机载电子设备通用自动测试系统研究与实现

0 引 言
    随着科学技术的发展，机载电子设备变得越来越先进，需要测试的参数多，精度高，使得与之配套的自动测试系统变得越来越复杂，开发难度不断增加，交付后维护保障费用也不断增加。因此测试系统是否可以通用以简化研制过程，方便扩展和重构等问题成为关键。军方需求变化和测试技术的发展不仅促成了新一代自动测试系统的诞生，并促使自动测试系统的设计思想、开发策略发生重大变化，其中通用自动测试系统就是一个最强烈的需求。
    某机载电子设备由上百种设备构成，需要给用户研制相应的自动测试系统用于故障诊断和维修测试。通过对被测试的电子设备进行信号特征分析，按照国际通用的测试硬件及软件标准，采取模块化设计思想，而不是针对某一具体的工程要求，组建了一个基本系统作为机载电子设备通用自动测试系统。该测试系统可以重构(reconfigurable)，容易扩展，不同用户根据各自的测试需求，在硬件平台上完成测试资源配置、接口适配器设计，在软件平台上完成测试程序开发。这样测试系统的研制人员不必掌握过多的专业测试技能，就可以方便、快速地开发和集成出雷达、通信、航电等领域自动测试系统。

1 通用自动测试系统发展动态
    对于究竟怎么样的自动测试系统才是通用测试系统，业界尚没有统一的定义。但是大家比较认可的观点是：硬件资源的通用性是要求构成自动测试系统的接口标准化、测试仪器可互换、测试通道可配置等，具有这样特性的硬件系统称为通用硬件平台。实现硬件资源的通用性需要采用即插即用(VPP)、虚拟仪器软件结构(VISA)、虚拟仪器可更换(IVI)等工业标准。软件平台通用性主要指软件平台不依赖于具体的测试对象，可以直接用于其他测试系统的开发，开发的测试程序集(TPS)可以移植。这样需要软件结构和软件模块的标准化，TPS编程语言标准化，TPS与底层仪器、硬件无关设计技术。
    通用自动测试系统可以最大程度地节约软件开发和维护成本，缩短研制新系统的周期。硬件测试资源可以根据实际测试需求任意增加或减少，测试程序的可移植使得开发一套程序就可以适用于多种不同的场合。仪器可互换使得系统升级维护时更换仪器不需要测试软件上做任何改动，仅需简单配置就可以继续使用，降低了维护和升级的成本，对于新开发测试系统而言，可
以利用原有测试程序和测试仪器，将会使得新测试系统的开发变得容易。
    20世纪80年代中期，美国军方就开始制定通用自动测试设备(GPATE)计划，1996年美国国防部自动测试系统(DOD ATS)执行局针对现有自动测试系统的通用性不足，召集陆军、海军、空军、海军陆战队及工业部门联合开发新一代自动测试系统。2000年以来，美海陆空和海军陆战队开始统一测试平台计划，目的是建立一个统一的国防部自动测试系统体系结构。法国宇航公司作为目前世界上著名的民用ATE供应商和欧洲最大的军用ATE供应商，在国际上得到推广应用的是ATEC5000，ATEC6用于波音、空中客车等的民用飞机和“幻影”2000军用飞机的测试维修。
    我国军用自动测试系统经历了从仿制到自行研发的过程，随着测试技术不断发展，军方对测试要求也不断提高，自动测试系统组建的难度也不断增加。由于多个型号工程的牵引和军事需求，在许多型号工程中都研制了不同的测试系统，在此期间，通过不断引入国外先进的测试理念和软件开发环境，自动测试系统技术亦有极大发展。目前多个兵种等都在研究测试系统的通用性问题，采用通用自动测试系统的技术正在成为军用测试领域的热点。目前在通用平台技术方面，按照模块化、系列化、标准化的要求，在一定范围通用的各类自动测试系统正陆续应用。

2 通用自动测试系统设计与实现
    在美国海军综合支持系统(CASS)中，首先建立由控制子系统和低频子系统组成的基本系统，在此基础上增加射频子系统构成射频测试系统，在射频测试系统的基础上增加大功率电源子系统构成了大功率射频测试系统。基于这种思路，设计出一套机载电子设备通用自动测试系统，可供不同单位根据实际需要进行扩充或剪裁，从而研制出雷达、通信等多个自动测试系统。
    通用自动测试系统的核心是采用计算机软件代替某些硬件功能，使计算机软件成为测试系统的核心。利用标准总线系统和模块化仪器组建通用自动测试系统，采用面向所有系统的缩略测试语言(ATLAS)技术和IVI技术，保证测试程序与测试硬件的无关性。
2．1 硬件平台的设计
    硬件平台的通用性是要求构成自动测试系统的接口标准化(包括信号接口和硬件接口)、测试仪器可互换、测试通道可配置，可方便地根据测试任务配置通道、更换仪器、改变通路而不影响测试程序集(TPS)的工作。通用硬件平台组成如图1所示。

2.1.1 测试资源优化设计
    测试资源的作用是提供自动测试中所需要的各种激励信号，测试被测单元(UUT)的响应信号。将通用硬件平台中的测试资源分为信号检测类资源、激励类资源、电源类资源。信号检测类资源由各种程控测试测量仪器组成，用于采集各种测试信号，如万用表、频率计、示波器、频谱分析仪等。激励类资源为被测单元提供必要的测试激励信号，如函数发生器、微波信号源等。电源系统为被测单元工作提供必要的交／直流电源。测试资源的选型依据来源于系统硬件的需求分析，测试资源的确定也是进行指标与经费权衡的过程。
2．1．2 智能开关系统设计
    在UUT测试过程中，往往需要不断改变激励信号的类型和激励点位置，还可能需要在多个UUT输出点提取响应信号，而借助于硬件平台中开关系统的不同组态，利用有限的测试资源，就能够满足UUT测试所需信号完备性要求。开关系统是硬件平台中的信号转接中枢，它的性能直接影响系统的指标和功能。系统采用软件方式实现对开关系统的控制，实现被测单元接口和测试资源间的连接与通道切换，节省测试资源，增强了系统的通用性。
    通过开关系统实现通道路由的信号种类包括：模拟信号、功率信号、射频信号、数字信号、开关信号、视频信号等。在通用自动测试系统中，采用多种开关拓扑结构组成的混合开关系统，将具有模块化的各种开关资源灵活配置和级连，通过软件完成各种组态和切换，形成满足不同的测试需求的高效开关系统。开关系统设计原则是按功能进行模块划分和配置，同时与ATS信号接口装置的信号定义相对应，这样将有利于接口的扩展和形成模块化自动测试系统结构。在实际设计中，往往采用多种开关拓扑结构组成的混合开关系统，将具有模块化的各种开关资源灵活配置和级联，形成满足测试需要的高效结构。
2．1．3 集中互连式接口适配器设计
    在一般小型测试系统中，由于UUT数量有限，UUT的信号往往采用与测试仪器直接相连的模式。对于通用自动测试系统，为了保证其通用性，必须设计一个信号中枢，集中管理全系统的测试信号的输入和输出。信号转接中枢对外连接采用通用接口配置适配器(ICA)结构形式。所有信号全部汇集到ICA上集中输入和输出。由ICA转接的信号包括交流、直流电源，总线信号、数字逻辑信号、高频和微波信号等，个别高压、大电流或特殊信号可以单独转接。在组建测试系统时，根据测量对象的不同设计不同的接口适配器，通常称之为可更换接口测试适配器(ITA)。ITA和ICA上的插座成对称关系，由于不同的UUT所拥有的信号类型不一样，一个被测单元上不可能拥有全部的ICA信号，相应的ITA插座的组成是不一样的。
    为了实现TPS的可移植，接口适配器与测试平台中硬件的接口必需遵循一定的标准或行业通用的接口连接规范。在设计中采用了VPC公司的90系列接口连接器，并制定了详细的工程规范。根据通用系统硬件资源定义小功率低频信号模块、大功率电源模块、同轴连接模块等在连接器中的位置和每一个模块上插钉的信号，并预留了一定可以扩充的模块位置，因此可以覆盖各个测试系统的信号接口类型，满足通用性要求。
2．2 软件平台的设计
    在此设计的软件平台是基于通用自动测试系统，与具体的被测单元UUT无关，因此可以在该软件平台的基础上开发各种各样的TPS。通用软件平台采用层次化的体系结构，由测试程序集、软件开发平台及应用程序、仪器驱动程序和I／O接口软件组成，具有良好的开放性，如图2所示。

图2中的实线部分为通用硬件平台，虚线部分表示根据不同需求可以扩展的测试资源和接口，“…”表示可以增加其他类似的测试资源。
2．2．1 仪器驱动程序设计
    通用自动测试系统的核心是对系统中可以程控的设备进行控制。这些控制主要是通过计算机硬件接口设备，并编制相应的计算机程序实现。
    随着软件工程技术的发展，软件控制技术得到了极大完善，形成了不同层面的仪器控制软件规范，从仪器控制命令集、仪器驱动程序的开发到仪器驱动程序的使用，进行全方位的标准化。总的趋势是软件控制技术越来越独立于具体硬件，软件系统的控制层次越来越明晰，各层之间的调用关系也越来越规范。应用最为广泛的VPP，VISA和IVI规范。IVI规范是一套新的仪器驱动程序表标准，提升了仪器驱动器的标准化程度，使仪器驱动器从具备基本的互操作性提升到了仪器类的互操作性。通过为各仪器类定义明确的API，测试系统开发人员在编写软件时可以做到在最大限度上与硬件无关，采用IVI技术的TPS能被置于包含不同仪器的多种仪器系统中，并且可以在不更改测试程序源代码和重新编译的情况下，替换系统中的仪器。
    从理论上讲，采用IVI技术规范的测试系统对于仪器可互换的支持是最佳的，但是，目前该组织已经制订了5类仪器的规范：示波器／数字化仪(IVI Scope)、数字万用表(IVIDmm)、任意波形发生器／函数发生器(IVI FGen)、开关／多路复用器／矩阵(IVI Switch)及电源(IVI Power)，但对于通用测试系统来讲显然是不够的，需要编制不同的测试仪器的驱动程序。通过研究和实践，较好地解决了其他仪器的驱动程序解决方案，如对于E8257C微波信号源，采用已发布的示波器／数字化仪(IVIScope)和任意波形发生器／函数发生器(IVIFGen)的技术进行组合，将其定义为信源类设备。在Labwindows／CVI开发环境中，使用IVI驱动程序开发向导，创建仪器驱动程序文件。
2．2．2 测试程序设计
    自动测试系统是以控制仪器进行测试为目的，对于测试过程来说，即提供激励后进行测量，因此测试信号的流程成为测试系统关注的对象。对测试过程的描述方式借鉴了计算机语言，这样形成了独特的专用测试语言——ATLAS。ATLAS(Abbreviated Test Langtaagefor All Systems)是“所有系统的缩略测试语言”的简称。ATLAS是独立于任何具体测试系统的一种高级测试语言，具有较强的可读性和移植性。近几年来，随着ATLAs语言的在军用测试领域的广泛应用，其优越性越来越凸现，几乎成为大型军用测试系统中的首选工具。ATLAS是面向UUT测试程序设计语言，它独立于测试仪器。它描述的是信号特性，而与具体所使用的仪器无关，这也是面向信号的测试程序与硬件无关的关键所在。测试程序与系统连线表、适配器表相对应，通过适配器连线表找出具体的连接和仪器及仪器动作，再调用具体的仪器驱动，完成与物理仪器的通信。测试程序根据UUT测试需要的激励信号和响应信号，定义虚拟资源和虚拟资源信号逻辑端口，并按ATLAS动词语义对测试过程进行描述，描述方法采用英文字符串形式；ATLAS定义了17个信号操纵动词，每一个信号操纵动词都有明确的语意，如信号操纵词Apply，Meas-ure，Apply用于完成将某种类型信号从定义的虚拟资源输出端加到UUT对应的插钉上；Measure用于完成将UUT某插钉上输出的特定类型信号连接到某虚拟资源的输入端，并测出信号的值。这样，测试程序只与UUT有关，与具体的测试系统无关。由于篇幅所限，测试程序略。

3 试验结果与分析
    (1)通用自动测试系统运行试验和分析。为了验证机载电子装备通用自动测试系统的硬件、软件和接口设计的正确性，选取一个分频器作为被测单元进行联机模拟试验，并研制了专用接口适配器，编写了测试程序。该测试程序运行界面如图3所示。可以看出，通用自动测试系统软硬件设计正确，功能正常。
    (2)测试资源配置试验和分析。自动测试系统千差万别．不同用户必须根据不同的测试需求在通用自动测试系统中方便、灵活地配置测试资源。从“系统资源管理”中选取“编辑仪器”，在系统资源配置窗口根据仪器的信息完成系统硬件的增加。比如，根据测试需求增加一台电台综合测试仪时，利用该平台的系统配置管理功能，添加“电台综合测试仪”，并调用相应的驱动程序，配置好资源的地址信息后，就可以在系统中使用。通过试验可以看出，硬件资源很容易增加和剪裁，系统是开放的。
    (3) 测试仪器的互换、测试程序可移植性试验和分析。用GPIB总线的HP34401A台式万用表替代VXI总线的E1412A万用表试验。在资源配置界面中增加仪器资源HP3440lA，在“仪器名称”文本框内填写仪器的名称为DMMl，然后刷新系统连线表的内容，使DMMl出现在系统连线表中，并将DMMl的输出端连接DMM(E1412在资源配置中的名称)相应的信号钉上，适配器连线表不用做改动，只需要改动数字万用表的虚拟资源预定义。虚拟资源定义如下：名称DC—vOLTMETER；信号类型AC_SIGNAL；预定义资源DMM_CHANl；幅值范围O～300 V。只需将预定义资源由原来的“DMM_CHANl”改为“DMMl_CHANl”即可，其他范围检查使用缺省值或用NuLL跳过。完成上述工作后，测试程序重新编译运行，运行结果与采用E1412A万用表的运行结果一致。

 通过试验以看出，由于测试程序描述的是信号特性，而与具体所使用的仪器无关。当更换了测试仪器后，测试程序不需要任何改变，只要修改系统配置文件的信息、系统连线和虚拟资源的定义，使测试程序中的虚拟资源指向新的仪器和仪器驱动程序即可。说明了该通用测试系统支持仪器互换，TPS具有可移植性。

4 结 语
    由于目前各个测试仪器厂家推出的测试仪器有数百个品种，测试仪器动辄几万到几十万元，由于经费的限制，不可能购买全部测试设备进行验证，目前只对该项目中用到的仪器进行了实际联机试验，对其他测试仪器进行了部分仿真。在系统开发过程中难免出现考虑不周或者设计不合理的情况，还需要多征求军方和自动测试系统研制人员的使用意见，不断完善设计，在其他项目中不断验证其实用性。