單片機(jī)測試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲和管理
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引言
在自動化測試領(lǐng)域里，單片機(jī)測試系統(tǒng)憑借其成熟的應(yīng)用體系，簡單的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及優(yōu)良的性價比得到了越來越廣泛的應(yīng)用。近年來，隨著新的測試對象不斷出現(xiàn)，以及測試手段的不斷發(fā)展，測試系統(tǒng)的功能越來越完善，各種應(yīng)用場合對測試系統(tǒng)的要求也日益提高。現(xiàn)在的大多數(shù)測試系統(tǒng)不僅要完成工業(yè)現(xiàn)場的實時測控任務(wù)，同時還要進(jìn)一步實現(xiàn)對測試數(shù)據(jù)的實時處理和保存。以往在一般的單片機(jī)測試系統(tǒng)中，信息的存儲量并不大，系統(tǒng)只須用較少的資源就能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲。但是隨著存儲芯片技術(shù)的不斷發(fā)展，適用于單片機(jī)系統(tǒng)的存儲芯片已經(jīng)可以在掉電保護(hù)的情況下保存上百KB甚至幾MB的數(shù)據(jù)；同樣，目前的單片機(jī)測試系統(tǒng)也面臨動輒處理并保存上千條乃至近萬條測試數(shù)據(jù)的問題。這對一般的缺少操作系統(tǒng)支持的單片機(jī)測試系統(tǒng)來說，是一項相當(dāng)復(fù)雜的工作，因而目前的測試系統(tǒng)往往只能針對具體數(shù)值對象進(jìn)行處理，對大量采集數(shù)據(jù)采取簡單的順序存儲方式。顯然，這種方法缺少靈活性，不利于單片機(jī)測試系統(tǒng)處理大量測試數(shù)據(jù)，限制了測試系統(tǒng)在這方面的發(fā)展。
本文主要針對處理測試數(shù)據(jù)量較大的一類測試系統(tǒng)，討論測試數(shù)據(jù)的存儲和管理問題。這類測試系統(tǒng)往往由抗干擾能力較強(qiáng)的單片機(jī)和大容量、掉電保護(hù)的存儲芯片組成，同時配有高精度數(shù)字式傳感器；造價便宜，性能穩(wěn)定，適合工作在工業(yè)現(xiàn)場，保存和處理大量測試數(shù)據(jù)，有的甚至能夠與上位機(jī)組成測控網(wǎng)絡(luò)完成更為復(fù)雜的測試任務(wù)。本文將介紹一種應(yīng)用于單片機(jī)測試系統(tǒng)的鏈?zhǔn)酱鎯Ψ绞剑軌蛟诠I(yè)現(xiàn)場進(jìn)行實時測控的同時，實現(xiàn)對大量測試數(shù)據(jù)的保存和管理，在實際應(yīng)用中取得了良好的效果。
大容量單片機(jī)測試系統(tǒng)中的存儲結(jié)構(gòu)
在大多數(shù)自動測試系統(tǒng)中，測試數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)一般都會遵循線性邏輯關(guān)系，即數(shù)據(jù)元素在時間或者空間順序上只分先后次序而不存在上下層次。因此在設(shè)計存儲結(jié)構(gòu)時往往采用順序存儲結(jié)構(gòu)，其優(yōu)點在于處理線性數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)時速度快，而且結(jié)構(gòu)簡單。
但是上述情況在前文所述的大容量測試系統(tǒng)中并不是普遍適用的。大容量測試系統(tǒng)雖然同樣是線性邏輯結(jié)構(gòu)，但其測試數(shù)據(jù)變化多樣，構(gòu)成數(shù)據(jù)元素的內(nèi)部結(jié)構(gòu)也非常復(fù)雜，而且系統(tǒng)又要執(zhí)行數(shù)據(jù)保存和數(shù)據(jù)查詢等多項指令操作，如果再應(yīng)用順序存儲結(jié)構(gòu)就會面臨許多問題。
首先，測試系統(tǒng)經(jīng)常會面臨一些較為特殊的測試對象。其測試信息較為復(fù)雜且數(shù)據(jù)長度不固定，顯然不利于采用順序存儲結(jié)構(gòu)。假設(shè)系統(tǒng)按照時間或空間上的邏輯順序來進(jìn)行順序存儲，那么對存儲空間的分配將成為難題。若分配空間過大，則影響存儲效率；反之，又會出現(xiàn)數(shù)據(jù)溢出的情況。類似地，假設(shè)系統(tǒng)能夠安排好數(shù)據(jù)的存放空間，在進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)刪除等操作時系統(tǒng)也會顯得力不從心。
其次，采用順序存儲結(jié)構(gòu)不能很好地處理抽象數(shù)據(jù)類型。系統(tǒng)在進(jìn)行數(shù)據(jù)保存、數(shù)據(jù)查詢以及數(shù)據(jù)刪除等操作時都要考慮數(shù)據(jù)元素的長度和內(nèi)容，不能做到靈活、有效。當(dāng)系統(tǒng)需要修改或升級時，對數(shù)據(jù)元素內(nèi)部結(jié)構(gòu)的修改又會影響到系統(tǒng)的整體操作，從而降低了系統(tǒng)的可靠性和高效性，同時使得系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)和升級的難度大大增加。
綜上所述，順序存儲結(jié)構(gòu)并不能解決大容量測試系統(tǒng)在存儲和管理數(shù)據(jù)時面臨的所有問題，因此在實際操作中必須考慮非順序存儲結(jié)構(gòu)的應(yīng)用。長久以來，在單片機(jī)系統(tǒng)中較少采用諸如鏈?zhǔn)酱鎯Y(jié)構(gòu)等非順序存儲結(jié)構(gòu)，原因在于鏈?zhǔn)酱鎯Y(jié)構(gòu)必須有一套專門的存儲管理系統(tǒng)來支持。在通用計算機(jī)中，這一功能由操作系統(tǒng)或高級語言的編譯系統(tǒng)來實現(xiàn)，但在普通單片機(jī)系統(tǒng)中沒有成熟的應(yīng)用案例，因而使程序設(shè)計的難度較高。下面介紹一種應(yīng)用于大容量單片機(jī)系統(tǒng)的存儲管理系統(tǒng)，能夠支持大容量單片機(jī)測試系統(tǒng)的應(yīng)用鏈?zhǔn)酱鎯Ψ绞健?
大容量測試系統(tǒng)的存儲管理系統(tǒng)
對于采用鏈?zhǔn)酱鎯Y(jié)構(gòu)的大容量測試系統(tǒng)，鏈表中各結(jié)點的物理地址是不固定的。為避免在保存數(shù)據(jù)時可能出現(xiàn)的存儲空間沖突問題，需要建立專門的存儲管理系統(tǒng)來管理存儲空間的開辟和釋放。其中，數(shù)據(jù)引導(dǎo)表是存儲管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)，負(fù)責(zé)記錄存儲空間中各個數(shù)據(jù)元素的存儲信息。利用數(shù)據(jù)引導(dǎo)表，同時配合實現(xiàn)開辟空間、釋放空間等操作的函數(shù)，測試系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對大量存儲空間的有效管理。
數(shù)據(jù)引導(dǎo)表
建立數(shù)據(jù)引導(dǎo)表，就是建立一種鏈表中各結(jié)點與其相應(yīng)物理地址之間的聯(lián)系，規(guī)范每個結(jié)點對存儲空間的使用。在測試系統(tǒng)中，引導(dǎo)表只是占用存儲空間內(nèi)劃分的一段固定區(qū)域，其記錄對象是一段已被分配占用的連續(xù)地址空間的首地址和末地址，標(biāo)志著保存在存儲空間上的某個結(jié)點所分配占用的空間大小，稱為一個“記錄”。各個記錄在引導(dǎo)表中的物理地址是連續(xù)的，并且按照每個記錄首地址的大小依次排列。數(shù)據(jù)引導(dǎo)表工作原理如圖1所示。
圖1 數(shù)據(jù)引導(dǎo)表工作原理示意圖
在初始狀態(tài)時，內(nèi)存引導(dǎo)表只有2個記錄，表明整個存儲空間的首地址和末地址，此時整個頁面空間沒有存儲任何測試數(shù)據(jù)。一旦有新的結(jié)點需要在這一空間上保存，CPU將為該結(jié)點開辟一段連續(xù)的存儲區(qū)間供其使用，并將該段空間的首地址和末地址作為一個記錄寫入內(nèi)存引導(dǎo)表中。同樣的當(dāng)系統(tǒng)需要在某一頁面上刪除一個鏈表中的結(jié)點時，CPU將其對應(yīng)的記錄在內(nèi)存引導(dǎo)表中刪除，以此來釋放此段地址空間。值得說明的是，對于在引導(dǎo)表中被釋放的存儲空間部分，其保存的內(nèi)容并沒有真正刪除；在新的數(shù)據(jù)覆蓋該地址之前，CPU還是可以通過直接訪問該地址來讀取其中的存儲數(shù)據(jù)。
管理存儲空間的函數(shù)
一般來講，在通用計算機(jī)中往往利用C語言中的標(biāo)準(zhǔn)庫函數(shù)malloc()、realloc()和free()來實現(xiàn)對存儲空間的分配和管理，但這種方式對于一般的大容量測試系統(tǒng)并不合適。
假設(shè)在前文所述的大容量測試系統(tǒng)中，系統(tǒng)采用16位地址的單片機(jī)，利用分頁存儲模式對512KB掉電保護(hù)存儲器進(jìn)行訪問。將存儲器分為16個頁面(00H～0FH)，每個頁面地址為0000H～7FFFFH，共計32KB。此時系統(tǒng)利用malloc()可以在未被使用的空間中開辟一段存儲空間，但是該函數(shù)返回的地址指針是隨機(jī)的，有可能將空間分配在系統(tǒng)無法識別的區(qū)間(如7FFFH～FFFFH)，因此不能滿足需要。另外，由于系統(tǒng)中存儲器具有掉電保護(hù)功能，CPU在重新上電后將無法識別已保存測試數(shù)據(jù)的存儲空間，從而使malloc()函數(shù)失去意義。因此，還是以數(shù)據(jù)引導(dǎo)表為基礎(chǔ)來建立存儲空間的管理函數(shù)。其具體功能的實現(xiàn)都依賴于函數(shù)對數(shù)據(jù)引導(dǎo)表中各個記錄的操作，程序如下:
void *m_alloc(uintsize,ucharpage)//開辟存儲空間的函數(shù)
void *m_free(voidxdata*p_free,ucharpage)//釋放已開辟存儲空間的函數(shù)
void *re_alloc(voidxdata*p_re,uintsize,ucharpage)//重新開辟存儲空間的函數(shù)
以m_alloc()函數(shù)為例，其程序流程圖如圖2所示。
圖2 開辟存儲空間函數(shù)m_alloc()的程序流程
當(dāng)系統(tǒng)需要為某一結(jié)點開辟存儲空間時，首先給出指定的存儲空間頁面page和需要開辟空間的長度size，然后通過m_alloc()函數(shù)在相應(yīng)頁面的引導(dǎo)表內(nèi)查詢是否有合適的存儲空間。由于引導(dǎo)表中每個記錄都代表一段已被分配的連續(xù)的地址區(qū)間，因此m_alloc()函數(shù)會從第一個記錄開始判斷每兩個相鄰記錄之間未被分配空間的長度是否滿足系統(tǒng)的需要。當(dāng)有一對記錄滿足條件時，m_alloc()函數(shù)會返回該段未被分配存儲空間的首地址(即前一個記錄的末地址)指針，同時在這兩個記錄中間插入此次開辟空間段的新記錄。如果該頁面引導(dǎo)表的所有記錄都不滿足條件，則m_alloc()函數(shù)返回空指針。re_alloc()函數(shù)和m_free()函數(shù)分別完成重新分配指定首地址的一段存儲空間和刪除指定首地址的一段存儲空間的操作。其功能和用法與m_alloc()類似，不再贅述。
鏈?zhǔn)酱鎯Y(jié)構(gòu)和存儲管理系統(tǒng)在實際操作中的應(yīng)用
利用上文所述的存儲管理系統(tǒng)可以實現(xiàn)在大容量測試系統(tǒng)中應(yīng)用鏈?zhǔn)酱鎯Y(jié)構(gòu)，這樣做的好處在于能夠有效地簡化系統(tǒng)存儲數(shù)據(jù)的過程，有利于執(zhí)行多項指令操作，提高系統(tǒng)存儲空間的利用率。
SF6密度繼電器校驗系統(tǒng)
如圖3所示，SF6密度繼電器校驗系統(tǒng)由51系列單片機(jī)、512KB掉電保護(hù)存儲器、打印機(jī)、時鐘系統(tǒng)和LCD組成，配有高精度的數(shù)字式壓力傳感器和溫度傳感器，可以通過485總線與上位機(jī)通信。該系統(tǒng)能夠?qū)Σ煌愋偷拿芏壤^電器進(jìn)行校驗，滿足各種額定參數(shù)和接點數(shù)目的需要，在校驗過程中實現(xiàn)實時顯示、打印數(shù)據(jù)等多項功能；對同一繼電器能夠保存多組校驗數(shù)據(jù)，最多可保存4000多條校驗數(shù)據(jù)；對于所有的校驗記錄，都可以隨時進(jìn)行查詢；另外，在與上位機(jī)進(jìn)行通信時，有相應(yīng)的上位機(jī)軟件對下位機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行的數(shù)據(jù)傳輸、存儲器空間查詢和數(shù)據(jù)刪除等操作。
圖3 SF6密度繼電器校驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
具體來講，SF6密度繼電器校驗系統(tǒng)以SF6密度繼電器作為校驗對象，校驗結(jié)果包含SF6氣體的壓力值和溫度值，因此將每個校驗對象的校驗結(jié)果抽象為一個數(shù)據(jù)元素，分別包括該校驗對象的測試信息(如測試日期，繼電器的測試序號、接點數(shù)目和額定參數(shù)信息)和一組或多組的測量值信息(如校驗次數(shù)、報警、閉鎖1、閉鎖2、超壓接點分別動作、返回時的壓力值和溫度值)。系統(tǒng)以每個數(shù)據(jù)元素為結(jié)點建立鏈?zhǔn)酱鎯Y(jié)構(gòu)，并通過上述的管理存儲系統(tǒng)來管理存儲空間的分配，這樣既能保證有效、合理地保存校驗數(shù)據(jù)，又能很好地實現(xiàn)數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)刪除以及與上位機(jī)通信等操作，使系統(tǒng)的運行更加高效可靠。
非線性邏輯結(jié)構(gòu)的自動測試系統(tǒng)
當(dāng)自動測試系統(tǒng)面臨非線性邏輯結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)元素時，必須要采取非順序存儲結(jié)構(gòu)來保存數(shù)據(jù)，此時可以考慮鏈?zhǔn)酱鎯Y(jié)構(gòu)，或者索引存儲結(jié)構(gòu)以及二叉樹等各種非順序存儲結(jié)構(gòu)，但前提條件都是要有一套專門的存儲管理系統(tǒng)來支持。
有了上述的存儲管理系統(tǒng)作基礎(chǔ)，各種非順序存儲結(jié)構(gòu)的應(yīng)用就成為可能。在設(shè)計系統(tǒng)時充分權(quán)衡存儲空間的利用率和算法所耗費的時間，就能夠有針對性地應(yīng)用多種存儲結(jié)構(gòu)并設(shè)計出相應(yīng)的算法，以滿足各種測試對象和測試環(huán)境的要求。
結(jié)語
以鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)的形式保存數(shù)據(jù)和通過數(shù)據(jù)引導(dǎo)表來管理存儲空間，是應(yīng)用于大容量單片機(jī)測試系統(tǒng)的一種新的數(shù)據(jù)保存和管理方式。
這種存儲方式既適用于線性邏輯結(jié)構(gòu)測試系統(tǒng)，也適用于非線性邏輯結(jié)構(gòu)測試系統(tǒng)，總體上使得單片機(jī)系統(tǒng)在處理多項復(fù)雜數(shù)據(jù)并進(jìn)行反復(fù)保存、查詢和刪除等操作時更加快捷簡便，提高了對有限容量存儲空間的利用率；同時，結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)存儲使得系統(tǒng)的維護(hù)和升級更加輕松，實現(xiàn)了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)化管理。
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