通導系統通用自動測試平臺設計

康祥熙

(中國西南電子技術研究所，成都 610036)

0 引言

機載通導設備多，信號交聯關系復雜。在設備研制、型號轉段和產品交付等階段都會對設備進行大量的測試，力求設備能夠滿足科研生產技術要求，達到相應狀態。現階段對機載設備的測試仍較多沿用傳統的方式，例如通過儀器搭建測試系統，手動操作人工記錄的方式，也有通過開發專用型測試系統，針對特定任務開展測試。前者測試方式屬于較原始的形態，后者的測試方式雖然能夠在一定程度上提高測試效率，但系統研制成本高，且適應性不強，測試資源無法在多個測試任務間共享，不通用。

研究適用于機載通導系統的多層次、松耦合、通用化自動測試平臺，避免傳統測試系統中常見的一個型號一套測試軟件的弊端，從而解決軟件架構不統一、測試程序在測試任務間不能共享的問題。最終實現多型號、多任務、同平臺的通用型自動測試能力。

1 架構研究

通用自動測試平臺架構在參照國際國內標準的同時，結合航空產品測試特點，將平臺架構[1]劃分為6個層次，如圖1所示，分別是測試應用層、測試程序層、資源調度層、儀器驅動層、ICD協議適配層和物理設備層。平臺每層涉及到的流程與模型均由ATML描述[2]，主要有測試描述[3]、儀器描述[4]、UUT描述[5]和適配器描述[6]等。除此之外平臺架構提供滿足STD標準[7]和ATML標準的中間數據層，規范數據格式，分布實時存儲。自動測試平臺中的所有被測件、真實交聯設備、仿真模型、信號仿真工具、數據顯示記錄工具等之間沒有直接的接口，在模塊與模塊之間不產生數據交換。任何模塊(DLL/LIB、COM組件、EXE、VI等)只能與中間數據層產生數據交換，從而解決了模塊耦合的問題。中間數據層的引入使得自動測試系統在開發階段無須提前約定通信接口，更多關注模型功能與算法本身的開發。其次中間數據層提升了數據監控、數據管理與數據顯示接入的便捷性。

圖1 通用自動測試系統平臺架構

測試應用層：測試應用層作為整個軟件架構的最頂層，主要為用戶提供人機交互接口管理界面，實現自動測試配置文件生成及管理，測試數據顯示及管理，測試報告生成及管理和測試序列管理功能。

測試程序層：測試程序層為自動測試系統的核心業務層。該層提供了TPS庫。TPS庫的調用依賴于測試應用層的測試項目配置，由配置決定哪些TPS被調用。TPS庫由測試序列組成，測試序列又由各級子序列構成，子序列由最基礎的測試步組成。該層通過TestStand集成諸如C/C++、C#、CVI和MATLAB等外部應用，所有的測試序列均由ATML描述其接口和邏輯。

資源調度層：任務調度管理借助于TestStand引擎實現，實現TPS調用運行，是整個測試系統運行的核心[8]。

儀器驅動層：儀器驅動層包含總線驅動、通用儀器(VISA封裝)和非標定制儀器驅動。儀器驅動層是調度控制層與物理設備層的中間層，通過儀器驅動層實現了儀器的實例化配置和控制運行。

ICD協議適配層：ICD協議適配層包含ICD協議內容適配和總線接口適配。測試應用基于ICD和總線通硬件設備通信，不同項目ICD存在差異，為了讓應用開發無須過多關注ICD協議與總線接口，采用ICD協議內容和總線接口適配的方法屏蔽低層級內容。ICD協議適配層的引入有助于實現ICD到變量，變量到ICD的轉換，降低了TPS的開發難度。

物理設備層：物理設備層為自動測試系統架構得最底層。物理設備層包含了執行測試任務的具體測試設備、被測對象、交聯設備、模擬器和工作站。

2 硬件平臺

2.1 典型系統物理架構

典型的開放式的自動測試系統的物理結構[9]主要由控制子系統、儀器子系統、激勵子系統和接口適配器組成。其硬件結構框圖如圖2所示。控制子系統通過控制總線連接儀器子系統和激勵子系統。控制子系統控制激勵子系統產生激勵信號，信號通過接口適配器輸出至待測設備，待測設備響應并通過接口適配器將響應信號回傳至儀器子系統，完成測試測量。

圖2 自動測試系統硬件結構框圖

2.2 物理架構

經典的自動測試系統物理架構已包含測試系統所需的基本要素，能夠滿足一般產品測試需求。而航空通導設備因產品的復雜性往往需要具備諸如監控、調試等更多功能。設計適用于通導系統的自動測試平臺物理架構，需結合自身測試需求。如圖3所示為某型機載通導設備自動測試系統物理架構，其在保留控制子系統、激勵測量子系統(專用激勵器和通用儀器)、適配子系統的基礎上增加了監控子系統和電源子系統。在此架構基礎上如需實現基于復雜場景的動態測試，應增加場景模擬子系統、動態信號解算子系統。

圖3 某型機載通導設備自動測試系統物理連接圖

控制子系統通過RSS422、GPIB總線連接并控制激勵/測量子系統中的通用儀器和功能激勵器產生激勵信號，信號通過適配子系統中的低頻適配器和射頻適配器實現測試通路選擇、信號調理和轉發至待測設備，待測設備接收激勵信號，完成對應功能信號處理，產生響應和數據分析結果，通過適配子系統，再次將響應回傳至測量子系統，通用儀器接收回傳信號，處理并將結果上傳至控制子系統存儲和顯示。監控子系統則是通過監控點實現對諸如429、1553、CAN等常用航空總線信號實時采集和ICD分析，實現測試過程、測試異常的監控。電源子系統為待測產品提供直流28 V或交流115 V供電，并可實現加電控制。

3 軟件平臺

3.1 設計思路

TestStand是美國NI公司一款自動測試開發與管理軟件，其在支持圖形化測試序列編輯、測試步驟順序拖曳調整、多種代碼模塊識別集成、串行并行測試等方面優點突出。TestStand主要用于完成測試管理、測試執行、任務匯報等復雜的業務邏輯。測試業務與待集成外部應用可以分開開發，在一定程度稍降低了開發人員耦合交織的情況發生，減少了開發人員的重復性工作，將開發重點轉移到測試要求和測試指標，最終提高了開發效率，縮短了自動化測試和驗證系統的研制周期和部署時間。

鑒于TestStand上述優點，且提供標準的COM組件接口和外部應用(VI、DLL、EXE等)調用接口，通導系統通用自動測試平臺軟件設計采用集成TestStand引擎，圍繞引擎二次開發的思路進行。

1)采用C#語言開發圖形用戶界面，實現測試任務管理和調用；

2)采用集成TestStand作為運行引擎的方式，實現測試任務運行；

3)采用Office作為測試報告模板編輯工具，實現測試報告的自動生成。

3.2 軟件組件

圖4 軟件組成

通用自動測試平臺軟件采用異構的軟件框架，按功能分為多個組件，可實現軟件自由裁剪和擴展，具體組件組成如圖4所示，主要由用戶交互組件、用戶管理組件、數據管理組件、數據報表組件、序列組件和運行組件組成。用戶交互組件是整個系統的總控界面，完成人機交互工作。運行組件作為核心調度組件，實現過程調度和數據推送功能。數據管理組件作為所有狀態和信息的存儲地，用于實現過程數據的持久化。

圖5 軟件主界面

圖5所示為自動測試平臺軟件主界面，軟件主界面采用左樹右表的布局。左側樹型列表提供測試項目勾選和管理，中間測試步驟區域則提供測試序列簡單編輯和運行過程查看，下方波形顯示區域提供測試數據圖形化顯示，右側區域為序列狀態查看，頂部工具欄則提供測試運行、暫停、停止、串并行模式選擇和系統設置等功能。

3.3 交互流程

軟件組件之間交互流程如圖6所示。用戶登錄界面驗證使用人員權限，加載測試人員、開發人員、管理員等角色配置文件，主界面根據配置文件構建界面內容與風格。管理員通過用戶管理組件實現用戶的新增和刪除，以及權限分配。在主界面用戶操作選擇測試序列，點擊開始則啟動引擎并通知運行組件將測試序列加載至引擎執行，執行過程中調用底層驅動控制測試硬件實現總線信號數據收發、功能激勵器激勵信號產生、通用儀器測量和結果采集等自動化測試。測試結論數據上傳至數據報表組件。數據報表組件打開測試序列對應模板，完成數據寫入和測試報告生成。在測試過程若需要查看數據和顯示的時候，則需要在序列編輯時，通過DLL組件進行設置，設置完成便可在測試運行過程中，實現測試數據實時數值顯示和二維波形顯示。

圖6 軟件組件交互流程

同時，每次測試過程中的測試數據均會存入數據庫中，需要導出歷史報表時可以先查詢出感興趣時間的測試結果，然后將測試結果依據數據書簽映射關系導入至報表模板，生成測試報告。

4 關鍵技術

4.1 界面動態加載技術

自動測試用戶界面并非固定不變，可根據登錄人員權限動態加載軟件界面。軟件界面采用Dock界面框架，可通過拖拽操作進行窗口布局，不同測試人員可以有專屬測試操作界面，且界面窗口異構，擴展性強。

1)數據驅動圖形。

對于主界面的波形圖繪制部分采用數據驅動的方式進行管理。繪圖顯示窗口區域加載繪圖插件，繪圖插件根據實際需求開發，以DLL的形式存放于本地，繪圖插件加載完畢，則將需要繪圖的變量與測試變量綁定，測試數據由序列組件通過TestStand引擎獲取，在獲取到數據后通過接口適配調用對應繪圖插件解析數據包并調用PlotData方法繪圖，其結構關系如圖7所示。

圖7 動態波形顯示結構原理

2)自定義圖形界面加載。

用戶自定義的繪圖插件采用動態加載的方式進行管理。要求實現的插件代碼為C#編寫，其DLL中的主類類名必須固定，而且必須繼承Form類。如果要使用Dock框架則必須繼承Dock框架的DockContent類。DLL加載原理如下：

(1)利用反射進行動態加載和調用

Assembly assembly=Assembly.LoadFrom(DllPath)；

(2)加載dll后，需要使用dll中某類

Type type= assembly.GetType(“TypeName”)；

(3)實例化類型

Object obj = Activator.CreateInstance(type，params[])；

(4)調用類型中的某個方法，需要首先得到此方法

MethodInfo mi=type.GetMethod(“MehtodName”)；

(5)然后對方法進行調用，多態性利用參數進行控制

mi.Invoke(obj，params[])；

4.2 報表與測試數據綁定技術

測試報表是自動測試系統最終輸出結果。通過測試報表直接反映測試數據和測試結論。為滿足各式各樣的測試報告樣式需求，報表模板需能夠由用戶任意定制。報表與測試數據綁定技術研究能夠解決此問題。通過代碼驗證和書簽方式對Word報表進行指定位置的內容填入和修改，通過報表組件建立TestStand和Office Word的連接，實現測試序列的變量和報表中待存儲數據的映射(即：書簽-變量)，并將映射關系存入數據庫。在導出報表時依據對應關系填寫報表內容。圖8描述了綁定報表模版的流程圖。

圖8 綁定報表模版的流程圖

4.3 對分快速遍歷測試法

自動測試一般采用固定步長遍歷的方法進行諸如靈敏度、動態范圍等指標的測試。其主要思路是將激勵信號從初值開始按固定步長遞進增大或減小，直至遍歷出預期的測量值。采用固定步長遍歷測試的最大遍歷測試次數一般為：

遍歷測試次數max=(b-a)/step +1

以某功能接收靈敏度測試為例，將功能激勵器輸出信號電平幅度的初值設置為-110 dBm，以1 dBm為步進不斷增加激勵電平幅度，每增加一個步進就測量一次輸出，看是否滿足指標要求，不滿足則繼續遍歷，直到激勵信號電平幅度增大到-90 dBm，此時測量獲得了預期的輸出。這種固定步長的遍歷方法雖然不影響測試精度，但遍歷次數較多，僅接收靈敏度測試需要進行21次遍歷，花費較長時間。為解決傳統遍歷測試法遍歷次數多、測試效率低的問題，針對線性系統可采用對分遍歷區間的方法縮短遍歷次數，提升測試效率。

圖9 對分遍歷法示意圖

首先設置激勵信號為a，測量此時的輸出值，記為ya，要保證待測設備輸出的ya為無效電平，設置激勵信號為b，測量此時的輸出值，記為yb，要保證待測設備輸出的yb為有效電平。滿足上述條件后，此時將遍歷區間對分為[a，x0]，[x0，b]兩個子區間；然后判斷y(x0)是否有效，如果有效，對分[a，x0]，無效對分[x0，b]，直至|xn-xn-1|<=tolerance。

對分遍歷法的流程示意如圖10。

圖10 對分遍歷法流程圖

同樣以該功能接收靈敏度測試為例，激勵電平幅度的初值為-110 dBm，而該測試項指標要求優于-88 dBm。因此采用對分遍歷法進行測試，在同樣測試精度要求下，獲得預期輸出時的遍歷次數不超過6次。

5 實驗結果與分析

在聯試場地操作自動測試平臺對通導系統分機1、分機2的通信功能和導航功能進行了主要性能指標測試，并對測試時長進行統計，具體數據見表1。

表1 測試時長統計

由表1可知，采用傳統手動測試方法對 通導系統測試的時間為13.3小時，采用自動測試方法的測試時長為2.6小時，實現了測試效率5.1倍提升。

除此之外，由于采用自動測試平臺測試，在測試準備階段只需1人便可以完成加電檢查和加電操作等測試準備操作，在測試階段由1人運行測試平臺、選擇測試序列和運行步驟，測試自動運行過程中，測試人員可以不在現場，而完全交由系統自動完成待測設備/激勵器/通用儀器/設置、測試、測量和測試結論步驟。相比傳統手動測試2～4人的人力需求，采用自動測試平臺測試人力需求縮減至1人。

6 總結

采用本文所述架構設計的通導系統通用自動測試平臺，是一套具備圖形化的測試序列編輯環境，能夠實現一鍵串行或并行測試的以科研測試、生產檢測和綜合維修保障為應用需求背景的通用、高效、便捷、可擴展的包含成熟軟硬件平臺的自動測試開發運行環境，現已實際應用于多個項目。

通導系統自動測試平臺的使用不僅簡化了測試流程，規避了人帶來的測試質量不穩定，測試一致性不高，測試操作繁瑣等缺點，還提升了測試效率，解放了人力資源，同時為探索內外場飛機綜合保障[10]的新型模式提供了一條可行的發展之路。