自動測試系統(tǒng)通用性研究*

孫琎燁 李志軼

(海軍 92956部隊 大連 116041)

1 引言

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展,特別是電子應(yīng)用領(lǐng)域的數(shù)字技術(shù)、超大規(guī)模集成電路及DSP技術(shù)的廣泛應(yīng)用,軍用電子裝備實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化、智能化和模塊化,其功能越來越完善,自動化程度越來越高,硬件電路的通用性越來越好。雖然電子系統(tǒng)的性能得到提高,但是裝備的復(fù)雜性和測試手段落后等因素嚴(yán)重影響了電子設(shè)備的完好性、壽命周期和維修周期。

自動測試系統(tǒng)(ATS)是應(yīng)用計算機(jī)技術(shù)、自動控制技術(shù)以及結(jié)合故障診斷方法,快速、準(zhǔn)確地對電子系統(tǒng)是否異常進(jìn)行判斷,同時對故障點(diǎn)進(jìn)行快速定位,并將故障隔離到最小可換單元。早期的自動測試系統(tǒng)主要針對具體電子設(shè)備型號或系列,其通用性差,特別是現(xiàn)代軍用電子裝備結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜,導(dǎo)致針對具體型號電子設(shè)備研制自動測試系統(tǒng)周期較長,給電子裝備的技術(shù)保障帶來了許多困難。因此,通用自動測試系統(tǒng)的成為近年來系統(tǒng)開發(fā)的主流。

2 ATS的通用性描述

通用性描述了ATS的一種屬性,這種屬性可使ATS系統(tǒng)適應(yīng)各種不同型號或系列的電子裝備的測試和故障定位。通用ATS注重于采用公共的測試資源去適應(yīng)不同的測試需要,可以大大提高ATS的測試覆蓋范圍,適合批量生產(chǎn),降低開發(fā)費(fèi)用。同時,通用ATS應(yīng)采用開放式設(shè)計,具有可移植性和優(yōu)化的人機(jī)交互功能,適合不同技術(shù)人員測試和開發(fā)。

通用ATS分為通用系統(tǒng)硬件和通用系統(tǒng)軟件兩部分。通用系統(tǒng)硬件包括人機(jī)接口資源、激勵源、信息采集處理單元、開關(guān)資源以及UUT(被測單元)對應(yīng)的接口組成。通用系統(tǒng)軟件包括操作系統(tǒng)平臺、儀器驅(qū)動函數(shù)和測試程序開發(fā)環(huán)境[1]。ATS系統(tǒng)通用性實(shí)現(xiàn)有兩個關(guān)鍵技術(shù):一是系統(tǒng)及系統(tǒng)間硬件及軟件接口的標(biāo)準(zhǔn)化,包括系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化、軟件結(jié)構(gòu)及軟件基礎(chǔ)構(gòu)件的標(biāo)準(zhǔn)化、TPS編程語言的標(biāo)準(zhǔn)化以及系統(tǒng)信號接口的標(biāo)準(zhǔn)化等;二是針對電子設(shè)備最小可換單元的故障診斷技術(shù),包括診斷對象的狀態(tài)是否處于異常狀態(tài)或故障狀態(tài)、定位故障點(diǎn)[2]。

3 系統(tǒng)通用性的硬件實(shí)現(xiàn)

通用測試系統(tǒng)的硬件設(shè)計原則是使ATE(自動測試裝備)本身資源配置最大化,能夠覆蓋各種UUT的測試需求,例如激勵信號資源、較寬的采集信號頻帶等。不同電子應(yīng)用領(lǐng)域要求的測試需求差別很大,但如果能根據(jù)ATS的裝備情況及UUT的測試需求,在費(fèi)用合理、系統(tǒng)規(guī)模合理的情況下是可以求得UUT測試需求并集的。在求得UUT測試需求并集的情況下,配以相應(yīng)的卡式儀器及其它設(shè)備,即可搭建系統(tǒng)的硬件平臺。此外,為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的通用性,硬件設(shè)計與集成過程應(yīng)充分考慮系統(tǒng)的適應(yīng)性和擴(kuò)展能力,并采用標(biāo)準(zhǔn)化的測試集成方式,不僅要定義標(biāo)準(zhǔn)的信號接口,而且對測試系統(tǒng)中開關(guān)系統(tǒng)的布局、開關(guān)系統(tǒng)與測試資源的連接、測試系統(tǒng)的接地與屏蔽、可靠性與安全性設(shè)計等關(guān)鍵技術(shù)都要制定嚴(yán)格的規(guī)范。

3.1 系統(tǒng)的硬件組成

典型的通用自動測試系統(tǒng)的硬件平臺組成如圖1所示,主要包括:測試控制器、激勵資源、信息采集處理單元、開關(guān)系統(tǒng)與信號接口裝置[1]。測試控制器實(shí)現(xiàn)自動測試系統(tǒng)中各種激勵資源、檢測資源和開關(guān)系統(tǒng)的自動配置,并決定其工作方式、狀態(tài)、功能和參數(shù),控制測試信號的通道選擇與切換。測試系統(tǒng)與被測單元的信號交聯(lián)則是通過信號接口裝置實(shí)現(xiàn)。

圖1 自動測試系統(tǒng)的硬件組成

3.2 測試儀器的通用性設(shè)計

測試儀器包括激勵資源和信息采集處理單元兩部分,這里著重闡述激勵資源部分。在設(shè)計通用ATS系統(tǒng)初始階段,必須對電子裝備常用信號形式進(jìn)行統(tǒng)計、分析,以滿足覆蓋不同型號電子裝備測試需求的激勵資源。不同電子領(lǐng)域所要求的信號參數(shù)差別很大,例如水聲電子要求的頻帶范圍一般在幾千赫到幾十千赫,而無線通信系統(tǒng)要求的頻帶可達(dá)至高頻段,而且在特殊應(yīng)用領(lǐng)域還需要許多特定的信號形式。信號形式和參數(shù)的差別給通用ATS硬件設(shè)計帶來了挑戰(zhàn),為了在激勵資源設(shè)計中減少硬件設(shè)計的復(fù)雜程度,提出基本信號樣本→參數(shù)控制→信號合成的概念。在眾多信號形式中存在一部分最基本的信號形式,例如正弦信號(SIN)、脈沖信號(PULSE)、分段線性信號(PWL)、指數(shù)型信號(EXP)等,而其它信號形式基本上都是這些信號形式的推演或合成,因此設(shè)計通用ATS的激勵資源硬件系統(tǒng)時,可以以基本信號樣本為基礎(chǔ),由參數(shù)控制器和信號合成器控制生成所需的信號形式,激勵資源硬件組成如圖2所示。

圖2 激勵資源的硬件組成

3.3 信號接口裝置的通用性設(shè)計

為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的通用性,AT E上的測試接口需采用針對多種被測單元的通用接口,測試資源不直接與被測對象UUT相連,而是通過連接器—適配器結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn),如圖3所示。連接器連接測試資源;適配器連接UUT設(shè)備,適配器和連接器之間通過插座接口實(shí)現(xiàn)互連。檢測不同的測試對象只要更換相應(yīng)的接口適配器即可完成測試。

在適配器內(nèi)部封裝了信號調(diào)理模塊,可完成對被測信號進(jìn)行放大、濾波、提供電子負(fù)載、分配測試資源等功能[1]。根據(jù)被測對象的測試需求,選擇合適的適配器插槽與測試資源對接。

圖3 連接器—適配器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

需要強(qiáng)調(diào)的是對于不同型號電子設(shè)備要求的適配器類型不同,因此開發(fā)不同類型的適配器是通用ATS系統(tǒng)開發(fā)過程的一個重要環(huán)節(jié),相對于專用ATS系統(tǒng)開發(fā),適配器開發(fā)的繁瑣程度要大大降低。

3.4 開關(guān)系統(tǒng)在通用ATS中的設(shè)計

開關(guān)系統(tǒng)在通用ATS中實(shí)現(xiàn)被測單元接口與測試資源間的連接與通道切換,借助開關(guān)系統(tǒng),ATS設(shè)計者可以充分利用有限的測試資源滿足被測單元測試信號完備性需求,同時,開關(guān)系統(tǒng)是ATE系統(tǒng)中信號連接的樞紐,開關(guān)系統(tǒng)的性能直接影響ATE的指標(biāo)和功能。因此,開關(guān)系統(tǒng)的設(shè)計和配置是ATE硬件系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

首先,對開關(guān)系統(tǒng)的選取要根據(jù)測試信號的種類和參數(shù),根據(jù)不同信號的信號頻帶、耐壓和電流等的承載能力等選取相應(yīng)的射頻開關(guān)、功率開關(guān)等。其次,采用模塊化可擴(kuò)展的開關(guān)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。采用這種結(jié)構(gòu),不僅可以方便的擴(kuò)大開關(guān)系統(tǒng)規(guī)模,而且可以使開關(guān)系統(tǒng)向上兼容,有助于實(shí)現(xiàn)測試系統(tǒng)TPS的可移植性和互操作性。最后,選用具有開放商業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的開關(guān)系統(tǒng)模塊。具有開放標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品貨源多元化,品種系列化,維護(hù)和升級方便,有利于開關(guān)系統(tǒng)選型和對未來的技術(shù)支持。

4 系統(tǒng)通用性的軟件實(shí)現(xiàn)

軟件的可移植性與互操作性和儀器的可互換性是測試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)通用性的重要方面。為了實(shí)現(xiàn)軟件的上述功能,必須建立標(biāo)準(zhǔn)的軟件接口。軟件接口是提供信息共享、信息交換的統(tǒng)一接口,可以實(shí)現(xiàn)測試過程虛擬資源到真實(shí)資源的映射。軟件接口標(biāo)準(zhǔn)化的研究是真正實(shí)現(xiàn)測試程序集的可移植性和儀器的可互換性的關(guān)鍵技術(shù),也是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)軟件通用性的關(guān)鍵技術(shù)。

4.1 功能接口

為了實(shí)現(xiàn)測控軟件的通用化、系列化,首先軟件要與硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相適應(yīng),根據(jù)硬件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)制定軟件所涉及的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),最后考慮軟件結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)測控軟件的各種功能。根據(jù)上述測試系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu),提出了標(biāo)準(zhǔn)的軟件接口—功能接口的概念。功能接口是一套封裝了虛擬儀器具體功能的細(xì)節(jié),對外提供標(biāo)準(zhǔn)功能接口的函數(shù)庫和配置工具的軟件包。功能接口將所有的儀器(最小集合是測試系統(tǒng)中的儀器)可實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行分類,忽略各個儀器的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。功能接口的核心是儀器控制、接口映射及狀態(tài)緩存,其主要任務(wù)是將測試流程所描述的功能映射為具體的控制過程。

功能接口可分為功能層、邏輯層、儀器操作層、接口配置工具及接口配置文件五個部分。各部分關(guān)系如圖4所示。

功能層是整個結(jié)構(gòu)的最高層,面向測試系統(tǒng)開發(fā)的最終用戶,功能層不用出現(xiàn)任何與儀器有關(guān)的信息,描述的都是有關(guān)測試流程及結(jié)果判定的過程;邏輯層根據(jù)系統(tǒng)測試儀器資源、信號轉(zhuǎn)接通道控制模型及信號轉(zhuǎn)接通道配置的描述,將功能層的功能映射到具有邏輯名稱的儀器和通道,該邏輯名可以指向測試系統(tǒng)中一臺特定設(shè)備,當(dāng)該儀器模塊更換時,只需改變邏輯名的指向為新型設(shè)備即可,因此邏輯層不包含儀器地址、具體會話等信息,具備儀器無關(guān)性;儀器操作層利用儀器驅(qū)動程序或隨儀器模塊提供的動態(tài)鏈接庫控制硬件的所有操作;接口配置工具用于交互式配置測試資源、信號轉(zhuǎn)接控制元件及接口映射關(guān)系等信息,建立測試儀器功能模型及信號轉(zhuǎn)接通道控制模型,并將各模型的描述信息存儲在配置文件中,供測試功能接口使用;接口配置文件存儲的是測試儀器功能模型及信號轉(zhuǎn)接通道控制模型的信息,包括測試資源信號端口及通道、電氣連接關(guān)系、信號轉(zhuǎn)接通道具備的操作功能、操作儀器應(yīng)具備的其他附加條件等。

基于功能接口技術(shù)的測試軟件開發(fā)方案的主要思想是,在測試流程與具體儀器之間建立功能接口,將儀器控制與測試程序完全隔離,即測試流程面向UUT接口信號,不進(jìn)行直接面向儀器的操作。采用基于功能接口技術(shù),可以有效地實(shí)現(xiàn)測試程序集的可移植性和儀器的可互換性,從而實(shí)現(xiàn)測試系統(tǒng)的通用性。

4.2 故障診斷與定位

測試電子設(shè)備的目的是判斷對象的狀態(tài)是否處于異常狀態(tài)或故障狀態(tài)、確定故障點(diǎn)部位,便于有針對性地對故障部位進(jìn)行維修,因此對故障點(diǎn)的定位是通用ATS系統(tǒng)需要完成的最終環(huán)節(jié)。由于不同型號電子設(shè)備的電路結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)功能差別很大,因此要定位具體電子設(shè)備故障點(diǎn)就需要特定的分析流程或通過人工干預(yù),這對實(shí)現(xiàn)故障診斷與定位的通用性帶來困難。故障點(diǎn)的傳統(tǒng)定位方法通常有兩種,一是根據(jù)具體電路或其實(shí)現(xiàn)功能,制定特定的診斷邏輯序列;二是制定診斷流程,通過人工干預(yù)分析確定故障點(diǎn),這兩種故障診斷方法通用性差,現(xiàn)今人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、模糊理論以及自適應(yīng)遺傳算法等方面的迅速發(fā)展,為實(shí)現(xiàn)故障診斷與定位的通用性提供了可能[2～3],這里例舉了幾個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn):

圖4 功能接口組成

1)并行分布性處理

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的神經(jīng)元排列并不是雜亂無章的,往往是分層或以一種有規(guī)律的序列排列,信號可以同時到達(dá)一批神經(jīng)元的輸入端,該結(jié)構(gòu)非常適合并行計算,推理速度快。

2)可學(xué)習(xí)性

一個相對很小的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可存儲大量的專家知識,并且能根據(jù)學(xué)習(xí)算法,或者利用樣本指導(dǎo)系統(tǒng)來模擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境,或者對輸入進(jìn)行自適應(yīng)學(xué)習(xí),不斷地自動學(xué)習(xí),完善知識的存儲。

3)魯棒性和容錯性

由于采用大量的神經(jīng)元及其相互連接,具有聯(lián)想記憶與聯(lián)想映射能力,可以增強(qiáng)專家系統(tǒng)的容錯能力,人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中少量的神經(jīng)元發(fā)生失效或錯誤,不會對系統(tǒng)整體功能帶來嚴(yán)重的影響。

4)泛化能力

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一類大規(guī)模的非線形系統(tǒng),這就提供了系統(tǒng)自組織和協(xié)同的潛力。

5)具有統(tǒng)一的內(nèi)部知識表示形式,任何知識規(guī)則都可以通過對范例的學(xué)習(xí)存儲于同一個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的各連接權(quán)值中,便于知識庫的組織管理,通用性強(qiáng)。

故障診斷方法的通用性體現(xiàn)在針對不同型號、不同功能的電子設(shè)備,該方法均能適合故障的診斷與定位。以下介紹一種基于自適應(yīng)算法實(shí)現(xiàn)故障診斷與定位的基本原理,首先,要根據(jù)具體被測電路制定電路仿真模型,激勵源分別通過被測電路和仿真模型使它們之間產(chǎn)生誤差信號,其次,根據(jù)誤差信號調(diào)整自適應(yīng)控制器權(quán)值,逐步使誤差信號收斂,最后根據(jù)權(quán)值定位故障點(diǎn)[4～5],具體實(shí)現(xiàn)原理如圖5所示。

圖5 故障診斷自適應(yīng)算法實(shí)現(xiàn)原理

5 結(jié)語

實(shí)現(xiàn)ATS的通用性,盡量減少裝備技術(shù)保障設(shè)備的數(shù)量及種類,是提高經(jīng)濟(jì)及軍事效益的有效途徑。通過對硬件及軟件兩個方面通用性關(guān)鍵技術(shù)的研究,為實(shí)現(xiàn)ATS的通用性,奠定了堅實(shí)的基礎(chǔ)。

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