基于B/S模式的嵌入式系统测试方法与实现

陈 娟1，2，李 元1，李万国1

(1.北京航空航天大学 机械工程及自动化学院，北京100083；

2．宇航智能控制技术国家级重点实验室，北京100854)

摘 要：针对分布式测试系统的研发需求，综合网络通信技术、数据库技术以及嵌入式技术等构建了一种基于B/S（Browser/Server）模式的嵌入式测试系统。通过移植Web服务器Boa、轻量级数据库SQLite、网络时钟同步协议NTP（Network Time Protocol），实现了一个完整的测试系统。系统前台采用实时图形化Web页面显示，使用Ajax异步数据传输与后台进行数据通信，实现了页面局部动态刷新，优化人机交互过程。测试系统通过局域网实验验证，取得了良好的效果，符合预期目标，为今后研发基于B/S模式的嵌入式分布式测试系统打下基础，具有一定的参考价值。

0 引言

伴随数字信息技术高速发展，嵌入式系统设备数量已经远超过通用计算机，后PC时代已经到来。嵌入式系统设备广泛服务于网络通信、消费电子、工业控制、测控等多个领域。

嵌入式技术在测试领域应用日益成熟，但由于其具体应用场合不同，难以形成统一的软件开发框架。吕国勇、史祥龙等人分析了Ajax异步交互、CGI(Comment Gateway Interface)通用网关在嵌入式系统中的应用^[1-2]，从而减轻了服务器的负担，提高了客户端与服务器之间的交互速度。刘利枚、周鲜成等人对嵌入式软件测试系统的设计与实现进行了探索，提出了一种实用的嵌入式软件动态测试系统的结构框架^[3]。蔡勇、王勇等人基于嵌入式数据库SQLite3.0技术设计了测控系统，分析了嵌入式数据库的特点和关键技术，着重研究了应用方式和移植方法^[4]。张振、王小宁等人对嵌入式Web服务器Boa的移植与应用进行了研究，并实现了其在控制领域的远程管理^[5]。本文在前人的技术基础上进行综合、扩展，提出了一套较为成熟的基于B/S测控模式的嵌入式软件架构，并对其中软件的实现及移植过程进行了较为全面的探讨和总结，最终提供一套具体可行的实现方案。

1 整体结构

系统采用B/S软件架构模式，Server端为嵌入式测试系统，具备Web服务和数据库存储能力，Browser端为符合W3C的标准浏览器。

用户通过Web页面登录至服务器后发出配置、测试等控制命令；Server响应用户的请求，调用对应的CGI服务程序，并采用Ajax异步数据传输的方式将测试结果动态返回至用户Web页，前端采用波形曲线、指针等多种形式展现数据。

1.1 硬件结构

系统硬件结构分为4个部分：嵌入式测试系统、交叉编译系统、被测对象配电器和时钟同步系统。嵌入式测试系统采用ARM11-S3C6410处理器，操作系统内核为Linux2.6.3.8。交叉编译系统与嵌入式测试系统通过NFS(Network File System)网络文件系统、TFTP（Trivial File Transfer Protocol）文件传输协议、串口通信等协议来进行系统调试、程序传输以及与下位机进行通信。嵌入式测试系统继电器模块、AD转换模块与被测对象配电器通过两条通信电缆相连，系统产生激励并读取配电器返回的测试结果。嵌入式测试系统通过NTP协议与外部的时钟服务器同步，可为今后扩展为分布式测试系统提供统一时钟校对服务。系统硬件结构如图1所示。

1.2 软件结构

测试系统软件采用B/S架构模式，软件分为3层结构进行设计。整个结构分为上层、中间层和底层3部分：上层为用户接口界面，负责接受用户指令、显示动态数据等；中间层由Web服务器和数据库构成，负责提供Web服务、数据存储等功能；底层由硬件驱动程序、测试应用程序构成，提供底层函数调用。

2 功能及实现

根据上文所述硬件结构、软件架构，设计并实现测试系统的各部分功能。以下就本设计的关键模块进行详细说明。系统功能模块设计如图2。

2.1 用户界面设计

用户界面设计主要分为4个功能模块：用户身份验证模块、测试设备基本信息浏览与配置模块、动态数据查看模块和历史数据浏览模块。

用户身份验证模块加强了系统安全性，分为普通用户和管理员两种权限模式。基本信息浏览模块与配置模块将调用底层CGI程序获取设备基本信息，如服务器IP地址、客户端IP地址、主机名称、内核版本等信息；动态数据显示模块采用开源的Flot Javascript插件，将数据以数字、仪表、曲线多种方式来呈现。前台与后台数据交换采用了Ajax异步通信技术来实现动态更新页面；历史数据查看模块调用后台数据库历史数据后采用Ajax异步通信更新前端页面，并自动生成CVS格式的历史数据文件，用户下载后可用于数据分析。

2.2 Web服务器、数据库设计

为构建B/S模式测试系统，系统必须具备提供Web服务能力和实验数据管理能力。本节详细介绍服务器和数据库的实现过程。

2.2.1 嵌入式Web服务器设计

目前在嵌入式设备中常用的Web服务器有Boa、thttpd、Mini_httpd等，同等硬件条件下，Boa显示出更快的处理速度，内存需求小，能耗低，支持CGI脚本程序。

主要移植步骤如下：(1)编译源码，生成ARM架构下可执行文件Boa。(2)修改服务器配置文件相关参数：DocumentRoot（测试页面文档路径）、ScriptAlias（测试CGI脚本路径）。

图3为服务器文件部署目录，在boa.conf中更改参数如下：DocumentRoot/Testwww；ScriptAlias/cgi-bin/ /Testwww/CGIScripts/。Pages目录主要部署HTML网页文件、JavaScript脚本文件；CGIScripts目录部署CGI脚本程序，包括数据库查询脚本、数据测试脚本、获取设备基本信息脚本等；DataTbls目录主要存储数据库文件，包括历史数据表、用户密码数据表、设备基本信息表。分类目录设计更利于文档的编辑和管理。

2.2.2 嵌入式数据库设计

嵌入式设备中常用的数据库有mSQL、SQLiteDB等。经对比选择开源数据库SQLiteDB，它支持数据库大小为2 TB，足够小，全部代码250 KB，比目前流行的大多数数据库对数据的操作要快。

移植步骤如下：(1)编译源码包生成可执行文件目录。(2)将编译生成的bin、include、lib目录通过NFS文件系统复制至对应嵌入式文件系统下。

根据需求分析设计数据库实体对象，分为用户实体、设备基本信息实体、历史数据测试信息实体，最终设计对应的数据表。图4给出用户实体E-R图。

2.3 CGI、Ajax异步通信设计

为了加强系统页面与用户的动态交互性，本系统采用CGI与Ajax的解决方案。使用CGI技术在服务器端发布动态网页，与Ajax的XMLHttpRequest组件进行数据交互，实现了动态Web功能，使网页局部自动刷新，无须手动更新网页。这是本系统前台与后台数据通信的主要方式。

工作流程如下：(1)用户通过Web浏览器访问嵌入式服务器中部署好的测试页面，服务器响应浏览器请求，返回内嵌有JavaScript脚本的Web页面。(2)浏览器解析返回页面代码并显示，执行内嵌的JavaScript脚本程序。(3)用户在浏览器输入的数据首先由JavaScript程序预处理，然后通过XMLHttp Request对象向服务器发出异步请求。服务器解析请求参数后调用底层相应驱动程序进行测试或存取数据库，并将获取的数据以XML格式返回给浏览器。(4)浏览器通过responseXML方法获得数据，然后通过DOM文档对象模型来更新用户界面。

2.4 测试系统时钟同步设计

以上讨论的是单测试系统组网情况，而B/S架构可搭建分布式测试系统。在分布式系统中, 常常需要一个全局时间, 用来确定系统中各种事件发生的先后、协调各种消息的传输、控制和监视系统的状态，这就需要对系统中各个部件进行时钟同步，保障局部时间统一。

2.4.1 网络时间同步协议

常用的网络时间同步协议主要有NTP(Net Work Protocol)、SNTP(Simple Net Work Protocol)以及PTP(Precision Time Protocol)等，表1为三者综合比较。

考虑协议的同步时间精度及其实现的难易度，决定采用NTP作为测试网络中的时钟同步协议。NTP时间同步模式分为4种：客户端/服务器模式、对等体模式、广播模式、组播模式。系统采用客户端/服务器模式。

2.4.2 设计方案

首先构建测试网络，采用一台Windows7操作系统的主机作为时钟源服务器，两台嵌入式测试设备作为被同步对象。3个节点由路由器连接，构成局域测试网络。

其次配置时钟源服务器、移植NTP协议至嵌入式测试设备。(1)对于Windows时钟服务器只需更改注册表相应参数，使其对外提供NTP服务。(2)嵌入式测试系统将作为NTP协议的Client，首先需要移植NTP协议。其次在配置文件ntp.conf中添加语句server 192.168.1.131，根据具体IP参数设置时钟服务器的IP地址。(3)将嵌入式系统ntpd设置为开机自启动服务，在/etc/init.d/rcS添加如下语句：ntpdate 192.168.1.131；/etc/init.d/ntpd。首先ntpdate将行一次时间校正，以防止服务器和客户端时间误差太大导致ntpd更新失败，然后启动ntpd服务，该服务每隔64 s会自动更新一次时间，在局域网条件下时钟同步误差范围为1~10 ms之间。

3 实验结果及分析

使用浏览器登录B/S模式嵌入式测试系统。图6为测试数据实时显示页面，左侧为动态数字显示，并且对异常数据用颜色标识提示，右侧为仪表显示方式，以更加直观的方式查看数据。图7为波形图表显示页面，直观显示数据随时间变化趋势。

4 结束语

本文通过基于嵌入式B/S模式测试系统的构建以及基于ARM平台的测试程序设计，对其中的服务器搭建、数据库配置、前后台数据传输方式以及未来多测试子系统组网的时钟同步问题进行了详细的阐述。从底层数据采集到数据存储以及上层数据显示都较好地完成了配电器测试任务，最终提出了一套可行的构建嵌入式测试系统方案。本文研究对未来实现B/S模式的分布式远程测控系统打下了良好基础，具有一定的参考价值。

参考文献

[1] 吕国勇，史祥龙.基于嵌入式Linux和Ajax技术的Web异步交互设计[J].计算机应用，2013，33：247-251.

[2] 王宝忠，马成.基于CGI技术的嵌入式动态Web的研究与实现[J].电子设计工程，2012，20(18)：161-163.

[3] 刘利枚，周鲜成，石彪.嵌入式软件测试系统的设计与实现[J].国外电子测量技术，2008，27(1)：59-61.

[4] 蔡勇，王勇.嵌入式数据库SQLite在测控系统设计中的应用[J].电子测试，2011(10)：89-93.

[5] 张振，王晓宁，张元.嵌入式Web服务器移植与测试[J].电子设计工程，2010，18(6)：1-3.