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隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機載電子設備變得越來(lái)越先進(jìn)，需要測試的參數多，精度高，使得與之配套的自動(dòng)測試系統變得越來(lái)越復雜，開(kāi)發(fā)難度不斷增加，交付后維護保障費用也不斷增加。因此測試系統是否可以通用以簡(jiǎn)化研制過(guò)程，方便擴展和重構等問(wèn)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(dòng)測試系統的誕生，并促使自動(dòng)測試系統的設計思想、開(kāi)發(fā)策略發(fā)生重大變化，其中通用自動(dòng)測試系統就是一個(gè)最強烈的需求。 某機載電子設備由上百種設備構成，需要給用戶(hù)研制相應的自動(dòng)測試系統用于故障診斷和維修測試。通過(guò)對被測試的電子設備進(jìn)行信號特征分析，按照國際通用的測試硬件及軟件標準，采取模塊化設計思想，而不是針對某一具體的工程要求，組建了一個(gè)基本系統作為機載電子設備通用自動(dòng)測試系統。該測試系統可以重構 (reconfigurable)，容易擴展，不同用戶(hù)根據各自的測試需求，在硬件平臺上完成測試資源配置、接口適配器設計，在軟件平臺上完成測試程序開(kāi)發(fā)。這樣測試系統的研制人員不必掌握過(guò)多的專(zhuān)業(yè)測試技能，就可以方便、快速地開(kāi)發(fā)和集成出雷達、通信、航電等領(lǐng)域自動(dòng)測試系統。 1 通用自動(dòng)測試系統發(fā)展動(dòng)態(tài) 對于究竟怎么樣的自動(dòng)測試系統才是通用測試系統，業(yè)界尚沒(méi)有統一的定義。但是大家比較認可的觀(guān)點(diǎn)是：硬件資源的通用性是要求構成自動(dòng)測試系統的接口標準化、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稱(chēng)為通用硬件平臺。實(shí)現硬件資源的通用性需要采用即插即用(VPP)、虛擬儀器軟件結構 (VISA)、虛擬儀器可更換(IVI)等工業(yè)標準。軟件平臺通用性主要指軟件平臺不依賴(lài)于具體的測試對象，可以直接用于其他測試系統的開(kāi)發(fā)，開(kāi)發(fā)的測試程序集(TPS)可以移植。這樣需要軟件結構和軟件模塊的標準化，TPS編程語(yǔ)言標準化，TPS與底層儀器、硬件無(wú)關(guān)設計技術(shù)。 通用自動(dòng)測試系統可以最大程度地節約軟件開(kāi)發(fā)和維護成本，縮短研制新系統的周期。硬件測試資源可以根據實(shí)際測試需求任意增加或減少，測試程序的可移植使得開(kāi)發(fā)一套程序就可以適用于多種不同的場(chǎng)合。儀器可互換使得系統升級維護時(shí)更換儀器不需要測試軟件上做任何改動(dòng)，僅需簡(jiǎn)單配置就可以繼續使用，降低了維護和升級的成本，對于新開(kāi)發(fā)測試系統而言，可以利用原有測試程序和測試儀器，將會(huì )使得新測試系統的開(kāi)發(fā)變得容易。 20世紀80年代中期，美國軍方就開(kāi)始制定通用自動(dòng)測試設備(GPATE)計劃，1996年美國國防部自動(dòng)測試系統(DOD ATS)執行局針對現有自動(dòng)測試系統的通用性不足，召集陸軍、海軍、空軍、海軍陸戰隊及工業(yè)部門(mén)聯(lián)合開(kāi)發(fā)新一代自動(dòng)測試系統。2000年以來(lái)，美海陸空和海軍陸戰隊開(kāi)始統一測試平臺計劃，目的是建立一個(gè)統一的國防部自動(dòng)測試系統體系結構。法國宇航公司作為目前世界上著(zhù)名的民用ATE供應商和歐洲最大的軍用 ATE供應商，在國際上得到推廣應用的是ATEC5000，ATEC6用于波音、空中客車(chē)等的民用飛機和“幻影”2000軍用飛機的測試維修。 我國軍用自動(dòng)測試系統經(jīng)歷了從仿制到自行研發(fā)的過(guò)程，隨著(zhù)測試技術(shù)不斷發(fā)展，軍方對測試要求也不斷提高，自動(dòng)測試系統組建的難度也不斷增加。由于多個(gè)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，在此期間，通過(guò)不斷引入國外先進(jìn)的測試理念和軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境，自動(dòng)測試系統技術(shù)亦有極大發(fā)展。目前多個(gè)兵種等都在研究測試系統的通用性問(wèn)題，采用通用自動(dòng)測試系統的技術(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、標準化的要求，在一定范圍通用的各類(lèi)自動(dòng)測試系統正陸續應用。 2 通用自動(dòng)測試系統設計與實(shí)現 在美國海軍綜合支持系統(CASS)中，首先建立由控制子系統和低頻子系統組成的基本系統，在此基礎上增加射頻子系統構成射頻測試系統，在射頻測試系統的基礎上增加大功率電源子系統構成了大功率射頻測試系統�；谶@種思路，設計出一套機載電子設備通用自動(dòng)測試系統，可供不同單位根據實(shí)際需要進(jìn)行擴充或剪裁，從而研制出雷達、通信等多個(gè)自動(dòng)測試系統。 通用自動(dòng)測試系統的核心是采用計算機軟件代替某些硬件功能，使計算機軟件成為測試系統的核心。利用標準總線(xiàn)系統和模塊化儀器組建通用自動(dòng)測試系統，采用面向所有系統的縮略測試語(yǔ)言(ATLAS)技術(shù)和IVI技術(shù)，保證測試程序與測試硬件的無(wú)關(guān)性。 2．1 硬件平臺的設計 硬件平臺的通用性是要求構成自動(dòng)測試系統的接口標準化(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)化設計 測試資源的作用是提供自動(dòng)測試中所需要的各種激勵信號，測試被測單元(UUT)的響應信號。將通用硬件平臺中的測試資源分為信號檢測類(lèi)資源、激勵類(lèi)資源、電源類(lèi)資源。信號檢測類(lèi)資源由各種程控測試測量?jì)x器組成，用于采集各種測試信號，如萬(wàn)用表、頻率計、示波器、頻譜分析儀等。激勵類(lèi)資源為被測單元提供必要的測試激勵信號，如函數發(fā)生器、微波信號源等。電源系統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來(lái)源于系統硬件的需求分析，測試資源的確定也是進(jìn)行指標與經(jīng)費權衡的過(guò)程。 2．1．2 智能開(kāi)關(guān)系統設計 在UUT測試過(guò)程中，往往需要不斷改變激勵信號的類(lèi)型和激勵點(diǎn)位置，還可能需要在多個(gè)UUT輸出點(diǎn)提取響應信號，而借助于硬件平臺中開(kāi)關(guān)系統的不同組態(tài)，利用有限的測試資源，就能夠滿(mǎn)足UUT測試所需信號完備性要求。開(kāi)關(guān)系統是硬件平臺中的信號轉接中樞，它的性能直接影響系統的指標和功能。系統采用軟件方式實(shí)現對開(kāi)關(guān)系統的控制，實(shí)現被測單元接口和測試資源間的連接與通道切換，節省測試資源，增強了系統的通用性。 通過(guò)開(kāi)關(guān)系統實(shí)現通道路由的信號種類(lèi)包括：模擬信號、功率信號、射頻信號、數字信號、開(kāi)關(guān)信號、視頻信號等。在通用自動(dòng)測試系統中，采用多種開(kāi)關(guān)拓撲結構組成的混合開(kāi)關(guān)系統，將具有模塊化的各種開(kāi)關(guān)資源靈活配置和級連，通過(guò)軟件完成各種組態(tài)和切換，形成滿(mǎn)足不同的測試需求的高效開(kāi)關(guān)系統。開(kāi)關(guān)系統設計原則是按功能進(jìn)行模塊劃分和配置，同時(shí)與ATS信號接口裝置的信號定義相對應，這樣將有利于接口的擴展和形成模塊化自動(dòng)測試系統結構。在實(shí)際設計中，往往采用多種開(kāi)關(guān)拓撲結構組成的混合開(kāi)關(guān)系統，將具有模塊化的各種開(kāi)關(guān)資源靈活配置和級聯(lián)，形成滿(mǎn)足測試需要的高效結構。 2．1．3 集中互連式接口適配器設計 在一般小型測試系統中，由于UUT數量有限，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(dòng)測試系統，為了保證其通用性，必須設計一個(gè)信號中樞，集中管理全系統的測試信號的輸入和輸出。信號轉接中樞對外連接采用通用接口配置適配器(ICA)結構形式。所有信號全部匯集到ICA上集中輸入和輸出。由ICA轉接的信號包括交流、直流電源，總線(xiàn)信號、數字邏輯信號、高頻和微波信號等，個(gè)別高壓、大電流或特殊信號可以單獨轉接。在組建測試系統時(shí)，根據測量對象的不同設計不同的接口適配器，通常稱(chēng)之為可更換接口測試適配器(ITA)。ITA和ICA上的插座成對稱(chēng)關(guān)系，由于不同的UUT所擁有的信號類(lèi)型不一樣，一個(gè)被測單元上不可能擁有全部的ICA信號，相應的ITA插座的組成是不一樣的。 為了實(shí)現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準或行業(yè)通用的接口連接規范。在設計中采用了VPC公司的90系列接口連接器，并制定了詳細的工程規范。根據通用系統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(gè)模塊上插釘的信號，并預留了一定可以擴充的模塊位置，因此可以覆蓋各個(gè)測試系統的信號接口類(lèi)型，滿(mǎn)足通用性要求。 2．2 軟件平臺的設計 在此設計的軟件平臺是基于通用自動(dòng)測試系統，與具體的被測單元UUT無(wú)關(guān)，因此可以在該軟件平臺的基礎上開(kāi)發(fā)各種各樣的TPS。通用軟件平臺采用層次化的體系結構，由測試程序集、軟件開(kāi)發(fā)平臺及應用程序、儀器驅動(dòng)程序和I／O接口軟件組成，具有良好的開(kāi)放性，如圖2所示。 圖2中的實(shí)線(xiàn)部分為通用硬件平臺，虛線(xiàn)部分表示根據不同需求可以擴展的測試資源和接口，“…”表示可以增加其他類(lèi)似的測試資源。 2．2．1 儀器驅動(dòng)程序設計 通用自動(dòng)測試系統的核心是對系統中可以程控的設備進(jìn)行控制。這些控制主要是通過(guò)計算機硬件接口設備，并編制相應的計算機程序實(shí)現。 隨著(zhù)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范，從儀器控制命令集、儀器驅動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)到儀器驅動(dòng)程序的使用，進(jìn)行全方位的標準化�？偟内厔菔擒浖刂萍夹g(shù)越來(lái)越獨立于具體硬件，軟件系統的控制層次越來(lái)越明晰，各層之間的調用關(guān)系也越來(lái)越規范。應用最為廣泛的 VPP，VISA和IVI規范。IVI規范是一套新的儀器驅動(dòng)程序表標準，提升了儀器驅動(dòng)器的標準化程度，使儀器驅動(dòng)器從具備基本的互操作性提升到了儀器類(lèi)的互操作性。通過(guò)為各儀器類(lèi)定義明確的API，測試系統開(kāi)發(fā)人員在編寫(xiě)軟件時(shí)可以做到在最大限度上與硬件無(wú)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，替換系統中的儀器。 從理論上講，采用IVI技術(shù)規范的測試系統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(lèi)儀器的規范：示波器／數字化儀(IVI Scope)、數字萬(wàn)用表(IVIDmm)、任意波形發(fā)生器／函數發(fā)生器(IVI FGen)、開(kāi)關(guān)／多路復用器／矩陣(IVI Switch)及電源(IVI Power)，但對于通用測試系統來(lái)講顯然是不夠的，需要編制不同的測試儀器的驅動(dòng)程序。通過(guò)研究和實(shí)踐，較好地解決了其他儀器的驅動(dòng)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／數字化儀(IVIScope)和任意波形發(fā)生器／函數發(fā)生器(IVIFGen)的技術(shù)進(jìn)行組合，將其定義為信源類(lèi)設備。在Labwindows／CVI開(kāi)發(fā)環(huán)境中，使用IVI驅動(dòng)程序開(kāi)發(fā)向導，創(chuàng )建儀器驅動(dòng)程序文件。 2．2．2 測試程序設計 自動(dòng)測試系統是以控制儀器進(jìn)行測試為目的，對于測試過(guò)程來(lái)說(shuō)，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關(guān)注的對象。對測試過(guò)程的描述方式借鑒了計算機語(yǔ)言，這樣形成了獨特的專(zhuān)用測試語(yǔ)言——ATLAS。ATLAS(Abbreviated Test Langtaagefor All Systems)是“所有系統的縮略測試語(yǔ)言”的簡(jiǎn)稱(chēng)。ATLAS是獨立于任何具體測試系統的一種高級測試語(yǔ)言，具有較強的可讀性和移植性。近幾年來(lái)，隨著(zhù)ATLAs語(yǔ)言的在軍用測試領(lǐng)域的廣泛應用，其優(yōu)越性越來(lái)越凸現，幾乎成為大型軍用測試系統中的首選工具。ATLAS是面向UUT測試程序設計語(yǔ)言，它獨立于測試儀器。它描述的是信號特性，而與具體所使用的儀器無(wú)關(guān)，這也是面向信號的測試程序與硬件無(wú)關(guān)的關(guān)鍵所在。測試程序與系統連線(xiàn)表、適配器表相對應，通過(guò)適配器連線(xiàn)表找出具體的連接和儀器及儀器動(dòng)作，再調用具體的儀器驅動(dòng)，完成與物理儀器的通信。測試程序根據UUT測試需要的激勵信號和響應信號，定義虛擬資源和虛擬資源信號邏輯端口，并按ATLAS動(dòng)詞語(yǔ)義對測試過(guò)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(gè)信號操縱動(dòng)詞，每一個(gè)信號操縱動(dòng)詞都有明確的語(yǔ)意，如信號操縱詞Apply，Meas-ure，Apply用于完成將某種類(lèi)型信號從定義的虛擬資源輸出端加到UUT對應的插釘上；Measure用于完成將UUT某插釘上輸出的特定類(lèi)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)，與具體的測試系統無(wú)關(guān)。由于篇幅所限，測試程序略。 3 試驗結果與分析 (1)通用自動(dòng)測試系統運行試驗和分析。為了驗證機載電子裝備通用自動(dòng)測試系統的硬件、軟件和接口設計的正確性，選取一個(gè)分頻器作為被測單元進(jìn)行聯(lián)機模擬試驗，并研制了專(zhuān)用接口適配器，編寫(xiě)了測試程序。該測試程序運行界面如圖3所示�？梢钥闯�，通用自動(dòng)測試系統軟硬件設計正確，功能正常。 (2)測試資源配置試驗和分析。自動(dòng)測試系統千差萬(wàn)別．不同用戶(hù)必須根據不同的測試需求在通用自動(dòng)測試系統中方便、靈活地配置測試資源。從“系統資源管理 ”中選取“編輯儀器”，在系統資源配置窗口根據儀器的信息完成系統硬件的增加。比如，根據測試需求增加一臺電臺綜合測試儀時(shí)，利用該平臺的系統配置管理功能，添加“電臺綜合測試儀”，并調用相應的驅動(dòng)程序，配置好資源的地址信息后，就可以在系統中使用。通過(guò)試驗可以看出，硬件資源很容易增加和剪裁，系統是開(kāi)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(xiàn)的HP34401A臺式萬(wàn)用表替代VXI總線(xiàn)的E1412A萬(wàn)用表試驗。在資源配置界面中增加儀器資源HP3440lA，在“儀器名稱(chēng)”文本框內填寫(xiě)儀器的名稱(chēng)為DMMl，然后刷新系統連線(xiàn)表的內容，使DMMl出現在系統連線(xiàn)表中，并將DMMl 的輸出端連接DMM(E1412在資源配置中的名稱(chēng))相應的信號釘上，適配器連線(xiàn)表不用做改動(dòng)，只需要改動(dòng)數字萬(wàn)用表的虛擬資源預定義。虛擬資源定義如下：名稱(chēng)DC—vOLTMETER；信號類(lèi)型AC_SIGNAL；預定義資源DMM_CHANl；幅值范圍O～300 V。只需將預定義資源由原來(lái)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(guò)。完成上述工作后，測試程序重新編譯運行，運行結果與采用E1412A萬(wàn)用表的運行結果一致。 通過(guò)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(wú)關(guān)。當更換了測試儀器后，測試程序不需要任何改變，只要修改系統配置文件的信息、系統連線(xiàn)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動(dòng)程序即可。說(shuō)明了該通用測試系統支持儀器互換，TPS具有可移植性。 4 結 語(yǔ) 由于目前各個(gè)測試儀器廠(chǎng)家推出的測試儀器有數百個(gè)品種，測試儀器動(dòng)輒幾萬(wàn)到幾十萬(wàn)元，由于經(jīng)費的限制，不可能購買(mǎi)全部測試設備進(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)機試驗，對其他測試儀器進(jìn)行了部分仿真。在系統開(kāi)發(fā)過(guò)程中難免出現考慮不周或者設計不合理的情況，還需要多征求軍方和自動(dòng)測試系統研制人員的使用意見(jiàn)，不斷完善設計，在其他項目中不斷驗證其實(shí)用性。 |
