基于ATML的ATS資源建模與運行時服務研究

(1.西北工業(yè)大學 電子信息學院，陜西 西安 710129； 2.空軍駐江西地區(qū)軍事代表室，江西 南昌 330024)

隨著時代和科學技術的飛速發(fā)展，通用自動測試系統(tǒng) (Automatic Test System，ATS) 逐漸興起。在自動測試系統(tǒng)內部，各個組件之間緊密連接，同時進行必要的數(shù)據(jù)交換，系統(tǒng)資源信息的規(guī)范化描述就變得尤為重要，它是保障自動測試系統(tǒng)通用性的前提。

IEEE標準委員會下的測試信息集成(TestInformation Intergration)分委員會發(fā)布了自動測試標記語言(Automatic Test Markup Language，ATML)標準集[1，2]，該語言標準的使用可擴展標記語言 (eXtensible Markup Language，XML) 來進行ATS組成單元之間測試信息的標準化交換。

ATML標準的優(yōu)點體現(xiàn)在3個方面：

① 概括了自動測試系統(tǒng)內部的必要元素；

② 對ATS內部系統(tǒng)資源提供了規(guī)范化描述，提高了系統(tǒng)的通用性，便于系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交換；

③ ATML將系統(tǒng)劃分為各個子組件，便于組件建模，同時也可通過XML進行數(shù)據(jù)交換。

文獻[3]提出了以稀疏矩陣和單鏈表為基礎的資源匹配算法；文獻[4]提出了一種ATS軟件建模技術，實現(xiàn)了兼容ATML標準所需的建模流程設計、模型識別及模型運行流程設計；文獻[5]提出了以多屬性決策理論研究儀器能力與測點需求的匹配，并建立了匹配函數(shù)，量化衡量測點與儀器的匹配優(yōu)劣；文獻[6]利用ATML Schema組件內容及其相互關系的關鍵XML技術所體現(xiàn)的先進軟件工程的思想體現(xiàn)的繼承、多態(tài)、消息映射等概念開發(fā)自定義的測試信息描述Schema；文獻[7]介紹了ATML的需求背景、體系組成以及在自動測試系統(tǒng)中的實際應用案例；文獻[8]介紹了ATML標準在空空導彈研究中的應用；文獻[9]提出了一種運行時服務設計方案，完成了運行時服務功能；文獻[10]和文獻[11]通過分析資源描述文檔來判斷測試系統(tǒng)內部儀器是否滿足需求；文獻[12]提出了利用ATML的關鍵信息搜索測試通道的方法；文獻[13]提出了一種面向信號的自動測試系統(tǒng)資源分配方法，通過信號匹配為UUT端口分配儀器資源。

本文針對ATML標準對ATS系統(tǒng)資源進行分析，將資源劃分為6個子組件進行組件建模，并分別設計了建模工具對資源信息進行ATML描述。在此基礎上對運行時服務(Runtime Service，RTS)進行功能設計，通過多屬性匹配完成虛擬資源映射，并通過廣度優(yōu)先搜索算法完成了路由通道選擇。

1 自動測試標記語言

1.1 ATML

ATML標準的出現(xiàn)成功地解決了測試系統(tǒng)資源信息的通用性問題，提高了系統(tǒng)之間信息的共享效率。ATML標準以XML技術為基礎，開發(fā)符合測試領域適用的XSD格式的系統(tǒng)資源描述文件。

ATML體系結構主要包括三大部分：ATML框架、ATML組件和ATML相關標準[14]。ATML主體框架通過ATML子組件的形式進行定義，其包括了通用信息、測試結果、測試描述、測試配置、儀器描述、測試站描述、測試適配器描述、被測設備(UUT)描述。同時，子組件由3部分組成：標準、XSD文件和實例文檔。XSD文件規(guī)定了對應XML文件的結構框架和屬性，對相應的XML文件的正確性進行判斷[5-6]，ATML標準為系統(tǒng)內部硬件資源信息的存儲規(guī)定了基本結構框架，ATML解析工具可以方便地解析按照ATML標準存儲的數(shù)據(jù)。

1.2 ATS資源

ATS系統(tǒng)由硬件平臺和軟件平臺共同組成。ATML標準主要對系統(tǒng)的軟硬件資源進行標準化描述。根據(jù)ATML標準對ATS系統(tǒng)資源進行描述，將系統(tǒng)資源分為6個子組件進行建模：測試描述、儀器、UUT、測試適配器、測試站和系統(tǒng)連接關系，各個子組件之間通過標準規(guī)范進行數(shù)據(jù)交換。各模塊之間的信息互聯(lián)如圖1所示。

ATML標準與系統(tǒng)資源對應關系如下。

(1) 測試描述(IEEE 1671.1)

圖1 模塊之間互聯(lián)關息

測試描述文件對測試信息進行了存儲，包括接口信息、測試動作、測試序列、UUT相關信息等。

(2) 儀器描述(IEEE 1671.2)。

儀器描述對測試系統(tǒng)內部儀器資源自身信息進行了定義，主要包括儀器能力、接口和儀器內部端口的連接關系。儀器能力以信號特征描述，符合IEEE 1641的信號標準。

(3) UUT描述(IEEE 1671.3)。

UUT描述對UUT的信息進行了定義，包括UUT對外提供的接口信息、UUT基本信息、引腳的信號需求等。

(4) 測試適配器描述(IEEE 1671.5)

測試適配器的主要作用就是匹配測試站和UUT，內部包括信號調理電路和連接開關。測試適配器描述主要對其內部連接關系、適配器端口和內部電氣特性進行描述。

(5) 測試站描述(IEEE 1671.6)。

測試站作為ATS主要硬件平臺，內部含有測試系統(tǒng)中的各種資源。測試站描述主要是對外部接口、內部連接關系、儀器資源進行描述。

(6) 系統(tǒng)連接關系描述

系統(tǒng)連接關系描述定義了測試站與測試適配器、測試適配器和UUT之間的外部連接關系。

2 儀器建模技術

2.1 儀器描述方法

本文以儀器建模為例，對資源建模進行了說明。在自動測試系統(tǒng)中，儀器的主要功能是實現(xiàn)對UUT測點信號需求的產生和測量。儀器資源模型應該全面細致地反映自動測試過程中所需要儀器的各種信息。

儀器信息通過符合ATML標準的XML文件進行存儲，保證了儀器在自動測試系統(tǒng)之間的通用性。儀器資源模型主要包括儀器的基本信息、通道信息和能力信息。ATML標準通過Instrument Description.xsd文件對儀器ATML文檔進行規(guī)范[15]。

儀器描述模式文檔通過樹形結構層次化地展示了信息間的相互關系，允許用戶對儀器信息進行保存，儀器描述文檔以InstrumentDescription為根節(jié)點，包含了儀器的基本信息、接口信息及其他關鍵信息。儀器描述文件視圖如圖2所示。

圖2 儀器描述文檔邏輯視圖

ATML標準最初制定時為了保證資源信息的全面性，描述模式文檔的信息冗余量比較大，在應用中，考慮到具體測試任務的需要，開發(fā)者可選取所需要的關鍵信息對資源進行描述。本文選取典型的3個節(jié)點對儀器描述文檔進行說明。

(1) 接口信息(Interface)。

接口通過Interface元素進行描述。接口信息主要包括連接器(Connectors)和端口(Ports)。Connectors元素描述硬件設備的物理連接信息，主要包含ID、位置、類型和模型名稱，在XML文件中采用樹形結構，可以很方便地表述多個連接器之間的相互關系。

(2) 內部連接信息(NetworkList)。

內部連接信息描述了與硬件內部各個端口之間的連接關系，它是硬件內部各個端口之間的一種物理連接方式，其通過NetworkList元素來描述。

(3) 能力信息(Capabilities)。

儀器信號能力在Capabilities節(jié)點下描述，包括信號能力和資源能力映射。在儀器內部，資源是一種產生信號能力的邏輯實體，包括資源名稱和資源端口兩部分；而信號能力就是資源能夠產生的信號特征的描述。在儀器能力建模時，為了表征儀器某個端口的信號能力，需要完成信號端口到資源端口、資源端口到儀器邏輯端口的映射。

2.2 儀器建模設計

在整個測試系統(tǒng)建模組件的開發(fā)中，考慮到建模工具可為用戶提供良好的圖形交互環(huán)境，又考慮到采用面向對象的C++語言可以方便程序的開發(fā)，選用Qt5.8開發(fā)系統(tǒng)資源建模組件，同時Qt含有QDomDocument和QXmlStreamReader等類庫，可以方便地對XML文件進行讀寫操作。

儀器建模軟件旨在通過良好的人機交互界面建立符合ATML標準的儀器描述模型。儀器建模軟件根據(jù)儀器模式描述文檔特點，采用樹形結構表征模型，對于描述文檔所需元素，其以一定的圖元進行表示，并建立子組件。儀器建模軟件包含多個子組件，各個子組件分別對不同元素建模，最后根據(jù)樹形結構進行綜合。儀器建模軟件中關鍵模塊為模型轉換模塊，開發(fā)人員輸入模型數(shù)據(jù)后，模型轉換模塊按照ATML模型結構將數(shù)據(jù)動態(tài)轉換為ATML文件，實現(xiàn)資源建模。

儀器建模軟件通過可視化的界面，將開發(fā)人員輸入的儀器數(shù)據(jù)動態(tài)轉化為符合ATML標準的儀器描述文檔，快速實現(xiàn)儀器建模 。通過儀器建模軟件，開發(fā)人員可以在僅了解所需儀器的性能、接口信息的前提下，實現(xiàn)儀器的ATML描述，減少了自動測試過程中人力資源的投入，使資源建模更加靈活通用。儀器建模軟件的工作流程如圖3所示。

圖3 儀器建模工具工作流程

本文以信號能力和資源建模為例，對組件部分界面的設計進行介紹。資源能力建模主要信息如表2所示。

表2 資源能力建模信息

根據(jù)信號能力和資源的必要信息，信號能力建模工具界面設計如圖4所示，對儀器信號能力建模過程中，引用STD標準[16-17]對信號屬性進行建模。

圖4 信號能力建模工具界面

用戶通過儀器建模組件，可以方便地對儀器的相關信息進行錄入，以生成符合規(guī)范的ATML描述文件。例如，在對儀器能力建模過程中，用戶可通過界面錄入儀器的信號能力屬性特征及資源端口，并以XML文件的格式保存在計算機內存中。

3 運行時服務

3.1 運行時服務分析

運行時服務模塊是面向信號的測試環(huán)境中進行資源管理的關鍵環(huán)節(jié)。

本質上來說，測試程序是一系列信號操作的集合，例如創(chuàng)建信號、初始化信號和控制信號。在儀器驅動層上，各種儀器驅動通過IVI-Signal標準封裝成COM組件，通過傳入信號的具體參數(shù)來調用儀器。在這個過程中，運行時服務系統(tǒng)根據(jù)具體的測試需求來進行儀器能力的映射，并找到一條最佳的信號通路，完成虛擬資源映射和路由通道選擇。

(1) 虛擬資源映射。

在測試描述文檔中，用戶所需的測試需求通過信號的方式進行描述，體現(xiàn)了當前測試任務對信號能力的需求，系統(tǒng)資源描述文檔中的信號能力以信號形式描述，體現(xiàn)了當前儀器所能提供的信號特征，因此RTS要完成測試信號需求與儀器能力的匹配。

(2) 路由通道選擇。

完成虛擬資源映射之后，通過系統(tǒng)中資源文件確定UUT被測點以及儀器能力端口，RTS通過加載所有的資源描述文檔，存儲系統(tǒng)中的引腳連接關系，根據(jù)資源連接關系為UUT的被測點確定一條最佳信號通路，即路由通道選擇。

3.2 運行時服務設計

系統(tǒng)中具有完善的內部資源描述信息是運行時服務系統(tǒng)正常工作的前提，包括測試站、UUT、測試適配器、儀器和系統(tǒng)連接關系的信息。測試程序執(zhí)行過程中，RTS通過解析各個資源描述文檔并通過信號匹配算法完成虛擬資源映射，RTS引用各個系統(tǒng)資源描述文檔如圖5所示。

圖5 RTS引用系統(tǒng)資源描述文檔示意圖

3.2.1 虛擬資源映射設計

虛擬資源映射的目的是檢查測試系統(tǒng)提供的測試能力是否能夠滿足測試需求。如果測試系統(tǒng)不能滿 足UUT的測試需求，則表示該測試系統(tǒng)不能對指定UUT進行測試，系統(tǒng)應給出相應的提示。運行時服務系統(tǒng)工作時，首先完成虛擬資源映射，將測試信號需求映射到信號能力，得到物理端口信息，通過多屬性匹配算法完成資源映射。主要實現(xiàn)步驟如下：

① 提取測試信號需求。通過解析描述文件得到需求信號的特征和信號類型。

② 提取測試站能力。解析測試站描述文檔，根據(jù)測試站描述文檔中Capability元素的子元素Sign-alDescription，獲取測試站所有的信號能力和端口。

③ 匹配信號能力。通過信號匹配算法，將測試信號需求和信號能力特征進行匹配，匹配成功則記錄對應儀器名稱和儀器端口。匹配過程如圖6所示。

多屬性匹配算法將測試需求信號及測試站能力內部屬性進行匹配，算法執(zhí)行過程中對各類屬性進行分類匹配，完全匹配則資源映射成功。基于此匹配方法的測試軟件平臺能夠自行判斷系統(tǒng)是否有能力執(zhí)行一個給定的測試任務，并自動匹配測試儀器。在系統(tǒng)測試程中實現(xiàn)可用儀器的快速查找，保證了資源匹配過程中的有序性和準確性。

圖6 多屬性匹配過程

3.2.2 路由通道選擇設計

路由通道選擇的目的是獲取能力端口和UUT被測端口之間的最佳通路。在系統(tǒng)內部資源描述文檔中，各個硬件設備的端口在Interface元素下的子元素Ports中定義，硬件內部連接關系在NetworkList元素中定義，系統(tǒng)間的連接關系在系統(tǒng)連接描述文檔中通過WireList元素定義，測試系統(tǒng)內部端口的連接關系構成關系圖，為了方便查找，基于圖論的思想，采用圖結構對端口間的連接關系進行存儲，并通過廣度優(yōu)先搜索算法搜索，主要實現(xiàn)步驟如下：

① 遍歷系統(tǒng)資源描述文檔，提取端口間的連接關系，并通過圖結構進行存儲。

② 起點為信號能力端口，終點為UUT被測端口，通過廣度優(yōu)先搜索算法對連接網絡圖進行遍歷。

③ 以最短路徑為指標，選擇出最佳的信號通路。

自動測試測試系統(tǒng)內部資源端口間連接關系通過連接關系圖直觀表示，通過圖論的思想，路由通道選擇模塊解析資源描述文件，將連接關系存儲在內存中，構建系統(tǒng)端口連接關系圖，通過廣度優(yōu)先搜索遍歷端口連接圖，可準確確定是否存在信號能力端口到UUT被測端口的信號通路，極大縮短了傳統(tǒng)方法中頻繁解析ATML文件所浪費的時間，提高了測試效率。

假設儀器1自身能夠產生兩種信號，分別為0～12 V的直流信號和一個幅值為0～16 V，頻率為200～1000 Hz的正弦信號，通過兩個端口輸出。測試系統(tǒng)內部連接關系在此不再贅述。測試信號需求為幅值為6 V的直流信號，該信號被施加在連接器引腳J1-P-in0、J1-Pin1上，對應UUT端口為uut_power，通過RTS虛擬資源映射，對測試需求信號和測試站能力進行多屬性匹配，匹配到的測試站中的instrument儀器端口dcpower符合該信號能力，通過路由通道選擇找到了儀器端口dcpower到UUT端口uut_ power的最佳信號通路。RTS運行結果如圖7所示。

圖7 RTS運行結果

4 結束語

ATML標準規(guī)定了測試系統(tǒng)內部資源的通用化描述。在ATML標準下，資源信息以規(guī)定的格式存儲，保證了系統(tǒng)內部的數(shù)據(jù)交換和系統(tǒng)間的互操作性。本文對系統(tǒng)資源建模進行了分析和建模工具的設計，實現(xiàn)了資源信息的可視化、規(guī)范化建模，提高了ATML文件的書寫效率；并在已有資源描述文件基礎上，提出了一種運行時服務的設計方案，完成了虛擬資源映射和路由通道選擇的算法設計，具有一定的實際應用意義。