基于FPGA仿真模擬技術(shù)的智能電能表軟件可靠性測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

杜蜀薇，趙兵，孔令達(dá)，岑煒

（1.國家電網(wǎng)公司，北京100031；2.中國電力科學(xué)研究院，北京100192）

0 引 言

隨著用電信息采集系統(tǒng)的全面建設(shè)，大量智能電能表已投入到現(xiàn)場應(yīng)用中。截至2016年末，全國范圍內(nèi)已累計(jì)安裝智能電能表4億多只，每年新增智能電能表安裝數(shù)量達(dá)6 000萬只，智能電能表的安全可靠管理問題一直是電力部門深切關(guān)注的問題［1-4］。目前，智能電能表供應(yīng)商數(shù)量已經(jīng)達(dá)到100多個(gè)，規(guī)模有大有小，設(shè)計(jì)能力參差不齊，智能電能表投入運(yùn)行的數(shù)量又極其龐大。如此大規(guī)模的智能電能表投運(yùn)后，其運(yùn)行可靠性對(duì)電力企業(yè)的經(jīng)營效益和社會(huì)形象影響非常大。

智能電能表現(xiàn)場運(yùn)行數(shù)據(jù)表明，依據(jù)已有技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行的常規(guī)功能性檢測雖然在一定程度上確保了智能電能表的供貨質(zhì)量，但無法排除其在典型環(huán)境下的潛在軟件隱性故障。這些故障一旦發(fā)生，就是同一軟件批次的所有智能電能表的批量故障，所引發(fā)的后果將不堪設(shè)想，在給電力公司帶來經(jīng)濟(jì)損失的同時(shí)，也損害了用戶的切身利益。因此，亟需深入研究智能電能表軟件可靠性測試技術(shù)，提高智能電能表軟件成熟度和可靠性，減少智能電能表運(yùn)行故障［5］。

FPGA技術(shù)具有使用靈活、高數(shù)據(jù)處理能力、高運(yùn)行速度和高可靠性等技術(shù)優(yōu)勢，已廣泛應(yīng)用于航空航天［6］、軍事［7-8］、通信和交通［9］等領(lǐng)域中。目前，智能電能表主要由MCU、計(jì)量單元、存儲(chǔ)單元、安全單元等部件組成，大多數(shù)功能都是通過嵌入式軟件來實(shí)現(xiàn)的［10-11］。為了驗(yàn)證智能電能表嵌入式軟件的可靠性，設(shè)計(jì)了一種基于FPGA仿真模擬技術(shù)的智能電能表軟件測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用FPGA技術(shù)，通過模擬智能電能表各功能芯片的運(yùn)行工況，通過觀察MCU對(duì)模擬板的操作實(shí)現(xiàn)智能電能表的軟件可靠性測試。

1 FPGA在智能電能表軟件測試中的技術(shù)優(yōu)勢

FPGA是一種新型的半定制邏輯電路，其功能由內(nèi)部規(guī)則排列的邏輯單元陣列（Logic Cell Array）實(shí)現(xiàn)。邏輯單元陣列內(nèi)部主要由可配置邏輯模塊（Configurable Logic Block）、輸入輸出模塊（Input Output Block）和內(nèi)部連接模塊（Interconnect Block）3部分組成。FPGA最大的優(yōu)點(diǎn)在于它具有可重復(fù)編程、邏輯功能模塊和I／O模塊配置比較方便靈活等特性，能夠進(jìn)行系統(tǒng)重構(gòu)，有效實(shí)現(xiàn)用戶需要的功能［12］。

FPGA支持不同的編程方式，用戶可以根據(jù)不同的配置模式，通過存放在片內(nèi)RAM中的程序來設(shè)置工作狀態(tài)。因此，F(xiàn)PGA應(yīng)用比較方便靈活，并且與ARM相比，具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力和較高的運(yùn)行速度［13］。

在智能電能表軟件測試過程中，需要上位機(jī)測試軟件通過ARM對(duì)智能電能表外圍模擬芯片進(jìn)行信息配置并寫入故障。但是，如果ARM在和上位機(jī)測試軟件進(jìn)行信息交互的同時(shí)，也與被測智能電能表MCU進(jìn)行信息交互，其處理速度的實(shí)時(shí)性將會(huì)嚴(yán)重降低，甚至引起測試失效。FPGA具有使用靈活、高數(shù)據(jù)處理能力、高運(yùn)行速度和高可靠性的技術(shù)優(yōu)勢，因此，可采用FPGA的硬件邏輯來實(shí)現(xiàn)外圍器件的仿真需求，是可行性較高的方案［14］。

2 基于FPGA仿真模擬技術(shù)的軟件測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智能電能表軟件可靠性測試系統(tǒng)主要由主機(jī)測試軟件、模擬測試板和MCU核心板組成。智能電能表軟件可靠性測試系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.2 主機(jī)測試軟件設(shè)計(jì)

圖1 智能電能表軟件可靠性測試系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)Fig.1 Logical structure of smartmeter software reliability testing system

智能電能表軟件測試系統(tǒng)主機(jī)測試軟件在設(shè)計(jì)時(shí)盡量保持各個(gè)模塊的獨(dú)立性，在設(shè)計(jì)模式上采用MVC（Model View Controller，模型-視圖-控制器模式）框架，將用戶界面與數(shù)據(jù)層分離，使用控制層連接用戶界面和數(shù)據(jù)層，這樣使得系統(tǒng)易于維護(hù)，開發(fā)效率相對(duì)更高。主要包括軟件測試數(shù)據(jù)庫、軟件測試管理、Socket通信和功能模擬測試等模塊，其邏輯架構(gòu)如圖2所示。

圖2 上位機(jī)測試軟件邏輯結(jié)構(gòu)Fig.2 Logical structure of host computer testing software

其中，軟件測試數(shù)據(jù)庫主要用于存儲(chǔ)測試用例和參數(shù)配置信息等。測試管理模塊主要包括測試信息導(dǎo)入、功能顯示／配置、自動(dòng)腳本編譯、測試狀態(tài)及結(jié)果顯示和測試日志／報(bào)告管理等模塊，主要完成各類測試信息配置、測試腳本編譯及管理功能，如芯片的選擇、測試方案的選擇與配置、各通信接口的選擇等。Socket通信模塊主要用于完成測試軟件與模擬測試板的通信。功能模擬測試模塊主要根據(jù)實(shí)際測試需求，通過FPGA模擬各類型芯片功能，完成實(shí)際軟件測試［15］。

以Socket通信模塊為例，智能電能表軟件測試系統(tǒng)主機(jī)測試軟件通信過程設(shè)計(jì)思路如下：

在測試軟件架構(gòu)中，界面操作是主線程，通過功能按鈕觸發(fā)數(shù)據(jù)管理線程，數(shù)據(jù)管理線程判斷應(yīng)與哪個(gè)端口進(jìn)行通信，收發(fā)的是哪種類型的數(shù)據(jù)。建立收／發(fā)兩個(gè)線程，與各個(gè)測試板建立連接（循環(huán)），將建立連接的通信套接字的服務(wù)器端IP端口保存到通信列表里，之后所有向服務(wù)器端發(fā)送的Socket信息都從這個(gè)列表中取出發(fā)送，如圖3所示。

圖3 Socket通信模塊工作原理Fig.3 Working principle of socket communication module

在多線程通信過程中，主線程建立消息管理隊(duì)列實(shí)現(xiàn)線程管理，與數(shù)據(jù)庫連接實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存取和數(shù)據(jù)分頁顯示。界面設(shè)計(jì)運(yùn)用C#中的winforms控件完成，界面主題采用頁簽（tabpage）的形式來展示不同的測試模塊，分別為：總體配置頁、計(jì)量芯片單元、存儲(chǔ)芯片單元、時(shí)鐘芯片單元、安全芯片單元、紅外／485單元、負(fù)載開關(guān)單元、電流電壓檢測單元、通信連接頁。

2.3 MCU核心板設(shè)計(jì)

MCU核心板和模擬測試板是智能電能表軟件可靠性測試系統(tǒng)的核心器件。MCU核心板相當(dāng)于被測對(duì)象，由被測試廠家按照規(guī)范要求加工制作并注入實(shí)際運(yùn)行的智能電能表程序。

2.4 模擬測試板設(shè)計(jì)

模擬測試板包括模擬監(jiān)控板ARM和芯片模擬板FPGA，使用可編程語言分別模擬仿真計(jì)量芯片、存儲(chǔ)芯片、時(shí)鐘芯片等，實(shí)現(xiàn)智能電能表的軟件測試。模擬仿真過程采用雙端口方式，其中一個(gè)端口模擬實(shí)現(xiàn)芯片的原有功能，另一個(gè)端口將芯片的狀態(tài)信息和響應(yīng)信息實(shí)時(shí)傳送給控制單元進(jìn)行軟件測試與分析。接口A是主機(jī)測試軟件和模擬測試板之間的接口，采用以太網(wǎng)接口，模擬測試板為服務(wù)端；接口B是模擬測試板內(nèi)部模擬監(jiān)控板ARM與芯片模擬板FPGA之間的接口；接口C是模擬測試板與MCU核心板之間的接口［16-17］。

芯片模擬板FPGA主要包括I2C總線內(nèi)核、仲裁選擇、三總線、SRAM存儲(chǔ)控制、SRAM芯片、修改芯片內(nèi)容、讀取操作指令和寄存器等功能模塊。仲裁選擇模塊與I2C總線內(nèi)核、三總線模塊、SRAM存儲(chǔ)控制模塊和SRAM芯片依次進(jìn)行信息交互；修改芯片內(nèi)容模塊分別與SRAM存儲(chǔ)控制模塊和寄存器模塊連接；讀取操作指令模塊分別與SRAM芯片和寄存器模塊連接，并與SRAM存儲(chǔ)控制模塊和寄存器模塊進(jìn)行信息交互。

3 測試系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)原理

在軟件測試過程中，模擬監(jiān)控板ARM通過接口A接收主機(jī)測試軟件發(fā)送的指令，同時(shí)通過接口B與測試模擬板FPGA進(jìn)行信息交換，完成測試軟件要求的操作。MCU核心板通過接口C對(duì)芯片模擬板FPGA進(jìn)行信息交互，模擬智能電能表對(duì)芯片的功能操作。智能電能表軟件測試系統(tǒng)工作原理如下：

（1）模擬電能表對(duì)EEPROM的讀寫操作

通過I2C總線內(nèi)核接收MCU核心板發(fā)送的串行時(shí)鐘信號(hào)、串行數(shù)據(jù)信號(hào)及寫保護(hù)信號(hào)，I2C總線內(nèi)核根據(jù)I2C協(xié)議將接收的數(shù)據(jù)信號(hào)解析為通信地址、傳輸數(shù)據(jù)及讀寫控制信號(hào)；仲裁選擇模塊接收I2C總線內(nèi)核發(fā)送的請求信號(hào)，進(jìn)行片選，使對(duì)應(yīng)的I2C總線內(nèi)核將通信地址、傳輸數(shù)據(jù)及讀寫控制信號(hào)發(fā)送至三總線模塊；三總線模塊通過SRAM存儲(chǔ)控制模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)SRAM的讀寫操作。

（2）讀取操作指令

讀取操作指令模塊由操作指令控制子模塊和操作指令FIFO（First Input First Output，先入先出）子模塊兩部分組成，操作指令控制子模塊讀取SRAM存儲(chǔ)器控制模塊內(nèi)的數(shù)據(jù)、地址、讀寫控制等信息，并按照一定的協(xié)議組合成一條完整的操作指令，發(fā)送至操作指令FIFO子模塊。由于FIFO滿足先入先出的排序方式，因此操作指令可按執(zhí)行操作的先后順序存入操作指令FIFO子模塊。當(dāng)寄存器模塊接收到模擬監(jiān)控板ARM發(fā)送的讀取操作指令信號(hào)后，讀取相應(yīng)的操作指令，再發(fā)送至模擬監(jiān)控板ARM，實(shí)現(xiàn)讀取操作指令功能。

（3）芯片故障模擬

芯片故障模擬的主要思路是通過改變芯片內(nèi)特定地址的數(shù)據(jù)來模擬現(xiàn)場復(fù)雜工況引發(fā)的現(xiàn)象。測試系統(tǒng)通過ARM發(fā)送修改芯片內(nèi)容指令至寄存器模塊，寄存器模塊按協(xié)議解析接收的指令，將數(shù)據(jù)、地址、寫控制等信息經(jīng)過修改芯片內(nèi)容模塊發(fā)送至三總線模塊，再通過SRAM存儲(chǔ)控制模塊將修改的數(shù)據(jù)寫入對(duì)應(yīng)的地址。在執(zhí)行芯片故障寫入過程中，需屏蔽由I2C內(nèi)核寫入該地址的功能，以免ARM修改的數(shù)據(jù)被MCU核心板寫入的數(shù)據(jù)覆蓋。同時(shí)，ARM可通過寄存器模塊將數(shù)據(jù)、地址、讀控制信息發(fā)送至三總線模塊，經(jīng)過SRAM存儲(chǔ)控制模塊讀取SRAM對(duì)應(yīng)地址的數(shù)據(jù)，以檢驗(yàn)故障是否成功寫入。

（4）芯片信息配置

寄存器模塊按協(xié)議對(duì)ARM發(fā)送的配置芯片信息指令進(jìn)行解析，再發(fā)送至I2C內(nèi)核中，然后由I2C配置芯片數(shù)量，修改芯片地址位數(shù)并配置芯片的存儲(chǔ)容量。

3.2 系統(tǒng)測試流程

在智能電能表軟件可靠性測試過程中，首先要對(duì)被測的智能電能表嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行信息配置，由于不同的電能表廠家、同廠家不同型號(hào)的電能表都有不同的測試需求，因此需要有個(gè)性化的測試策略來配合。主機(jī)測試軟件作為服務(wù)端通過以太網(wǎng)將配置信息下發(fā)到模擬測試板，模擬測試板收到信息并配置成功后開始軟件測試。軟件測試過程如圖4所示。

智能電能表軟件可靠性測試過程描述如下：

（1）啟動(dòng)測試軟件，用戶登陸測試系統(tǒng)；

（2）主機(jī)測試軟件向模擬測試板發(fā)送通信連接請求，若連接成功，系統(tǒng)進(jìn)入配置頁面，若失敗，重新發(fā)起連接請求；

（3）檢測人員確定送檢樣表型號(hào)，在數(shù)據(jù)庫中匹配廠商信息（若是初次測試，錄入電能表信息，將配置信息保存至數(shù)據(jù)庫中；若不是初次測試，直接調(diào)用數(shù)據(jù)庫中的電能表配置信息）；

（4）向模擬測試板發(fā)送配置信息，模擬測試板判斷是否配置成功，若成功，返回“配置成功”提示信息，若失敗，返回“重新發(fā)送配置信息”提示；

（5）信息配置成功后，進(jìn)入各功能模塊測試頁面，用編寫好的測試用例進(jìn)行軟件測試；

（6）測試完成后，生成測試報(bào)告并將相關(guān)信息存入系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中。

圖4 軟件測試流程Fig.4 Software testing process

4 測試系統(tǒng)性能驗(yàn)證

為了驗(yàn)證智能電能表軟件測試系統(tǒng)的性能，分別選擇24家智能電能表生產(chǎn)廠商的26塊單、三相智能電能表分別開展測試系統(tǒng)性能驗(yàn)證試驗(yàn)和智能電能表軟件可靠性驗(yàn)證試驗(yàn)。其中，測試系統(tǒng)核心功能測試結(jié)果如表1所示。

表1 測試系統(tǒng)驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Test result of software reliability testing system

選用計(jì)量參數(shù)出錯(cuò)恢復(fù)機(jī)制測試、計(jì)量校表參數(shù)EEPROM內(nèi)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤測試、計(jì)量芯片有效脈沖測試、扣費(fèi)機(jī)制測試、時(shí)鐘同步測試、EEPROM越界測試等測試用例進(jìn)行了10次軟件可靠性測試。測試結(jié)果如表2所示。

表2 智能電能表軟件測試結(jié)果Tab.2 Test result of smartmeter software

通過測試結(jié)果分析，基于FPGA仿真模擬技術(shù)的智能電能表測試系統(tǒng)可測試出不同廠家的智能電能表在極限情況下出現(xiàn)的如電能表參數(shù)錯(cuò)誤未修復(fù)；修復(fù)時(shí)間過長；少計(jì)量或計(jì)量偏差、掉電脈沖尾數(shù)丟失、事件記錄EEPROM越界等深度軟件可靠性問題。

這些問題在常規(guī)測試中，缺陷是觸發(fā)不出來的。若這些缺陷未測出，在現(xiàn)場幾年或更長時(shí)間的運(yùn)行過程中，可能出現(xiàn)因異常事故的發(fā)生或現(xiàn)場各種環(huán)境的干擾導(dǎo)致智能電能表軟件運(yùn)行故障發(fā)生，這些故障將會(huì)給智能電能表正常計(jì)量、結(jié)算或運(yùn)行帶來隱患，產(chǎn)生電費(fèi)糾紛等事件。

5 結(jié)束語

為了有效驗(yàn)證智能電能表的軟件可靠性，防止大批量智能電能表故障發(fā)生，文章首先分析了FPGA技術(shù)在智能電能表軟件測試中的應(yīng)用需求，從軟、硬件兩方面設(shè)計(jì)了一種基于FPGA仿真模擬技術(shù)的智能電能表軟件可靠性測試系統(tǒng)。在該測試系統(tǒng)中應(yīng)用FPGA模擬各類型芯片，實(shí)現(xiàn)了智能電能表軟件的快速準(zhǔn)確可靠性測試。之后，選取不同的測試樣本對(duì)基于FPGA仿真模擬技術(shù)的智能電能表軟件可靠性測試系統(tǒng)進(jìn)行了性能驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果表明：基于FPGA仿真模擬技術(shù)的智能電能表測試系統(tǒng)可測試出不同廠家的智能電能表在極限情況下存在電能表參數(shù)錯(cuò)誤未修復(fù)或修復(fù)時(shí)間過長、少計(jì)量或計(jì)量不準(zhǔn)確、掉電脈沖尾數(shù)丟失、事件記錄EEPROM越界等深度軟件可靠性問題，有效提高了智能電能表軟件的成熟度和可靠性，減少了其批量運(yùn)行故障隱患。