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24G有源RFID节点定位系统可靠性测试的设计与实现pdf

归档日期:08-11       文本归类:运行剖面      文章编辑:爱尚语录

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  独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方 外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为 获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示谢意。 作者签名: 日期: 年 月 日 论文使用授权 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定,有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘, 允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 (保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 作者签名: 导师签名: 日期: 年 月 日 摘要 摘 要 随着无线通信技术的发展和人们对无线通信的需求依赖日渐加强,许多部队、 政府部门、研究院和企业都需要对室内人员、重要资产进行有效的安全监控管理。 而对于常用在室内定位领域的嵌入式系统来说,一旦失效将给社会带来巨大生命 财产损失,因此如何提高嵌入式软件的可靠性成了学术界普遍关注的焦点。但由 于嵌入式软件的特殊性,对其进行测试时仍然存在很多问题和挑战。 本论文对2.4GHz 有源RFID 节点定位系统的可靠性测试进行了深入的研究, 并设计实现了一套针对该定位系统的可靠性测评工具,主要研究内容如下: 1.介绍2.4GHz 有源RFID 节点定位系统的读写器和标签软件层次架构,以及 嵌入式软件的特点。分析嵌入式软件可靠性的基本理论、测试方法和步骤,比较 嵌入式软件测试与通用软件测试的区别。 2.对2.4GHz 有源RFID 节点定位系统可靠性测试进行总体设计,由系统可靠 性测试整体框架制定测试流程。本文将该系统可靠性测试分成三大块:管理控制 子系统、嵌入式测试子系统、可靠性评价子系统,介绍每个子系统的内部功能模 块以及子系统间的逻辑关系。制定系统可靠性测试指标体系,划分测试范围。 3.设计实现2.4GHz 有源RFID 节点定位系统可靠性测评工具。提出基于运行 剖面的测试模型,并构造针对该系统可靠性的运行剖面。根据可靠性指标体系设 计测试场景,自动化生成测试用例并执行测试。分析测试结果,进行可靠性评估, 并生成可靠性测试报告。 本文在已有的测试理论的基础上,首次提出了针对2.4GHz 有源RFID 节点定 位系统的可靠性测试方法,并实现了从测试模型选择、指标设定、测试用例自动 生成到评价体系建立的测试流程。为测试人员提供了一个实用、易操作、集成扩 展性好的可靠性测试工具,也改善了嵌入式系统软件测试工具落后于理论研究的 现状,为嵌入式系统软件测试的研究提供了参考。 关键词:RFID ,嵌入式软件,可靠性测试工具,运行剖面,测试用例 I ABSTRACT ABSTRACT With the development of wireless communication technology and the demand for wireless communications rely increasingly strengthened, many forces , government departments , research institutes, and enterprises need on the indoor staff , an important asset for effective security monitoring and management. For commonly used in the field of indoor positioning embedded systems, the social event of failure will bring huge losses of life and property. How to improve the reliability of embedded software has become the focus of widespread concern academia. However, due to the special nature of embedded software, there still are many problems and challenges for testing. In this thesis, the reliability test on 2.4GHz active RFID nodes positioning system conducted in-depth research. Designed and implemented a tool for the reliability assessment of the positioning system. The main contents are as follows: 1. Introduces reader and tag software architecture of 2.4GHz active RFID nodes positioning system and the features of embedded software. We analyzed the basic theory, testing methods, and procedures of embedded software reliability, comparing the differences between embedded software testing and generic embedded software testing. 2. In this thesis, the reliability test on 2.4GHz active RFID nodes positioning system were overall design. Develop testing process by the overall framework of system reliability. System reliability test will be divided into three fields: management and control subsystem, embedded test subsystem, reliability evaluation subsystems. We introduce internal function modules and logical relationship between each subsystem, developing reliability testing index system, dividing the test range. 3. Designed to achieve a reliability evaluation tool of 2.4GHz active RFID nodes positioning system. Proposed test model based on operational profile, and construct operational profile for this system reliability . According to the reliable index system design test scenarios, test cases and test execution automation to generate.Finally, we analyze the test results, assess the reliability of the system and generates reliability test report. On the basis of existing testing theory, the thesis first proposed method for the reliability test on 2.4GHz active RFID nodes positioning system. Meanwhile, the thesis realized from the test model selection, target setting, automatic generation of test cases II ABSTRACT to evaluation system testing process. Specialized in the integration and expansibility, we provides a practical reliability testing tool that easy to operate for testers. The research has improved the status that embedded system software testing tools behind theoretical study, and providing a reference for the research of embedded system software test. Keywords: RFID, embedded software, reliability testing tools, operational profile, test case III 目录 目 录 第一章 绪 论 1 1.1 课题背景及意义 1 1.2 国内外相关领域研究动态 2 1.2.1 软件测试概述 2 1.2.2 嵌入式软件可靠性测试发展 3 1.3 论文主要研究内容 6 1.4 本文组织结构 7 第二章 RFID 定位系统介绍及嵌入式软件可靠性测试基础 8 2.1 定位系统软件层次结构 8 2.1.1 读写器软件架构 8 2.1.2 标签软件架构 9 2.2 嵌入式系统软件11 2.2.1 嵌入式软件开发 12 2.2.2 嵌入式系统软件的特点 13 2.3 嵌入式软件可靠性测试理论 14 2.3.1 嵌入式软件测试 15 2.3.2 嵌入式软件可靠性度量 21 2.3.3 嵌入式软件可靠性评价 22 2.4 本章小结 23 第三章 RFID 节点定位系统可靠性测试总体设计 24 3.1 测试需求分析与运行环境 24 3.1.1 功能需求 24 3.1.2 运行环境 25 3.2 RFID 节点定位系统可靠性测试整体架构 25 3.2.1 管理控制子系统 26 3.2.2 嵌入式测试子系统 28 3.2.3 可靠性评价子系统 30 3.3 可靠性测试流程与命令结构体 30 3.3.1 定位系统可靠性测试流程 30 IV 目录 3.3.2 主要命令结构体 32 3.4 可靠性指标体系设计 33 3.5 本章小结 35 第四章 RFID 节点定位系统可靠性测试与评价工具的详细设计与实现 37 4.1 管理控制子系统 37 4.1.1 运行剖面设计 37 4.1.2 用例/场景设计 40 4.1.3 XML 测试用例语言研究与实现 44 4.2 嵌入式测试子系统 48 4.2.1 测试流程与测试命令 48 4.2.2 插桩测试的设计 50 4.3 可靠性评估子系统 51 4.3.1 数据可靠性误差分析 51 4.3.2 系统MTBF 参数估计 53 4.3.3 Weibull 函数模型评估 54 4.4 本章小结 55 第五章 测试执行与结果分析 56 5.1 测试前准备 56 5.1.1 定位数据采集 56 5.1.2 建立通信连接 58 5.2 剖面构建与用例生成 59 5.2.1 运行剖面配置 59 5.2.2 生成测试用例 61 5.3 测试执行 65 5.3.1 符合性测试. 65 5.3.2 成熟性测试和容错性测试 67 5.4 结果分析与可靠性评估 67 5.4.1 测试数据结果分析 67 5.4.2 可靠性评估 69 5.5 本章小结 70 第六章 结束语 72 6.1 工作总结 72 V 目录 6.2 未来展望 73 致 谢 74 参考文献 75 攻硕期间取得的研究成果 78 VI 第一章 绪论 第一章 绪 论 1.1 课题背景及意义 嵌入式系统是一种微型化的计算与控制系统,该类系统集成于受控设备的内 部,使用者可以通过它来对受控设备进行监测与控制。它把这些现代化技术带到 了应用领域,在促进信息产业和传统产业的互动与融合,提高信息技术和信息服 务对传统产业的改造,促进信息化带动工业化,使我国走上新型工业化道路的进 程以及保障国家信息安全和经济安全、增强国防实力等方面都具有重要的战略意 义。 随着嵌入式系统中软件所占的比例日趋增大,系统失效的原因越来越多地由 嵌入式软件的错误所造成。这些年在嵌入式系统的研究发展中,采用了许多前沿 的物联网技术与电子信息技术,使得嵌入式设备的性能发生了天翻地覆的改变。 但是在对嵌入式系统进行软件开发的过程中,由于种种原因导致的系统软件故障, 不仅对嵌入式系统硬件的研究与探索产生阻碍,而且有时甚至会对人民的财产和 安全造成严重损失。目前当务之急是如何提高嵌入式系统软件的质量。因此必须 增加嵌入式系统的软件测试——尤其是可靠性方面的方法研究——占软件开发总 工作量的比重。 作为嵌入式系统大家族中的一份子,射频识别(RFID ,Radio Frequency Identification )系统占据着不可或缺的地位。20 世纪中叶后,无线通信技术不断发 展,极大推动了社会的发展,尤其是近年来,人们对无线通信的需求和依赖日渐 加强。RFID 是一种无线通信技术,利用射频信号通过空间耦合(交变磁场或电磁 场)读取物品信息,实现无光学或物理接触而自动识别,被认为是21 世纪最具前 途的IT 技术之一。早在1948 年,哈里斯托克曼发表的“利用反射功率的通信”[1] 奠定了射频识别技术的理论基础。从上世纪八十年代RFID 技术初步实现商业化, 到今天射频识别技术的各行业大规模应用;从早期的技术探索、实验研究,到现 在的建立理论、制定标准,射频识别技术已经经历了半个多世纪的发展。如今, 射频识别技术因其具有数据量大、抗干扰能力强、识别速度快、费用低等优点, 被广泛应用到多领域。 随着有源RFID 定位需求的日益增加,基于2.4GHz 有源RFID 节点定位系统 的可靠性研究在嵌入式软件测试技术中是一个很有价值的领域。目前关于这一领 域的可靠性测试在行业内还几乎处于空白阶段,没有一个指导性的国标或军标对 RFID 定位系统的可靠性提供规范的测试方法和评估准则。因此本课题创新性地结 1 电子科技大学硕士学位论文 合现有的嵌入式软件可靠性测试理论和运行剖面模型,设计一套针对2.4GHz 有源 RFID 节点定位系统的可靠性测试方法。用户可以根据实际场景来设置剖面权重配 比,这样分配可以根据不同的使用需求有针对性的向相关指标一侧倾斜。本课题 的研究对未来利用RFID 进行室内定位、物资管理和人员考勤管理等的开发和保障 RFID 定位系统的可靠性方面具有重要意义。 1.2 国内外相关领域研究动态 1.2.1 软件测试概述 自从计算机作为强大的计算工具在上世纪中出现以来,程序的编制与程序的 测试课题就同时摆在人们面前。不过早期的计算机运行可靠性差,当时使用计算 机的突出矛盾是元器件质量不高,工作不稳定。不幸的是这一情况又和运行有毛 病的程序交织在一起,令人十分为难。计算程序得不到正确结果,不容易分辨是 计算机本身的问题,还是程序编写的问题。然而,这两者的性质毕竟是完全不同 的,必须分别加以研究解决。后来的实践表明,元器件的质量在若干年后有了很 大的提高,而程序的质量问题相比之下显得不是那么尽如人意。 追溯到上世纪50 年代,计算机之父、人工智能奠基者Alan Mathison Turing[2] (阿兰·麦席森·图灵)曾经就软件测试给出了初始定义,他认为:“测试是正 确性确认的试验方法的一种极端形式”。早期的测试是对机器语言而言,后来是 汇编语言程序;测试方式是输入特殊值或用例,执行测试代码,比较测试结果与 预期结果是否一致。在测试用例的设计上,采用随机选取为主,结合使用场景和 测试人员的经验判断,在用户比较看重的测试点上有所倾斜。50 年代后,用高级 语言编写的系统渐渐成为软件测试的主角。但是在那个时候测试并没有受到很大 的重视,而且随机选取输入的测试数据也不是很有效果,因此软件测试理论方法 研究进展迟缓。当时在一些实际的科研项目与工程中,除了对主要的模块进行测 试外,其他程序的测试大多是有欠缺的。一旦程序运行起来,这些错误或许不会 马上暴露出来,但潜在隐患算是埋下了,也许在不可预知的未来某时刻出现了失 误,将对人民造成无法估量的损失。早年用来探测火星的运载火箭的爆炸,对空 防御系统的误判目标,这些都是因为代码中的一点不起眼的小失误造成的,现在 已成为人们谈论测试的笑柄。 测试工作在当时考虑不足的另一个重要原因是开发者的心理障碍。在开发者 看来,软件开发的最终目标是让系统运行并完成所有预定的功能,这是一项富有 成就感和刺激感的使命。因此,当这种使命经过辛勤付出最后完成时,他们不愿 意别人质疑自己的程序。正如Myers[3]所说:“人们把软件测试看成是设法从程序 2 第一章 绪论 中找错的破坏性过程。”测试与开发作为一对矛盾的对立面,在当时成为测试方 法研究的阻碍,使得测试技术的发展进展缓慢。70 年代以后,人们对测试有了新 的认识,渐渐理解了测试在软件开发中的重要性,同时随着一些测试工具上市, 软件测试发展得以推动。 虽然测试手段和测试方法并非很有效率,但在软件开发的过程中必须要有软 件测试的参与,因为开发者要向用户证明软件功能的正确性和完整性。随着时间 来到80 年代,测试理论和方法的研究已经逐渐取得一些成果。80 年代初,在美国 UNC 召开了一次在软件测试行业被人们称为里程碑式的会议。该会议系首次关于 探讨软测技术的正式会议,是聚焦软件质量检测与开发的第一次论坛。 现如今,软件测试在理论、方法、过程和测试工具等方面的研究取得了大量 的进展。这不仅使得软件的质量有了基本的保证,也使得软件测试的工作量占到 了软件开发总工作量的40% 以上,测试的地位自此上升到了空前的高度。 1.2.2 嵌入式软件可靠性测试发展 上个世纪70 年代,人们就开始研究嵌入式系统的可靠性,但早期的研究仅仅 在于可靠性的建模和模型选择等理论上。90 年代后,在嵌入式领域从理论研究逐 步走向实际应用,嵌入式产品日新月异。由于硬件发展趋于稳定,而嵌入式系统 故障却日益突出,因此,嵌入式软件的重要性逐渐引起人们的关注。越来越多的 人意识到嵌入式软件的可靠性测试势在必行。现在,嵌入式系统的符合性、成熟 性、稳定性研究已经在建模、设计场景、搭建平台等多个方面取得了一些成果。 1.2.2.1 嵌入式软件可靠性概述 首先来介绍一下嵌入式软件的可靠性测试(ESRT )。ESRT 是指在综合系统 运行时检测系统的软件是否达到可靠性、稳定性或成熟性的要求而对该综合系统 [4] [5] 软件部分进行验证 。因此,ESRT 也被称为动态测试或运行测试。ESRT 的方法 通常有两种:a )根据用户需求和使用场景,模拟嵌入式系统的实际运行工作环境 搭建软件的测试平台。同时,模拟嵌入式平台与上位操作机的接口通信和命令帧 协议,在一个几乎真实的环境下执行可靠性测试;b )将嵌入式软件从硬件环境中 独立出来,在宿主机上开发一系列模拟器来仿真嵌入式集成环境,使得 ESRT 能 够在宿主机上进行。研究可靠性测试涉及建模、设计用例、搭建平台等多个方面, 许多嵌入式系统的可靠性测试都已经成功地使用了这些方法。Whittaker 、J.A 等人 [6]提出衡量嵌入式软件的可靠性不能只考虑软件的符合性和实时性,还应当考虑软 件的成熟性、稳定性以及运行剖面模型的设计合理规范等诸多方面。 3 电子科技大学硕士学位论文 1.2.2.2 嵌入式软件可靠性模型 为了评估软件可靠性,上世纪70 年代Shooman、Jelinski 、Moranda 等人就开 始研究软件可靠性建模,主要原理是对测得的失效或错误数据建立模型。根据对 失效数据的趋势分析,选择合适的模型,估计失效强度。现如今已有的可靠性模 型有很多,表1-1 给出了根据趋势选择可靠性模型的参考对照。 表1- 1 根据趋势选择模型 序号 失效趋势 可靠性估计模型选择 1 可靠性增长 J-M 模型、G-O 模型、M-O 模型[7] 2 可靠性下降 选择允许失效强度上升的模型 3 可靠性先降后升 Yamada 、Ohba[8] 、Osaki S 模型 4 可靠性稳定 HPP 、失效时间服从指数分布的模型[9] 其实软件可靠性建模的途径除了以上几种外,还有许多可行思路,比如利用 神经网络,覆盖率,复杂度,模糊理论等建模。 针对嵌入式软件可靠性的研究,至今仍然沿用现有的模型,即存在于软件生 命后期对软件运行进行符合性、成熟性、稳定性、容错性等综合评价,没有嵌入 式系统可靠性的专用模型。然而对嵌入式系统进行可靠性评估,不能完全沿用现 有的模型,因此需要更深入地研究特殊针对系统的专用可靠性评估。 1.2.2.3 嵌入式软件可靠性测试环境 软件仿真测试是嵌入式系统测试阶段一种比较常用的方法,仿真测试环境是 一种支持模拟真实运行场景测试方法的自动化测试平台,其对软件进行全面可靠 性测试提供了有用工具。尽管当前软件仿真测试环境种类多样,但支持嵌入式软 件测试的仿真测试平台很少。有些通用的环境在特定情境下可以支持嵌入式软件 测试,例如个人计算机在有些时候可以支持 x86 架构的嵌入式软件测试。这些通 [10] [11] [12] [13] 用环境有 SITE 、PROTEST Ⅱ 、TAOS 、CITE 等。但是这些环境资源的 分配毕竟不是针对嵌入式软件测试的,不能对嵌入式软件进行完整的测试,所以 [14] 嵌入式软件的可靠性选择这些平台环境来测试不是很合适 。 从功能演化和结构发展上看,系统的可靠性测试仿真平台逐渐从专用型向通 用型转变。之前的测试平台专用性太强,多数是专门针对某一种或某一类嵌入式 设备,主要是系统研发人员自主设计开发用来检测系统设备的。后来为了缩短测 试环境的开发周期和满足更广泛的测试需求,人们希望设计出一种能适用大多数 嵌入式软件测试需求的测试平台,因此,通用嵌入式测试平台越来越受到人们重 4 第一章 绪论 视。这种平台最有代表性的有以下几个:ABS2-SIB[15] 、RT-LAB/ATB[16] 、Verified ’s RT-Tester[17] 、GESTE[18] 。 后来随着人们对仿真测试平台的深入研究,他们渐渐发现不可能做到真正意 义上的通用。由于嵌入式系统的种类繁多、结构各异,他们的差异使得对应的测 试平台也不可能完全相同,而这些差异也许会对测试系统产生不利的影响。因此, 需要根据嵌入式系统的结构特征有针对性地开发合适的仿线 嵌入式软件可靠性测试用例 测试用例是为验证系统的某方面特性而设计的一组测试数据、使用场景、实 施方案以及期望值。测试用例设计理念是为了检验某代码路径或验证某特殊功能 的使用场景输入数据生成。因此,选择测试用例也可以依据开发前期的设计需求 手册,手册中的软件设计流程和逻辑对用例的制定有很大的帮助。测试用例设计 框架图如图1-1 所示。 软件缺陷 业务知识掌握 自动化测试用例筛选 手工测试 回归测试用例 测试用例移植 测试用例 测试知识库 测试人员绩效 测试策略 测试需求 图1-1 测试用例设计框架图 其中最权威的用例生成方法是 J.D.Musa[19]提出的,他认为测试用例可以根据 运行剖面的构建以及每层剖面的权重配比来设计。近年来人们使用最多的测试用 例方法就是以Musa 的运行剖面方法为基础的。测试用例的设计和可靠性评估的准 [20] 则都是以运行剖面的模型为依据,所以运行剖面的构建方法研究 成为数据生成 和测试建模的前提。 如何从构建的运行剖面模型中设计适合嵌入式系统可靠性使用场景的用例, 国际上至今没有标准的方法。自上世纪70 年代至今,国内外已经开始对嵌入式系 [21] 统的软件可靠性方面进行研究并取得了卓越的成绩 。尤其是近二十年来,各国 5 电子科技大学硕士学位论文 [22] 科学家和测试人员从多个方面系统完整地研究可靠性测试方法 ,包括建模、搭 建平台、设计测试用例等。尽管如此,对嵌入式软件的可靠性测试的研究还远远 不够,由于嵌入式系统的多样化,在例如本课题2.4GHz 有源RFID 节点定位系统 领域的可靠性测试则是空白,这也是本文所要研究的内容。 1.3 论文主要研究内容 本论文是在与成都九洲集团合作项目 “海军2.4GHz 大容量有源RFID 标签系 统”的支持下进行的。本文主要围绕该嵌入式系统的可靠性测试展开,针对当前 嵌入式系统软件可靠性测试工具实现所面临的主要问题,填补关于 2.4GHz 有源 RFID 节点定位系统可靠性测试领域的空白,在以下几个方面做了重点研究: 1)研究嵌入式系统软件可靠性的特征。主要包括:2.4GHz 有源RFID 节点定 位系统的硬件环境、软件层次架构,嵌入式系统软件的特征及开发。分析嵌入式 系统软件可靠性的特点、测试模型、测试步骤以及与通用软件测试的区别。 2 )制定2.4GHz 有源RFID 节点定位系统的测试流程。大致介绍被测系统的测 试需求和软硬件运行环境后,本文根据系统的特点将测试分为三个子系统:管理 控制子系统、嵌入式测试子系统、可靠性评估子系统。整个测试将遵照该流程步 骤来进行,其中的每个模块各自独立又相互依存。 3 )设计定位系统可靠性指标体系。根据定位算法的特点以及嵌入式系统对符 合性、稳定性、成熟性、容错性的要求,制定一套针对2.4GHz 有源RFID 节点定 位系统的可靠性指标。指标分符合性、成熟性、容错性三个方面来归纳该系统测 试的可靠性内容。 4 )构建运行剖面模型,设计测试用例,为系统可靠性评估提供依据。本文将 根据用户系统场景及其使用方式来构建针对2.4GHz 有源RFID 节点定位系统可靠 性测试的运行剖面,结合系统特点将剖面设为四个步骤:客户剖面、用户剖面、 可靠性剖面、运行剖面。使用用例建模来描述系统需求,通过用例规格说明(基 本流和备选流的组合)描述各种可能发生的用例场景。测试最后的可靠性评估部 分需要使用剖面模型的权重配比和用例场景数据来为系统进行可靠性评价。 5 )设计实现2.4GHz 有源RFID 节点定位系统的可靠性测试工具。将前文介绍 的测试理论和测试方法应用于该测试工具中,工具将包含前面所述的各个模块功 能,用户根据实际使用需求对测试参数进行设置,按照测试流程对被测系统进行 可靠性测试,测试的最后工具会对被测系统给出一个相对有参考价值的可靠性评 价。 6 第一章 绪论 1.4 本文组织结构 本文共分为六章,各章节内容安排如下: 第一章,本章首先阐述了RFID 定位测试的重要性和研究意义,然后介绍了软 件测试的发展和业界对嵌入式软件可靠性的研究进展,为后续阐明本文主要的研 究内容做好铺垫。 第二章,介绍2.4GHz 有源RFID 节点定位系统的软件层次结构,以及嵌入式 软件可靠性测试理论。本文首先对被测系统结构做大致描述,接着简要概述嵌入 式软件及特点,并对其测试的特征、步骤以及与通用软件测试的区别做详细对比, 最后总结嵌入式系统软件可靠性的度量指标与可靠性评估方法。 第三章,设计分析2.4GHz 有源RFID 节点定位系统的可靠性测试的总体框架。 明确测试需求,并简单介绍定位软件在嵌入式平台的运行环境。本文将该系统的 可靠性测试分为管理控制、嵌入式测试和可靠性评价三个子系统,分别介绍每个 子系统的功能以及它们之间存在的关系。制定针对该系统的可靠性测试流程,规 范测试的执行过程,并设计可靠性指标体系,为系统的测试内容提供范围和依据。 第四章,2.4GHz 有源RFID 节点定位系统可靠性测试工具的详细实现。工具 将按照划分的三个子系统分别进行实现。首先是管理控制子系统,构造运行剖面, 设计场景用例,将测试数据生成用XML 文档保存和解析。其次是嵌入式测试子系 统,根据指标体系和用例来实现对应需在读写器和标签上完成的操作,桩模块的 插入可以有效地监视嵌入式系统的实时运行情况。最后是可靠性评估子系统,依 据剖面配比权值和场景用例设计预估值给测试结果进行评估,置信区间选取用样 本方差代替总体方差来构造总体参数估计区间的方法,介绍一种MTBF 参数估计 法。 第五章,使用该可靠性测试工具对2.4GHz 有源RFID 节点定位系统进行测试 执行和结果分析。本章节实际上是对上一章设计实现的可靠性测试工具进行测试, 检验工具最后的使用效果能否对系统可靠性起到指导性的评价。 第六章,结束语,对本文所做的工作进行总结,并提出下一步的工作重点和 研究方向。 7 电子科技大学硕士学位论文 第二章 RFID 定位系统介绍及嵌入式软件可靠性测试基础 本章首先描述2.4GHz 有源RFID 节点定位系统的读写器与标签的软件层次以 及工作流程,其次介绍嵌入式系统软件的开发及系统特征,接着阐述软件的测试 特点、测试模型、测试步骤以及与通用软件测试的区别,最后介绍嵌入式软件可 靠性的度量指标和可靠性评估方法。 2.1 定位系统软件层次结构 读写器与标签是2.4GHz 有源RFID 节点定位系统中的两个核心组成部分。读 写器完成对PC 控制端发来命令的解析和执行,对标签的盘点、定位、文件操作等, 以及命令帧的管理。标签收到读写器发来的指令,执行测试代码并根据需要返回 执行情况。下面就来介绍一下读写器和标签的软件架构。 2.1.1 读写器软件架构 读写器在整个2.4GHz 有源RFID 节点定位系统中的地位举足轻重,其扮演的 角色相当于一个命令帧和数据帧的通信枢纽。读写器首先从PC 控制端通过串口协 议接收命令帧,收到后将帧解析,根据解析出来的命令类型判断是哪类命令,如 盘点、定位、读写文件等。接着将命令封装为空口协议序列通过CC2520 射频模块 发送给标签并等待标签回复。最后收到标签发来的空中接口回复帧,解析后通过 串口协议返回到PC 控制端显示给用户。 从逻辑功能上看,读写器可以分为PC 命令接口、本地存储、解析与执行、空 口协议帧、RF 管理等几大模块。PC 控制端接口模块把收到的由PC 控制端发来的 命令保存在本地的命令队列里,待执行完命令后向PC 控制端返回命令执行情况。 PC 命令解析模块负责对缓冲队列中的命令帧进行拆包,获取帧结构里的命令类型 及参数。对标签所有操作均在空中接口协议模块中完成,此模块遵照国标 GB/T28925-2012 中的2.45GHz 频段空中接口协议。本地存储模块在读写标签数据 时提供暂时存储区域,同时存储安全协议相关数据。RF 管理模块实现底层RF 收 发协议、射频模块管理及其状态维护。 为了使程序结构更加清晰,在读写器程序总体设计框架中加入了freeRTOS 实 时操作系统,这样各任务模块之间相互独立,可以并行开发。 8 第二章 RFID 定位系统介绍及嵌入式软件可靠性测试基础 CMD 接口系统 安全接入系统 RFID 通信协议层 AES/ECC 加密模块 freeRTOS 操作系统 FAT 文件系统 硬件驱动层 LPC17XX 标准库函数层 硬件抽象层 射频模块 调试端口 PC 命令端口 SPI 闪存 (CC2520) 图2-1 读写器软件构架 如图2-1 所示,读写器软件构架的顶层是与PC 控制端通信的命令接口层,接 收PC 机发来的命令并解析。第二层是AES/ECC 加密模块和RFID 通信协议层, 负责对通信数据进行加密及传输。第三层是操作系统层,其中加入了FLASH 芯片 文件系统,加密模块需要的密钥以及读写数据都以文件的形式存储在这一层,而 freeRTOS 提供任务调度与同步处理。操作系统层以下是硬件驱动层,如CC2520 RF 模块驱动、SPI 存储器底层驱动等。再往下是LPC17XX 系列Cortex-M3 微控制器 的 CMSIS[23]软件接口标准。最下层就是对应的硬件抽象层和外设,分别有 SPI FLASH 存储器接口、RF CC2520 射频模块、PC 命令接口、调试接口等。 2.1.2 标签软件架构 [24] 标签系统采用了分层结构设计,总共分为五层 ,由下而上分别为硬件、固 件层、驱动层、协议层、应用层。标签软件框架如图2-2 所示。标签设备根据逻辑 层次可以由上往下分为应用层、协议层、驱动层、固件层与硬件层。应用层为具 体业务逻辑的实现。该层用于解析各类顶层协议内容,并根据阅读设备发送的命 令来执行相应的逻辑动作。该层建立于协议层之上。协议层由文件系统与安全协 9 电子科技大学硕士学位论文 议解析层两个部分组成。文件系统组件对标签设备存储器内数据进行文件化管理, 并为应用层提供相应的访问接口;安全协议解析层则负责对经过安全处理的通信 帧(在本系统中,该类型帧为经过AES-128 算法进行加密的通信帧)进行拆解与 解密,并将结果对应用层进行反馈。协议层各类动作的实现由驱动层进行保障。 驱动层包括了驱动标签设备上各功能模块的具体实现,内含用于铁电存储器的 Fram 驱动,用于串行总线通信的UART 驱动,用于内部时序控制的Timer 驱动, 用于外部IO 接口控制的GPIO 驱动以及用于射频通信的CC2520 驱动等。这一类 驱动通过系统的固件层对各设备进行直接操作,并为协议层提供各设备驱动接口。 固件层为标签设备软件系统的最底层,用于提供与嵌入式处理器之间的的各类原 子驱动与通信,该层由硬件厂家(由于标签设备采用了LPC1758 处理单元,故该 层由NXP 公司所提供)开发,为驱动层操控底层硬件提供了接口与通道。 应 用 协议应用层 层 协 安全协议层 议 文件系统 层 链路层 驱 FRAM UART Timer GPIO LED 蜂鸣器 CC2520 动 驱动 驱动 驱动 驱动 驱动 驱动 驱动 层 固 件 LPC17XX Cortex-M3 CMSIS STD Library 层 硬 件 NXP LPC1758 FM25H20 CC2520 图2-2 标签软件架构 根据GB/T 28925-2012 标准2.45GHz 频段空口协议的要求,标签在上电后总 共有五个状态:休眠状态、侦听状态、就绪状态、工作状态、灭火状态。其中工 作模式下又有四个阶段:仲裁阶段、收集阶段、会话阶段、安全会线 第二章 RFID 定位系统介绍及嵌入式软件可靠性测试基础 在每一种状态下完成的工作内容不同,根据读写器发来的指令或自身定时器超时 进行状态切换。 上电 休眠

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