù)原理圖、PCB圖進(jìn)行測(cè)量分析，在實(shí)際工作中，有可能是電路設(shè)計(jì)的原因，也可能是電路加工的原因，此外，也有很大的可能是固件程序設(shè)計(jì)的原因。2. 結(jié)果記錄和分析在隔離控制器的設(shè)計(jì)制作案例中，由于固件程序已經(jīng)經(jīng)過檢驗(yàn)，基本可以排除固件程序的錯(cuò)誤，電路設(shè)計(jì)的參考電路也是經(jīng)過驗(yàn)證的；電路原理圖繪制、PCB布線時(shí)的錯(cuò)誤需要仔細(xì)排查，焊接加工也有可能出現(xiàn)虛焊或短路也需要利用相關(guān)儀器仔細(xì)檢查；電路板的裸板加工由于工藝較為成熟，不大可能出現(xiàn)加工失誤；最后如果不能確定問題，則要考慮元件的質(zhì)量問題。3. 問題的解決首次動(dòng)手進(jìn)行電路的設(shè)計(jì)制作，不可避免會(huì)出現(xiàn)很多疏漏的地方，在測(cè)試過程中要仔細(xì)排查問題出