自动测试系统的通用性研究
．前言
ATS的发展经历了从专用型向通用型的转变。早期的自动测试系统主要针对具体的被测对象型号或系列。随着现代科学技术的发展，计算机技术的应用越来越广泛应用，致使各种武器装备的结构日趋复杂，种类不断增多。武器装备复杂性的提高，使得检测设备的数量与种类也越来越多。这些设备互不兼容，缺乏互操作性，测试资源重复配置、利用率低。给武器装备的技术保障及机动作战的实施带来了许多困难。因此，近十几年来，通用自动测试系统的开发成为主流。
2．ATS的通用性属性
通用性描述了ATS的一种属性，这种属性可使TPS（测试程序集）在另一型ATS上运行并顺利完成UUT（被测装备）测试及故障诊断。通用ATS注重于采用公共的测试资源去适应不同的测试需要，可以大大提高ATS的测试覆盖范围，提高系统间的兼容能力。通用性设计还可以将测试资源充分利用，降低维修费用。以美国海军的CASS(联合自动化支援系统)为例，它采用了通用性的设计思想，使美国海军原有的九十多个中间级电子设备综合测试站减少到了五个，并可在世界范围内满足仓库、场站和基地级测试维修等多方面的使用需要。
通用ATS系统分为通用系统硬件和通用系统软件两部分。通用系统硬件包括人机接口资源、激励源、测量仪器、开关资源以及UUT对应的接口组成。通用系统软件包括操作系统平台、仪器驱动函数和测试程序开发环境。ATS系统通用性实现的关键技术是系统及系统间硬件及软件接口的标准化。包括系统硬件结构的标准化、软件结构及软件基础构件的标准化、TPS编程语言的标准化以及系统信号接口的标准化等。
3．系统通用性的硬件的实现
硬件方面，通用测试系统的设计原则是使ATE（自动测试装备）本身资源配置最大化，能够覆盖各种UUT的测试需求。不同的武器装备的测试需求差别很大，但如果能根据ATS的装备情况及UUT的测试需求，在费用合理、系统规模合理的情况下是可以求得UUT测试需求并集的。在求得UUT测试需求并集的的情况下，配以相应的卡式仪器及其它设备，即可搭建系统的硬件平台。此外，为了实现系统的通用性，硬件设计与集成过程应充分考虑系统的适应性和扩展能力，并采用标准化的测试集成方式，不仅要定义标准的信号接口，而且对测试系统中开关系统的布局、开关系统与测试资源的连接、测试系统的接地与屏蔽、可靠性与安全性设及等关键技术都要制定严格的规范。
3．1系统的硬件组成
一般而言，通用自动测试系统的硬件平台组成如图1所示，主要包括：测试控制器、激励资源、检测资源、开关系统与信号接口装置。测试控制器实现自动测试系统中各种激励资源、检测资源和开关系统的自动配置，并决定其工作方式、状态、功能和参数，控制测试信号的通道选择与切换。测试系统与被测单元的信号交联则是通过信号接口装置实现[1]。
图1 自动测试系统的硬件组成
3．2信号接口装置的通用性设计
UUT和ATE的接口问题一直是通用ATS开发的关键问题。为了实现系统的通用性，ATE上的测试接口需采用针对多种被测单元的通用接口，测试资源不直接与被测对象UUT相连，而是通过连接器—适配器结构实现，如图2所示。连接器连接测试资源；适配器连接UUT设备，适配器和连接器之间通过插座接口实现互连。检测不同的测试对象只要更换相应的接口适配器即可完成测试。
在适配器内部封装了信号调理模块，可完成对被测信号进行放大、滤波、提供电子负载、分配测试资源等功能。适配器结构如图3所示。根据被测对象的测试需求，选择合适的适配器插槽与测试资源对接。
3．3开关系统在通用ATS中的设计
开关系统在通用ATS中实现被测单元接口与测试资源间的连接与通道切换，借助开关系统，ATS设计者可以充分利用有限的测试资源满足被测单元测试信号完备性需求，同时，开关系统是ATE系统中信号连接的枢纽，开关系统的性能直接影响ATE的指标和功能。因此，开关系统的设计和配置是ATE硬件系统设计的关键环节。
首先，对开关系统的选取要根据测试信号的种类和参数，根据不同信号的信号频带、耐压和电流等的承载能力等选取相应的射频开关、功率开关等。其次，采用模块化可扩展的开关系统结构。采用这种结构，不仅可以方便的扩大开关系统规模，而且可以使开关系统向上兼容，有助于实现测试系统TPS的可移植性和互操作性。最后，选用具有开放商业标准的开关系统模块。具有开放标准的产品货源多元化，品种系列化，维护和升级方便，有利于开关系统选型和对未来的技术支持。
4．系统通用性的软件的实现
软件的可移植性与互操作性和仪器的可互换性是测试系统实现通用性的重要方面。为了实现软件的上述功能，必须建立标准的软件接口。软件接口是提供信息共享、信息交换的统一接口，可以实现测试过程虚拟资源到真实资源的映射。软件接口标准化的研究是真正实现测试程序集的可移植性和仪器的可互换性的关键技术，也是实现系统软件通用性的关键技术。
4.1功能接口
为了实现测控软件的通用化、系列化，首先软件要与硬件系统结构相适应，根据硬件系统的结构特点制定软件所涉及的数据结构，最后考虑软件结构，实现测控软件的各种功能。根据上述测试系统的硬件结构，提出了标准的软件接口——功能接口的概念。功能接口是一套封装了虚拟仪器具体功能的细节，对外提供标准功能接口的函数库和配置工具的软件包。功能接口将所有的仪器（最小集合是测试系统中的仪器）可实现的功能进行分类，忽略各个仪器的实现细节，比如数字万用表与A/D模块测量电压的功能接口是一样的，具体调用哪个仪器操作视接口的连接而定，而且不需要进行仪器的初始化、建立回话连接等辅助过程。功能接口的核心是仪器控制、接口映射及状态缓存，其主要任务是将测试流程所描述的功能映射为具体的控制过程[3]。
功能接口可分为功能层、逻辑层、仪器操作层、接口配置文件及接口配置工具五个部分。（图略）
功能层是整个结构的最高层，面向测试系统开发的最终用户。功能层不用出现任何与仪器有关的信息，描述的都是有关测试流程及结果判定的过程；
逻辑层根据系统测试仪器资源、信号转接通道控制模型及信号转接通道配置的描述，将功能层的功能映射到具有逻辑名称的仪器和通道，该逻辑名可以指向测试系统中一台特定设备，当该仪器模块更换时，只需改变逻辑名的指向为新型设备即可，因此逻辑层不包含仪器地址、具体会话等信息，具备仪器无关性；
仪器操作层利用仪器驱动程序或随仪器模块提供的动态链接库控制硬件的所有操作；
接口配置工具用于交互式配置测试资源、信号转接控制元件及接口映射关系等信息，建立测试仪器功能模型及信号转接通道控制模型，并将个模型的描述信息存储在配置文件中，供测试功能接口使用；
接口配置文件存储的是测试仪器功能模型及信号转接通道控制模型的信息，包括测试资源信号端口及通道、电气连接关系、信号转接通道具备的操作功能、操作仪器应具备的其他附加条件等。
基于功能接口技术的测试软件开发方案的主要思想是，在测试流程与具体仪器之间建立功能接口，将仪器控制与测试程序完全隔离，即测试流程面向UUT接口信号，不进行直接面向仪器的操作。采用基于功能接口技术，可以有效的实现测试程序集的可移植性和仪器的可互换性，从而实现测试系统的通用性。
4．2仪器的封装
在提出了功能接口的基础上，对相应的测试仪器进行封装，是实现测试系统通用性必不可少的步骤。对测试仪器的封装又分为两种：对开关资源的封装及对测试资源的封装。
4．2．1对开关资源的封装
对开关资源的封装主要为了自动实现测试通道的切换、控制相应的通道自动连接和断开。在前面的功能接口描述中，用户在开发测试系统完成测试通道配置时会生成相应的配置文件，配置文件里对所建立的通道有完整的描述。为此，对开关资源的封装主要时完成对配置文件的解释过程。下面，是在LabWindows/CVI开发环境下对某自动测试系统开关资源的封装。共封装了三个函数，仪器的初始化、关闭及通道配置部分代码如下：
void switchinit( )
{
ViSession vichannel;
ViSession vipower;
pipx40_init ("PXI2::15::INSTR", 0, 0,&vipower);
jdz201_init ("VXI::16::INSTR", VI_FALSE, VI_FALSE, &vichannel);
}
//仪器初始化
void switchcloset( )
{
jdz201_close (vichannel);
pipx40_close (vipower);
}
//仪器关闭
void switchencapsulation(char *startpoint, char *terminalpointchar *filename,Boolean state)
{
point=strstr(itemname,"PSWITCH");
if(point!=NULL)
{
if(point[8]<=9 && point[8]>=0)
strncpy(switchnumber,&point[8],1);
if(point[9]<=9 && point[9]>=0)
strncat(switchnumber,&point[9],1);
Fmt(&intswitchnumber, "%d<%s",switchnumber);
powerchannel=intswitchnumber;
if(state)
statepower=1;
else
statepower=0;
pipx40_setChannelState (vipower, 1,powerchannel,statepower);
}
//判断相应的开关通道并闭合或断开
其中，第三个函数中的参数分别为一条通道的起点、终点、配置文件的路径及开关的状态。通过上面的三个函数及相应的配置文件，即完成了整个测试系统中通道配置的问题。
4．2．1对测试仪器的封装
虽然测试任务千变万化，但不论多么复杂的测试系统，其测试信号的种类是有限的，主要包括直流电压、交流电压、电流、频率、频谱、功率等。因此，在建立仪器控制函数的基础上，进一步封装测试功能通用函数，供测试程序调用，即可完成测试程序的可读性及可移植性。如对测量频率的函数封装包括以下三个函数，仪器初始化、仪器关闭及频率测量。仪器的初始化及关闭同开关资源，频率测量函数如下：
void measure_fre(int channel, ViReal64 *fre, double triggerLevel, double signal)
此函数的功能是测量频率，其参数分别为通道号、测量结果变量、触发电平及被测信号频率标称值。按此方法，即可完成对大部分常见信号的封装。可以使系统实现面向信号的软件平台，从而有效的实现系统的通用性。
5．结论
本文作者的创新点：提出了硬件接口及功能接口的概念，提出并实现了面向信号的通用测试系统的仪器封装。
实现ATS的通用性，尽量减少装备技术保障设备的数量及种类，是提高经济及军事效益的有效途径。通过对硬件及软件两个方面通用性关键技术的研究，为实现ATS的通用性，奠定了坚实的基础。
ATS的发展经历了从专用型向通用型的转变。早期的自动测试系统主要针对具体的被测对象型号或系列。随着现代科学技术的发展，计算机技术的应用越来越广泛应用，致使各种武器装备的结构日趋复杂，种类不断增多。武器装备复杂性的提高，使得检测设备的数量与种类也越来越多。这些设备互不兼容，缺乏互操作性，测试资源重复配置、利用率低。给武器装备的技术保障及机动作战的实施带来了许多困难。因此，近十几年来，通用自动测试系统的开发成为主流。
2．ATS的通用性属性
通用性描述了ATS的一种属性，这种属性可使TPS（测试程序集）在另一型ATS上运行并顺利完成UUT（被测装备）测试及故障诊断。通用ATS注重于采用公共的测试资源去适应不同的测试需要，可以大大提高ATS的测试覆盖范围，提高系统间的兼容能力。通用性设计还可以将测试资源充分利用，降低维修费用。以美国海军的CASS(联合自动化支援系统)为例，它采用了通用性的设计思想，使美国海军原有的九十多个中间级电子设备综合测试站减少到了五个，并可在世界范围内满足仓库、场站和基地级测试维修等多方面的使用需要。
通用ATS系统分为通用系统硬件和通用系统软件两部分。通用系统硬件包括人机接口资源、激励源、测量仪器、开关资源以及UUT对应的接口组成。通用系统软件包括操作系统平台、仪器驱动函数和测试程序开发环境。ATS系统通用性实现的关键技术是系统及系统间硬件及软件接口的标准化。包括系统硬件结构的标准化、软件结构及软件基础构件的标准化、TPS编程语言的标准化以及系统信号接口的标准化等。
3．系统通用性的硬件的实现
硬件方面，通用测试系统的设计原则是使ATE（自动测试装备）本身资源配置最大化，能够覆盖各种UUT的测试需求。不同的武器装备的测试需求差别很大，但如果能根据ATS的装备情况及UUT的测试需求，在费用合理、系统规模合理的情况下是可以求得UUT测试需求并集的。在求得UUT测试需求并集的的情况下，配以相应的卡式仪器及其它设备，即可搭建系统的硬件平台。此外，为了实现系统的通用性，硬件设计与集成过程应充分考虑系统的适应性和扩展能力，并采用标准化的测试集成方式，不仅要定义标准的信号接口，而且对测试系统中开关系统的布局、开关系统与测试资源的连接、测试系统的接地与屏蔽、可靠性与安全性设及等关键技术都要制定严格的规范。
3．1系统的硬件组成
一般而言，通用自动测试系统的硬件平台组成如图1所示，主要包括：测试控制器、激励资源、检测资源、开关系统与信号接口装置。测试控制器实现自动测试系统中各种激励资源、检测资源和开关系统的自动配置，并决定其工作方式、状态、功能和参数，控制测试信号的通道选择与切换。测试系统与被测单元的信号交联则是通过信号接口装置实现[1]。
图1 自动测试系统的硬件组成
3．2信号接口装置的通用性设计
UUT和ATE的接口问题一直是通用ATS开发的关键问题。为了实现系统的通用性，ATE上的测试接口需采用针对多种被测单元的通用接口，测试资源不直接与被测对象UUT相连，而是通过连接器—适配器结构实现，如图2所示。连接器连接测试资源；适配器连接UUT设备，适配器和连接器之间通过插座接口实现互连。检测不同的测试对象只要更换相应的接口适配器即可完成测试。
在适配器内部封装了信号调理模块，可完成对被测信号进行放大、滤波、提供电子负载、分配测试资源等功能。适配器结构如图3所示。根据被测对象的测试需求，选择合适的适配器插槽与测试资源对接。
3．3开关系统在通用ATS中的设计
开关系统在通用ATS中实现被测单元接口与测试资源间的连接与通道切换，借助开关系统，ATS设计者可以充分利用有限的测试资源满足被测单元测试信号完备性需求，同时，开关系统是ATE系统中信号连接的枢纽，开关系统的性能直接影响ATE的指标和功能。因此，开关系统的设计和配置是ATE硬件系统设计的关键环节。
首先，对开关系统的选取要根据测试信号的种类和参数，根据不同信号的信号频带、耐压和电流等的承载能力等选取相应的射频开关、功率开关等。其次，采用模块化可扩展的开关系统结构。采用这种结构，不仅可以方便的扩大开关系统规模，而且可以使开关系统向上兼容，有助于实现测试系统TPS的可移植性和互操作性。最后，选用具有开放商业标准的开关系统模块。具有开放标准的产品货源多元化，品种系列化，维护和升级方便，有利于开关系统选型和对未来的技术支持。
4．系统通用性的软件的实现
软件的可移植性与互操作性和仪器的可互换性是测试系统实现通用性的重要方面。为了实现软件的上述功能，必须建立标准的软件接口。软件接口是提供信息共享、信息交换的统一接口，可以实现测试过程虚拟资源到真实资源的映射。软件接口标准化的研究是真正实现测试程序集的可移植性和仪器的可互换性的关键技术，也是实现系统软件通用性的关键技术。
4.1功能接口
为了实现测控软件的通用化、系列化，首先软件要与硬件系统结构相适应，根据硬件系统的结构特点制定软件所涉及的数据结构，最后考虑软件结构，实现测控软件的各种功能。根据上述测试系统的硬件结构，提出了标准的软件接口——功能接口的概念。功能接口是一套封装了虚拟仪器具体功能的细节，对外提供标准功能接口的函数库和配置工具的软件包。功能接口将所有的仪器（最小集合是测试系统中的仪器）可实现的功能进行分类，忽略各个仪器的实现细节，比如数字万用表与A/D模块测量电压的功能接口是一样的，具体调用哪个仪器操作视接口的连接而定，而且不需要进行仪器的初始化、建立回话连接等辅助过程。功能接口的核心是仪器控制、接口映射及状态缓存，其主要任务是将测试流程所描述的功能映射为具体的控制过程[3]。
功能接口可分为功能层、逻辑层、仪器操作层、接口配置文件及接口配置工具五个部分。（图略）
功能层是整个结构的最高层，面向测试系统开发的最终用户。功能层不用出现任何与仪器有关的信息，描述的都是有关测试流程及结果判定的过程；
逻辑层根据系统测试仪器资源、信号转接通道控制模型及信号转接通道配置的描述，将功能层的功能映射到具有逻辑名称的仪器和通道，该逻辑名可以指向测试系统中一台特定设备，当该仪器模块更换时，只需改变逻辑名的指向为新型设备即可，因此逻辑层不包含仪器地址、具体会话等信息，具备仪器无关性；
仪器操作层利用仪器驱动程序或随仪器模块提供的动态链接库控制硬件的所有操作；
接口配置工具用于交互式配置测试资源、信号转接控制元件及接口映射关系等信息，建立测试仪器功能模型及信号转接通道控制模型，并将个模型的描述信息存储在配置文件中，供测试功能接口使用；
接口配置文件存储的是测试仪器功能模型及信号转接通道控制模型的信息，包括测试资源信号端口及通道、电气连接关系、信号转接通道具备的操作功能、操作仪器应具备的其他附加条件等。
基于功能接口技术的测试软件开发方案的主要思想是，在测试流程与具体仪器之间建立功能接口，将仪器控制与测试程序完全隔离，即测试流程面向UUT接口信号，不进行直接面向仪器的操作。采用基于功能接口技术，可以有效的实现测试程序集的可移植性和仪器的可互换性，从而实现测试系统的通用性。
4．2仪器的封装
在提出了功能接口的基础上，对相应的测试仪器进行封装，是实现测试系统通用性必不可少的步骤。对测试仪器的封装又分为两种：对开关资源的封装及对测试资源的封装。
4．2．1对开关资源的封装
对开关资源的封装主要为了自动实现测试通道的切换、控制相应的通道自动连接和断开。在前面的功能接口描述中，用户在开发测试系统完成测试通道配置时会生成相应的配置文件，配置文件里对所建立的通道有完整的描述。为此，对开关资源的封装主要时完成对配置文件的解释过程。下面，是在LabWindows/CVI开发环境下对某自动测试系统开关资源的封装。共封装了三个函数，仪器的初始化、关闭及通道配置部分代码如下：
void switchinit( )
{
ViSession vichannel;
ViSession vipower;
pipx40_init ("PXI2::15::INSTR", 0, 0,&vipower);
jdz201_init ("VXI::16::INSTR", VI_FALSE, VI_FALSE, &vichannel);
}
//仪器初始化
void switchcloset( )
{
jdz201_close (vichannel);
pipx40_close (vipower);
}
//仪器关闭
void switchencapsulation(char *startpoint, char *terminalpointchar *filename,Boolean state)
{
point=strstr(itemname,"PSWITCH");
if(point!=NULL)
{
if(point[8]<=9 && point[8]>=0)
strncpy(switchnumber,&point[8],1);
if(point[9]<=9 && point[9]>=0)
strncat(switchnumber,&point[9],1);
Fmt(&intswitchnumber, "%d<%s",switchnumber);
powerchannel=intswitchnumber;
if(state)
statepower=1;
else
statepower=0;
pipx40_setChannelState (vipower, 1,powerchannel,statepower);
}
//判断相应的开关通道并闭合或断开
其中，第三个函数中的参数分别为一条通道的起点、终点、配置文件的路径及开关的状态。通过上面的三个函数及相应的配置文件，即完成了整个测试系统中通道配置的问题。
4．2．1对测试仪器的封装
虽然测试任务千变万化，但不论多么复杂的测试系统，其测试信号的种类是有限的，主要包括直流电压、交流电压、电流、频率、频谱、功率等。因此，在建立仪器控制函数的基础上，进一步封装测试功能通用函数，供测试程序调用，即可完成测试程序的可读性及可移植性。如对测量频率的函数封装包括以下三个函数，仪器初始化、仪器关闭及频率测量。仪器的初始化及关闭同开关资源，频率测量函数如下：
void measure_fre(int channel, ViReal64 *fre, double triggerLevel, double signal)
此函数的功能是测量频率，其参数分别为通道号、测量结果变量、触发电平及被测信号频率标称值。按此方法，即可完成对大部分常见信号的封装。可以使系统实现面向信号的软件平台，从而有效的实现系统的通用性。
5．结论
本文作者的创新点：提出了硬件接口及功能接口的概念，提出并实现了面向信号的通用测试系统的仪器封装。
实现ATS的通用性，尽量减少装备技术保障设备的数量及种类，是提高经济及军事效益的有效途径。通过对硬件及软件两个方面通用性关键技术的研究，为实现ATS的通用性，奠定了坚实的基础。
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