基于總線技術(shù)和模塊化儀器實(shí)現(xiàn)通用自動測試系統(tǒng)的設(shè)計

引 言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)載電子設(shè)備變得越來越先進(jìn)，需要測試的參數(shù)多，精度高，使得與之配套的自動測試系統(tǒng)變得越來越復(fù)雜，開發(fā)難度不斷增加，交付后維護(hù)保障費(fèi)用也不斷增加。因此測試系統(tǒng)是否可以通用以簡化研制過程，方便擴(kuò)展和重構(gòu)等問題成為關(guān)鍵。軍方需求變化和測試技術(shù)的發(fā)展不僅促成了新一代自動測試系統(tǒng)的誕生，并促使自動測試系統(tǒng)的設(shè)計思想、開發(fā)策略發(fā)生重大變化，其中通用自動測試系統(tǒng)就是一個最強(qiáng)烈的需求。

某機(jī)載電子設(shè)備由上百種設(shè)備構(gòu)成，需要給用戶研制相應(yīng)的自動測試系統(tǒng)用于故障診斷和維修測試。通過對被測試的電子設(shè)備進(jìn)行信號特征分析，按照國際通用的測試硬件及軟件標(biāo)準(zhǔn)，采取模塊化設(shè)計思想，而不是針對某一具體的工程要求，組建了一個基本系統(tǒng)作為機(jī)載電子設(shè)備通用自動測試系統(tǒng)。該測試系統(tǒng)可以重構(gòu)（reconfigurable），容易擴(kuò)展，不同用戶根據(jù)各自的測試需求，在硬件平臺上完成測試資源配置、接口適配器設(shè)計，在軟件平臺上完成測試程序開發(fā)。這樣測試系統(tǒng)的研制人員不必掌握過多的專業(yè)測試技能，就可以方便、快速地開發(fā)和集成出雷達(dá)、通信、航電等領(lǐng)域自動測試系統(tǒng)。

1 通用自動測試系統(tǒng)發(fā)展動態(tài)

對于究竟怎么樣的自動測試系統(tǒng)才是通用測試系統(tǒng)，業(yè)界尚沒有統(tǒng)一的定義。但是大家比較認(rèn)可的觀點(diǎn)是：硬件資源的通用性是要求構(gòu)成自動測試系統(tǒng)的接口標(biāo)準(zhǔn)化、測試儀器可互換、測試通道可配置等，具有這樣特性的硬件系統(tǒng)稱為通用硬件平臺。實(shí)現(xiàn)硬件資源的通用性需要采用即插即用（VPP）、虛擬儀器軟件結(jié)構(gòu)（VISA）、虛擬儀器可更換（IVI）等工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。軟件平臺通用性主要指軟件平臺不依賴于具體的測試對象，可以直接用于其他測試系統(tǒng)的開發(fā)，開發(fā)的測試程序集（TPS）可以移植。這樣需要軟件結(jié)構(gòu)和軟件模塊的標(biāo)準(zhǔn)化，TPS編程語言標(biāo)準(zhǔn)化，TPS與底層儀器、硬件無關(guān)設(shè)計技術(shù)。

通用自動測試系統(tǒng)可以最大程度地節(jié)約軟件開發(fā)和維護(hù)成本，縮短研制新系統(tǒng)的周期。硬件測試資源可以根據(jù)實(shí)際測試需求任意增加或減少，測試程序的可移植使得開發(fā)一套程序就可以適用于多種不同的場合。儀器可互換使得系統(tǒng)升級維護(hù)時更換儀器不需要測試軟件上做任何改動，僅需簡單配置就可以繼續(xù)使用，降低了維護(hù)和升級的成本，對于新開發(fā)測試系統(tǒng)而言，可

以利用原有測試程序和測試儀器，將會使得新測試系統(tǒng)的開發(fā)變得容易。

20世紀(jì)80年代中期，美國軍方就開始制定通用自動測試設(shè)備（GPATE）計劃，1996年美國國防部自動測試系統(tǒng)（DOD ATS）執(zhí)行局針對現(xiàn)有自動測試系統(tǒng)的通用性不足，召集陸軍、海軍、空軍、海軍陸戰(zhàn)隊及工業(yè)部門聯(lián)合開發(fā)新一代自動測試系統(tǒng)。2000年以來，美海陸空和海軍陸戰(zhàn)隊開始統(tǒng)一測試平臺計劃，目的是建立一個統(tǒng)一的國防部自動測試系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)。法國宇航公司作為目前世界上著名的民用ATE供應(yīng)商和歐洲最大的軍用ATE供應(yīng)商，在國際上得到推廣應(yīng)用的是ATEC5000，ATEC6用于波音、空中客車等的民用飛機(jī)和“幻影”2000軍用飛機(jī)的測試維修。

我國軍用自動測試系統(tǒng)經(jīng)歷了從仿制到自行研發(fā)的過程，隨著測試技術(shù)不斷發(fā)展，軍方對測試要求也不斷提高，自動測試系統(tǒng)組建的難度也不斷增加。由于多個型號工程的牽引和軍事需求，在許多型號工程中都研制了不同的測試系統(tǒng)，在此期間，通過不斷引入國外先進(jìn)的測試?yán)砟詈蛙浖_發(fā)環(huán)境，自動測試系統(tǒng)技術(shù)亦有極大發(fā)展。目前多個兵種等都在研究測試系統(tǒng)的通用性問題，采用通用自動測試系統(tǒng)的技術(shù)正在成為軍用測試領(lǐng)域的熱點(diǎn)。目前在通用平臺技術(shù)方面，按照模塊化、系列化、標(biāo)準(zhǔn)化的要求，在一定范圍通用的各類自動測試系統(tǒng)正陸續(xù)應(yīng)用。

2 通用自動測試系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

在美國海軍綜合支持系統(tǒng)（CASS）中，首先建立由控制子系統(tǒng)和低頻子系統(tǒng)組成的基本系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上增加射頻子系統(tǒng)構(gòu)成射頻測試系統(tǒng)，在射頻測試系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加大功率電源子系統(tǒng)構(gòu)成了大功率射頻測試系統(tǒng)?；谶@種思路，設(shè)計出一套機(jī)載電子設(shè)備通用自動測試系統(tǒng)，可供不同單位根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行擴(kuò)充或剪裁，從而研制出雷達(dá)、通信等多個自動測試系統(tǒng)。

通用自動測試系統(tǒng)的核心是采用計算機(jī)軟件代替某些硬件功能，使計算機(jī)軟件成為測試系統(tǒng)的核心。利用標(biāo)準(zhǔn)總線系統(tǒng)和模塊化儀器組建通用自動測試系統(tǒng)，采用面向所有系統(tǒng)的縮略測試語言（ATLAS）技術(shù)和IVI技術(shù)，保證測試程序與測試硬件的無關(guān)性。

2．1 硬件平臺的設(shè)計

硬件平臺的通用性是要求構(gòu)成自動測試系統(tǒng)的接口標(biāo)準(zhǔn)化（包括信號接口和硬件接口）、測試儀器可互換、測試通道可配置，可方便地根據(jù)測試任務(wù)配置通道、更換儀器、改變通路而不影響測試程序集（TPS）的工作。通用硬件平臺組成如圖1所示。

2.1.1 測試資源優(yōu)化設(shè)計

測試資源的作用是提供自動測試中所需要的各種激勵信號，測試被測單元（UUT）的響應(yīng)信號。將通用硬件平臺中的測試資源分為信號檢測類資源、激勵類資源、電源類資源。信號檢測類資源由各種程控測試測量儀器組成，用于采集各種測試信號，如萬用表、頻率計、示波器、頻譜分析儀等。激勵類資源為被測單元提供必要的測試激勵信號，如函數(shù)發(fā)生器、微波信號源等。電源系統(tǒng)為被測單元工作提供必要的交／直流電源。測試資源的選型依據(jù)來源于系統(tǒng)硬件的需求分析，測試資源的確定也是進(jìn)行指標(biāo)與經(jīng)費(fèi)權(quán)衡的過程。

2．1．2 智能開關(guān)系統(tǒng)設(shè)計

在UUT測試過程中，往往需要不斷改變激勵信號的類型和激勵點(diǎn)位置，還可能需要在多個UUT輸出點(diǎn)提取響應(yīng)信號，而借助于硬件平臺中開關(guān)系統(tǒng)的不同組態(tài)，利用有限的測試資源，就能夠滿足UUT測試所需信號完備性要求。開關(guān)系統(tǒng)是硬件平臺中的信號轉(zhuǎn)接中樞，它的性能直接影響系統(tǒng)的指標(biāo)和功能。系統(tǒng)采用軟件方式實(shí)現(xiàn)對開關(guān)系統(tǒng)的控制，實(shí)現(xiàn)被測單元接口和測試資源間的連接與通道切換，節(jié)省測試資源，增強(qiáng)了系統(tǒng)的通用性。

通過開關(guān)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)通道路由的信號種類包括：模擬信號、功率信號、射頻信號、數(shù)字信號、開關(guān)信號、視頻信號等。在通用自動測試系統(tǒng)中，采用多種開關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組成的混合開關(guān)系統(tǒng)，將具有模塊化的各種開關(guān)資源靈活配置和級連，通過軟件完成各種組態(tài)和切換，形成滿足不同的測試需求的高效開關(guān)系統(tǒng)。開關(guān)系統(tǒng)設(shè)計原則是按功能進(jìn)行模塊劃分和配置，同時與ATS信號接口裝置的信號定義相對應(yīng)，這樣將有利于接口的擴(kuò)展和形成模塊化自動測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。在實(shí)際設(shè)計中，往往采用多種開關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組成的混合開關(guān)系統(tǒng)，將具有模塊化的各種開關(guān)資源靈活配置和級聯(lián)，形成滿足測試需要的高效結(jié)構(gòu)。

2．1．3 集中互連式接口適配器設(shè)計

在一般小型測試系統(tǒng)中，由于UUT數(shù)量有限，UUT的信號往往采用與測試儀器直接相連的模式。對于通用自動測試系統(tǒng)，為了保證其通用性，必須設(shè)計一個信號中樞，集中管理全系統(tǒng)的測試信號的輸入和輸出。信號轉(zhuǎn)接中樞對外連接采用通用接口配置適配器（ICA）結(jié)構(gòu)形式。所有信號全部匯集到ICA上集中輸入和輸出。由ICA轉(zhuǎn)接的信號包括交流、直流電源，總線信號、數(shù)字邏輯信號、高頻和微波信號等，個別高壓、大電流或特殊信號可以單獨(dú)轉(zhuǎn)接。在組建測試系統(tǒng)時，根據(jù)測量對象的不同設(shè)計不同的接口適配器，通常稱之為可更換接口測試適配器（ITA）。ITA和ICA上的插座成對稱關(guān)系，由于不同的UUT所擁有的信號類型不一樣，一個被測單元上不可能擁有全部的ICA信號，相應(yīng)的ITA插座的組成是不一樣的。

為了實(shí)現(xiàn)TPS的可移植，接口適配器與測試平臺中硬件的接口必需遵循一定的標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)通用的接口連接規(guī)范。在設(shè)計中采用了VPC公司的90系列接口連接器，并制定了詳細(xì)的工程規(guī)范。根據(jù)通用系統(tǒng)硬件資源定義小功率低頻信號模塊、大功率電源模塊、同軸連接模塊等在連接器中的位置和每一個模塊上插釘?shù)男盘?，并預(yù)留了一定可以擴(kuò)充的模塊位置，因此可以覆蓋各個測試系統(tǒng)的信號接口類型，滿足通用性要求。

2．2 軟件平臺的設(shè)計

在此設(shè)計的軟件平臺是基于通用自動測試系統(tǒng)，與具體的被測單元UUT無關(guān)，因此可以在該軟件平臺的基礎(chǔ)上開發(fā)各種各樣的TPS。通用軟件平臺采用層次化的體系結(jié)構(gòu)，由測試程序集、軟件開發(fā)平臺及應(yīng)用程序、儀器驅(qū)動程序和I／O接口軟件組成，具有良好的開放性，如圖2所示。

圖2中的實(shí)線部分為通用硬件平臺，虛線部分表示根據(jù)不同需求可以擴(kuò)展的測試資源和接口，“…”表示可以增加其他類似的測試資源。

2．2．1 儀器驅(qū)動程序設(shè)計

通用自動測試系統(tǒng)的核心是對系統(tǒng)中可以程控的設(shè)備進(jìn)行控制。這些控制主要是通過計算機(jī)硬件接口設(shè)備，并編制相應(yīng)的計算機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)。

隨著軟件工程技術(shù)的發(fā)展，軟件控制技術(shù)得到了極大完善，形成了不同層面的儀器控制軟件規(guī)范，從儀器控制命令集、儀器驅(qū)動程序的開發(fā)到儀器驅(qū)動程序的使用，進(jìn)行全方位的標(biāo)準(zhǔn)化?？偟内厔菔擒浖刂萍夹g(shù)越來越獨(dú)立于具體硬件，軟件系統(tǒng)的控制層次越來越明晰，各層之間的調(diào)用關(guān)系也越來越規(guī)范。應(yīng)用最為廣泛的VPP，VISA和IVI規(guī)范。IVI規(guī)范是一套新的儀器驅(qū)動程序表標(biāo)準(zhǔn)，提升了儀器驅(qū)動器的標(biāo)準(zhǔn)化程度，使儀器驅(qū)動器從具備基本的互操作性提升到了儀器類的互操作性。通過為各儀器類定義明確的API，測試系統(tǒng)開發(fā)人員在編寫軟件時可以做到在最大限度上與硬件無關(guān)，采用IVI技術(shù)的TPS能被置于包含不同儀器的多種儀器系統(tǒng)中，并且可以在不更改測試程序源代碼和重新編譯的情況下，替換系統(tǒng)中的儀器。

從理論上講，采用IVI技術(shù)規(guī)范的測試系統(tǒng)對于儀器可互換的支持是最佳的，但是，目前該組織已經(jīng)制訂了5類儀器的規(guī)范：示波器／數(shù)字化儀（IVI Scope）、數(shù)字萬用表（IVIDmm）、任意波形發(fā)生器／函數(shù)發(fā)生器（IVI FGen）、開關(guān)／多路復(fù)用器／矩陣（IVI Switch）及電源（IVI Power），但對于通用測試系統(tǒng)來講顯然是不夠的，需要編制不同的測試儀器的驅(qū)動程序。通過研究和實(shí)踐，較好地解決了其他儀器的驅(qū)動程序解決方案，如對于E8257C微波信號源，采用已發(fā)布的示波器／數(shù)字化儀（IVIScope）和任意波形發(fā)生器／函數(shù)發(fā)生器（IVIFGen）的技術(shù)進(jìn)行組合，將其定義為信源類設(shè)備。在Labwindows／CVI開發(fā)環(huán)境中，使用IVI驅(qū)動程序開發(fā)向?qū)?，?chuàng)建儀器驅(qū)動程序文件。

2．2．2 測試程序設(shè)計

自動測試系統(tǒng)是以控制儀器進(jìn)行測試為目的，對于測試過程來說，即提供激勵后進(jìn)行測量，因此測試信號的流程成為測試系統(tǒng)關(guān)注的對象。對測試過程的描述方式借鑒了計算機(jī)語言，這樣形成了獨(dú)特的專用測試語言——ATLAS。ATLAS（Abbreviated Test Langtaagefor All Systems）是“所有系統(tǒng)的縮略測試語言”的簡稱。ATLAS是獨(dú)立于任何具體測試系統(tǒng)的一種高級測試語言，具有較強(qiáng)的可讀性和移植性。近幾年來，隨著ATLAs語言的在軍用測試領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，其優(yōu)越性越來越凸現(xiàn)，幾乎成為大型軍用測試系統(tǒng)中的首選工具。ATLAS是面向UUT測試程序設(shè)計語言，它獨(dú)立于測試儀器。它描述的是信號特性，而與具體所使用的儀器無關(guān)，這也是面向信號的測試程序與硬件無關(guān)的關(guān)鍵所在。測試程序與系統(tǒng)連線表、適配器表相對應(yīng)，通過適配器連線表找出具體的連接和儀器及儀器動作，再調(diào)用具體的儀器驅(qū)動，完成與物理儀器的通信。測試程序根據(jù)UUT測試需要的激勵信號和響應(yīng)信號，定義虛擬資源和虛擬資源信號邏輯端口，并按ATLAS動詞語義對測試過程進(jìn)行描述，描述方法采用英文字符串形式；ATLAS定義了17個信號操縱動詞，每一個信號操縱動詞都有明確的語意，如信號操縱詞Apply，Meas-ure，Apply用于完成將某種類型信號從定義的虛擬資源輸出端加到UUT對應(yīng)的插釘上；Measure用于完成將UUT某插釘上輸出的特定類型信號連接到某虛擬資源的輸入端，并測出信號的值。這樣，測試程序只與UUT有關(guān)，與具體的測試系統(tǒng)無關(guān)。由于篇幅所限，測試程序略。

3 試驗結(jié)果與分析

（1）通用自動測試系統(tǒng)運(yùn)行試驗和分析。為了驗證機(jī)載電子裝備通用自動測試系統(tǒng)的硬件、軟件和接口設(shè)計的正確性，選取一個分頻器作為被測單元進(jìn)行聯(lián)機(jī)模擬試驗，并研制了專用接口適配器，編寫了測試程序。該測試程序運(yùn)行界面如圖3所示?？梢钥闯?，通用自動測試系統(tǒng)軟硬件設(shè)計正確，功能正常。

（2）測試資源配置試驗和分析。自動測試系統(tǒng)千差萬別．不同用戶必須根據(jù)不同的測試需求在通用自動測試系統(tǒng)中方便、靈活地配置測試資源。從“系統(tǒng)資源管理”中選取“編輯儀器”，在系統(tǒng)資源配置窗口根據(jù)儀器的信息完成系統(tǒng)硬件的增加。比如，根據(jù)測試需求增加一臺電臺綜合測試儀時，利用該平臺的系統(tǒng)配置管理功能，添加“電臺綜合測試儀”，并調(diào)用相應(yīng)的驅(qū)動程序，配置好資源的地址信息后，就可以在系統(tǒng)中使用。通過試驗可以看出，硬件資源很容易增加和剪裁，系統(tǒng)是開放的。

（3） 測試儀器的互換、測試程序可移植性試驗和分析。用GPIB總線的HP34401A臺式萬用表替代VXI總線的E1412A萬用表試驗。在資源配置界面中增加儀器資源HP3440lA，在“儀器名稱”文本框內(nèi)填寫儀器的名稱為DMMl，然后刷新系統(tǒng)連線表的內(nèi)容，使DMMl出現(xiàn)在系統(tǒng)連線表中，并將DMMl的輸出端連接DMM（E1412在資源配置中的名稱）相應(yīng)的信號釘上，適配器連線表不用做改動，只需要改動數(shù)字萬用表的虛擬資源預(yù)定義。虛擬資源定義如下：名稱DC—vOLTMETER；信號類型AC_SIGNAL；預(yù)定義資源DMM_CHANl；幅值范圍O～300 V。只需將預(yù)定義資源由原來的“DMM_CHANl”改為“DMMl_CHANl”即可，其他范圍檢查使用缺省值或用NuLL跳過。完成上述工作后，測試程序重新編譯運(yùn)行，運(yùn)行結(jié)果與采用E1412A萬用表的運(yùn)行結(jié)果一致。

通過試驗以看出，由于測試程序描述的是信號特性，而與具體所使用的儀器無關(guān)。當(dāng)更換了測試儀器后，測試程序不需要任何改變，只要修改系統(tǒng)配置文件的信息、系統(tǒng)連線和虛擬資源的定義，使測試程序中的虛擬資源指向新的儀器和儀器驅(qū)動程序即可。說明了該通用測試系統(tǒng)支持儀器互換，TPS具有可移植性。

4 結(jié) 語

由于目前各個測試儀器廠家推出的測試儀器有數(shù)百個品種，測試儀器動輒幾萬到幾十萬元，由于經(jīng)費(fèi)的限制，不可能購買全部測試設(shè)備進(jìn)行驗證，目前只對該項目中用到的儀器進(jìn)行了實(shí)際聯(lián)機(jī)試驗，對其他測試儀器進(jìn)行了部分仿真。在系統(tǒng)開發(fā)過程中難免出現(xiàn)考慮不周或者設(shè)計不合理的情況，還需要多征求軍方和自動測試系統(tǒng)研制人員的使用意見，不斷完善設(shè)計，在其他項目中不斷驗證其實(shí)用性。

責(zé)任編輯：gt