Verificación y Validación de Software en Instrumento de Medida
Gustavo Alessandrini*, Alejandro Bertello*
*Instituto Nacional de Tecnología Industrial, Electrónica e Informática – Unidad Técnica Informática
gusi@inti.gob.ar, bertello@inti.gob.ar


Abstract — Se describe el proceso de verificación y validación
del software embebido (firmware), del instrumento de medida
“Registrador Analizador de Calidad de Potencia PQ1000” de la
empresa fabricante Ecamec SRL, para demostrar su conformidad
con los requisitos esenciales de acuerdo con la norma IEC 61000-
4-30, apartados 4.4 y 4.5 referidos al “método de agregación de
medidas”. Este trabajo fue llevado a cabo en el Laboratorio de
Software de la Unidad Técnica Informática de I5TI Electrónica e
Informática.
Keywords — Software embebido, Verificación, Validación,
Analizador de calidad de potencia.
I. INTRODUCCIÓN
Las actividades de validación y verificación (V&V) de
especificaciones de software en el ámbito de la metrología,
están cobrando mayor importancia debido al incremento de la
cantidad de instrumentos de medida que tienen a las
aplicaciones de software, ejecutándose en uno o más
microcontroladores, como una de las principales piezas de su
arquitectura.
La V&V es el conjunto de procesos de comprobación y
análisis que aseguran que el software que se desarrolla está
acorde a su especificación y cumple las necesidades de los
clientes [1].
En el caso presentado, estas necesidades están establecidas
por la norma IEC 61000-4-30, habiéndose realizando
solamente la verificación y validación referida al “método de
agregación de medida”, apartados 4.4 y 4.5, para un equipo
clase A.
El objetivo del proceso de verificación y validación es el
de asegurar que todos los requisitos del sistema en cuanto a la
implementación de los mencionados apartados de la norma
IEC 61000-4-30 han sido incluidos en el desarrollo del
software para el producto bajo ensayo, de una forma completa
y correcta.
El alcance de la validación comprende los módulos de
software involucrados en los procesos relacionados con el
método de agregación presentado.
II. EL ESTÁNDARD IEC 61000-4-30
El estándar IEC 61000-4-30 [2] especifica los métodos de
medida de los parámetros de calidad de suministro de las redes
de corriente alterna y la forma de interpretar los resultados
obtenidos. Los parámetros de calidad de suministro que trata
son: frecuencia, amplitud de tensión de alimentación, flicker,
huecos de tensión y sobretensiones temporales de suministro,
así como también las interrupciones de tensión, transitorios,
desequilibrio, armónicos e interarmónicos de tensión y de
corriente, las señales transmitidas en la red y las variaciones
rápidas de tensión.
La norma define los métodos de medida pero no presenta
ninguna especificación para su implementación, de forma tal
que los requisitos funcionales de los instrumentos de medida
quedan determinados por los márgenes de incertidumbre
asignados a cada parámetro.
Se definen, dos clases de método de medida, el método
clase A y el método clase B.
El método de clase A se aplica cuando se desean medidas
precisas. Como ejemplo de aplicación de este método, el
estándar indica que se aplica para verificación de
conformidad, especificaciones contractuales, resolución de
litigios, etc.
El método de clase B se aplica cuando no se requiere una
gran precisión (por ejemplo en materia de estudios
estadísticos).

Agregación de intervalos de tiempo de medida
La norma IEC 61000-4-30 establece que las medidas
obtenidas de cada uno de los parámetros de calidad de la
energía eléctrica deben ser promediadas en el tiempo. Los
intervalos temporales de agregación están definidos para cada
uno de los dos métodos.
Para el método de clase A, los intervalos de tiempo de
medida se adicionan en tres intervalos diferentes:
Intervalos de 3 segundos
Intervalos de 10 minutos
Intervalos de 2 horas.

Algoritmo de agregación de medidas

La agregación de medidas se calcula con la raíz cuadrada de
la media aritmética de los cuadrados de los valores de entrada,
definiéndose 3 categorías:
Agregación de periodos
Agregación de periodos en tiempo de reloj
Agregación en tiempo de reloj.
III. FORMULACIÓN DE REQUISITOS
Se establecieron 14 requisitos para asegurar que lo
establecido en la norma, esté presente en la implementación
del software de forma completa y correcta. A su vez, estos
requisitos sirven como punto de partida para la elaboración de
los casos de prueba para verificar el cumplimento de lo
solicitado [3]. Estos requisitos cubren lo enunciado en la
norma referida, en los siguientes apartados:

4.4. Agregación de medida sobre intervalos de tiempo
4.5. Algoritmo de agregación de medidas
4.5.1. Integración de las mediciones
4.5.2. Agregación de períodos (150/180 cycle aggregation)
4.5.3. Agregación de períodos en tiempo de reloj
4.5.4. Agregación en tiempos de reloj (2 hour aggregation)
IV. GENERACIÓN DE CASOS DE PRUEBA
Para la cobertura de todos los requisitos definidos, se
establecieron casos de prueba, divididos en 2 categorías:
Casos de prueba de verificación
Casos de prueba de validación

En los casos de prueba de verificación se utilizaron técnicas
de inspección de código en las funciones involucradas en la
validación del ensayo, y pruebas de integración para verificar
el comportamiento en conjunto de los componentes bajo
prueba en un entorno sin interacción real con sistemas
externos. En estas pruebas de integración, se excitó al equipo
con una señal senoidal simulada por el firmware, utilizando
una versión de programa que incluía directivas de compilación
condicional para obtener este comportamiento. Esta versión
permitía, además, la generación de eventos de sincronismo
también generados por el mismo programa para poder colocar
estos en los tiempos de muestreo de interés para el análisis del
ensayo. Las respuestas a las excitaciones introducidas en las
distintas pruebas, se observaron a través de salidas (o puntos
de prueba internos) previstas para tal fin en el equipo.

Los casos de prueba de validación, se generaron para cubrir
los siguientes requisitos:
Agregación de medida sobre intervalos de tiempo.
Para instrumentos clase A, para una red de
distribución eléctrica de 50 Hz, para:
o Tensión de suministro
o Armónicas
o Inter-armónica
Agregación sobre intervalos adicionales
o Intervalos de 150 ciclos
o Intervalos de 10 minutos
o Intervalos de 2 horas
o Otros intervalos propuestos por el
fabricante
Algoritmo de agregación de medidas
Agregación de períodos (agregación de 150 ciclos)
Agregación de períodos en tiempo de reloj
Agregación de períodos en tiempo de reloj
(agregación de 2 horas)

Los métodos de verificación y validación aplicados fueron
los siguientes:
Identificación del software
Revisión del diseño del software
Revisión de la documentación del software
Inspección de código
Comprobación funcional
Simulación de las señales de entrada
Operación en situación real
Operación con instrumento calibrador
V. IDENTIFICACIÓN DE LA VERSIÓN DE FIRMWARE VALIDADO
La versión de firmware validada de acuerdo con lo
presentado en el plan, fue identificada mediante una firma
digital, utilizando el mecanismo de doble clave, para
garantizar que el firmware instalado en los equipos producidos
corresponda a la versión ensayada.

Finalizadas las pruebas, se realizaron los siguientes pasos:

a) Se generó el programa ejecutable de la versión
ensayada, en la forma que será instalada
definitivamente en el producto.
b) Se colocó a la versión del programa generado, una
nomenclatura única que permite al fabricante
identificarla en su sistema de control de versiones.

c) El archivo ejecutable generado en el paso a), fue
grabado en la memoria de programa del
microcontrolador del equipo ensayado, y se verificó su
correcto funcionamiento.
d) Se hizo una copia del archivo ejecutable creado y se lo
sometió al proceso de firmado. Esta operación se
realizó con una aplicación de firmado que utiliza como
algoritmo de firma el RSA – especificado en el estándar
ANSI x9.31 [4] – La aplicación de firmado utiliza para
la implementación del mencionado algoritmo, la
biblioteca de funciones openSSL [5].
e) Para comprobar que el proceso de firmado no alteró el
archivo original, se efectuó una comparación binaria
entre el archivo original y la copia firmada
VI. RESULTADOS
Se han validado sin encontrar fallos los siguientes requisitos
de la norma IEC 61000-4-30 ítems 4.4 y 4.5:
Agregación de medida sobre intervalos de tiempo
(solamente método para instrumentos clase A, para
una red de distribución eléctrica de 50 Hz)
o Tensión de suministro
o Armónicas
o Inter-armónica
Agregación sobre intervalos adicionales
o Intervalos de 150 ciclos
o Intervalos de 10 minutos
o Intervalos de 2 horas
o Otros intervalos propuestos por el
fabricante
Algoritmo de agregación de medidas
Agregación de períodos (agregación de 150 ciclos)
Agregación de períodos en tiempo de reloj
Agregación de períodos en tiempo de reloj
(agregación de 2 horas)

Se ha realizado satisfactoriamente la verificación por
inspección de código y análisis estático, de los módulos y
funciones involucrados en la agregación de medida sobre
intervalos de tiempo para desbalance (instrumentos clase A,
para una red de distribución eléctrica de 50 Hz).
Para cada función inspeccionada se pudo observar el criterio
utilizado por los desarrolladores para resolver las distintas
situaciones, tales como: nivel de anidamiento, completitud de
las condiciones, estructura jerárquica de llamados,
comprobación de las operaciones de cálculo, variables, lectura
y escritura en memoria, uso de comentarios en el código, etc.
VII. CONCLUSIÓN
El software del instrumento de medida “Registrador
Analizador de Calidad de Potencia PQ1000” cumplió con los
requisitos esenciales de los puntos 4.4 y 4.5 de la norma IEC
61000-4-30.
El protocolo desarrollado para el ensayo mencionado en
este trabajo, sirvió de plataforma para la realización de otros
ensayos, por la experiencia adquirida en la formulación de
casos de prueba y el desarrollo de una metodología (plantillas,
descripciones, formularios) como así también en el uso de
herramientas de depuración y pruebas (análisis estático) y
documentación.
Se pudo comprobar que el esquema de firma electrónica
aplicado para garantizar la autenticidad del firmware bajo
ensayo resultó adecuado para este tipo de trabajos.
RECONOCIMIENTOS
Agradecemos a la empresa Ecamec SRL la conformidad
para la publicación de este trabajo.
REFERENCIAS
[1] IEEE Standard for Software Verification and Validation. IEEE
Std 1012™-2004 (Revision of IEEE Std 1012-1998).
[2] IEC Standard 61000-4-30. IEC 61000: Electromagnetic
Compatibility (EMC), Part 4: Testing and measurement
techniques, Section 30: Power quality measurement methods.
2008.
[3] Testing Embedded Software. Bart Broekman and Edwin
Notenboom. An imprint of Pearson Education.
[4] ANSI X9.31-1998, Digital Signatures Using Reversible Public
Key Cryptography for the Financial Services Industry (rDSA).
[5] The open source toolkit for SSL/TLS www.openssl.org