基于ATML標準的SCATS在機載電子系統通用自動測試設備中的應用

吳國寶，宋 帆，曾俊華，游洪順

(1.中國直升機設計研究所，江西 景德鎮 333001；2.成都天奧測控技術有限公司，成都 611731)

0 引言

現代飛機機載電子系統功能性能先進、集成度高、系統內外信號交聯復雜[1-2]。機載電子系統在裝機使用過程中，當發生故障時，僅靠機內測試(BIT)無法實現故障100%檢測和100%隔離(隔離到單個外場可更換單元(LRU)或外場可更換模塊(LRM))，這給飛機的外場維修保障帶來了不小挑戰，將直接影響飛機的出勤率[3]。

機載電子系統通用自動測試設備，主要用于輔助機載電子系統的外場故障檢測[4-6]，其作用為：當裝機的機載電子系統發生故障，且BIT無法實現故障檢測或將故障隔離到單個LRU/LRM時[7]，使用該設備能夠將故障檢測并將故障定位到單個LRU/LRM，以便指導維護人員在外場對故障件進行快速更換，確保飛機的出勤率。

傳統針對機載電子系統研制的通用自動測試設備，其測試程序集(TPS)以面向儀器為核心[8]，存在一定的不足，主要表現在TPS開發周期長[9]，必須在完成硬件資源的選型后才能開始TPS開發，且TPS開發人員必須對所選硬件資源的使用必須很了解。面向儀器的測試程序(TP)，當新增測試需求或對通用自動測試設備硬件進行新增/改型時，需TPS開發人員對已完成鑒定的所有TPS進行適應性改進、調試、驗收，整個開發周期將大大增加，非常不利于通用自動測試設備的升級維護。

通用自動測試設備測試程序集由面向儀器的開發，過渡到面向信號的開發，是自動測試領域的一次重要轉變[10]，面向信號的測試程序集開發，其優勢主要體現在 測試程序集開發人員只需關注被測對象的測試邏輯及特性信號本身，而無需關心測試工作站中儀器的規格、型號、性能參數及具體操作，是保證測試程序集具備通用性和跨平臺可移植性的核心特征[11]。

早期流行的面向信號的測試程序集開發軟件，有美國TYX公司研發的PAWS軟件，該軟件使用ATLAS語言的進行驅動及測試程序集的開發。ATLAS作為一種面向信號的標準化測試編程語言，其在國內外機載電子設備自動測試領域得到了廣泛應用[12]，但也存在開發語言結構復雜、信號模型少、軟件架構開放性差等不足。基于此，電氣與電子工程師協會(IEEE)于2002年提出了一種新的面向信號的自動測試標記語言(ATML)標準，ATML標準的顯著特征，便是采用了可擴展標記語言(XML)，以實現測試信息描述的標準化和測試信息的可交互[13]，通過生成的基于ATML標準的描述文檔，實現對被測對象的特征信息，測試信號，測試路徑，測試策略，故障診斷等的表述，測試結果記錄、顯示，故障診斷結果記錄[14]、顯示等信息的交互，從而實現通用自動測試設備的通用化設計。

ATML標準定義了公共信息、測試信息描述、儀器信息描述、適配器信息、測試工作站信息、被測對象特征描述、測試信息配置、測試結論、故障診斷共9個子組件標準[15]，囊括了通用自動測試設備研制的每一個環節，提供了一套完整的面向信號測試的測試信號交互架構[16]。基于此ATML可實現不同通用自動測試設備之間的測試信息的交互，現實TPS在不同硬件平臺上的移植，支持故障診斷結果跨平臺調用[17]。ATML標準與通用測試設備的對應關系如圖1所示。

圖1 ATML標準與通用測試設備的對應關系圖

SCATS是一款由成都天奧測控技術有限公司開發的國產面向信號的TPS開發軟件，SCATS軟件基于最新AMTL標準(IEEE 1232-2010、IEEE 1641-2010、IEEE 1671-2010)，SCATS采用了多種國內領先的測試軟件開發技術，包括標準信號庫構造技術；純中文界面的無代碼測試程序集開發、調試技術；基于標準模型的測試程序運行引擎技術等。SCATS軟件采用純中文開發界面，測試程序集采用無代碼開發，軟件界面友好、可讀性強，大大降低了測試程序集開發人員的技術門檻，內置信號模型豐富可滿足現代機載電子系統測試需求。通過在機載電子系統通用自動測試設備研制中的應用表明，使用SCATS軟件開發的被測機載電子系統TPS具有開發速度快、故障定位準確、通用性和可移植性好等特點。

1 SCATS架構及原理

1.1 SCATS軟件架構

SCATS軟件，采用層次化體系架構，自下至上分為物理層、驅動層、標準層、系統層、開發層和管理運行層，層次結構示意圖如圖2所示。

圖2 SCATS層次結構框圖

物理層：包含軟件運行所依賴的所有硬件資源基礎，如各類標準總線下的模塊化儀器，通用或專用的臺式儀器(包括模擬器等)、控制器、適配器和測試線纜等。

驅動層：主要面向驅動開發人員，基于Python或C語言進行驅動程序的開發、調試，其中包括面向信號的驅動框架生成工具，基于CVI或Visual Studio Code的驅動開發環境，生成的驅動動態庫。

標準層：包含最新ATML標準，這些標準構成了軟件平臺的數據結構基礎，具體如下。

1)IEEE 1671-2010：自動測試標記語言(ATML)的主標準，其中定義了各個子標準中可能用到的公共類型[18]。

2)IEEE 1671.1-2017：測試描述標準，其中主要定義了完整描述一個測試需求的必要信息。

3)IEEE 1671.2-2012：儀器描述標準，其中主要定義了一個儀器的資源、能力和端口，以及它們之間的映射關系。

4)IEEE 1671.3-2017：被測對象描述標準，其中主要定義了一個被測對象的識別信息和接口信息。

5)IEEE 1671.4-2014：測試配置描述標準，用于配置一個TPS所需的軟硬件資源。

6)IEEE 1671.5-2015：測試適配器描述標準，其中主要定義了一個測試適配器(或線纜)的接口信息和連線信息。

7)IEEE 1671.6-2015：測試工作站描述標準，其中主要定義了通用測試設備硬件平臺所包含的儀器、功能模塊、開關資源，以及對外的測試接口，此外還包含這些資源和端口的互連關系。

8)IEEE 1641-2010：信號和測試定義標準，給出了針對一個所需的信號進行建模的通用方法，并且提供了許多有用的預定義信號，是面向信號測試的根本遵循[19]。

9)IEEE 1232-2010：測試相關的人工智能服務信息交換(AI-ESTATE)標準，給出了與故障診斷相關的數據結構，并給出了若干實用的診斷模型，例如D-矩陣模型[20]。

10)IEEE 1636.1-2018：測試結果信息描述標準，其中定義了測試結果相關的信息，如測試時間、測試項目、測試判據、測試數據、測試結論等。

系統層：主要是面向通用自動測試設備的開發人員，是一種測試信號的建模工具，用于對測試所需的各類信號，各類儀器、開關以及集成各類儀器、開關的測試工作站進行建模。每臺通用自動測試設備都含有這些信息，這些信息是通用自動側測試設備的特有信息，一般是不可移植的。

開發層：主要是面向測試程序集的開發人員，是一種測試邏輯的建模工具，針對具體的被測機載電子系統，描述該被測機載電子系統本身的一些信息(產品名稱、型號、接口、LRU組成等)、相應的測試適配器、測試線纜信息(針腳、端口)、以及故障診斷模型(D-矩陣)信息等。

管理運行層：主要是面向用戶的，與測試系統管理工具相對應，管理運行層，主要提供了用戶權限管理功能、測試程序集的運行功能、測試程序集管理功能(增加、刪除、分組)、平臺硬件資源管理功能、故障診斷推理功能以及測試數據管理功能等。

基于上述架構，SCATS的組成如圖3所示，其中包含兩個主要工具以及15個子工具，可覆蓋用戶及系統需求。

圖3 軟件組成示意圖

3個硬件平臺開發子工具分別為：

1)基于IEEE 1641-2010標準的信號描述工具，主要提供標準信號的查詢以及自定義信號的管理功能(即查、增、刪、改等)。

2)基于IEEE 1671.2-2012標準的儀器描述工具，能夠描述儀器的接口信息、信號能力和資源，以及它們之間的映射關系和連線等信息。支持創建儀器驅動程序開發框架。

3)基于IEEE 1671.6-2015標準的測試工作站描述工具，通過引用儀器描述模型將其組織稱為一個測試設備，支持測試設備接口(ICA)和連線信息的圖形化建模。

5個TPS開發子工具分別為：

1)基于IEEE 1671.3-2017標準的被測對象描述工具，能夠提供被測對象設備的外觀展示、支持被測對象接口的圖形化建模，并提供方便的針腳、端口批量編輯功能。

2)基于IEEE 1671.1-2017的測試描述工具，能夠對測試項目和測試流程進行圖形化建模。以面向信號的方式定義一個測試項目中具體的測試操作信息，支持標準中規定的所有信號操作類型以及若干實用的擴展信號操作。

3)基于IEEE 1671.5-2015的適配器描述工具，能夠提供適配器設備的外觀展示、支持適配器接口的圖形化建模，并提供方便的針腳、端口批量編輯功能。能夠將測試工作站描述中的ICA信息導入為適配器的背板接口信息。

4)基于IEEE 1671.5-2015的電纜描述工具。與適配器使用同一個標準，并提供相似的功能。該工具支持直接導入被測對象接口信息和適配器前面板接口信息作為電纜兩端的接口信息。

5)診斷建模工具，支持經典的D-矩陣模型。能夠從被測對象描述中導入SRU信息(這些SRU是最小故障隔離單元)和故障信息以及從測試描述中導入用于識別故障的測試結果信息。

7個測試系統管理子工具分別為：

1)用戶管理工具，用于管理軟件操作人員的信息，并對其權限進行限定。只有合法用戶才能登陸軟件，且當前用戶只能管理本人創建的TPS和測試結果等信息。

2)TPS管理工具，提供TPS的安裝、卸載和附加信息設置等功能。此外，為方便查找TPS，還提供按關鍵詞過濾、排序和分組顯示功能。

3)TPS運行控制工具，為當前TP提供測試流程選擇、啟動、暫停、繼續和停止測試控制功能，支持測試流程節點的狀態可視化以及測試過程和結果信息的即時顯示。

4)測試結果管理工具，用于保存測試結果信息，對歷史測試結果信息進行查看、刪除、生成測試報告和故障診斷，將數據庫中的測試結果記錄導出為符合IEEE 1636.1-2018標準的XML文檔。

5)系統管理工具，查看測試工作站中的儀器，可設置儀器的可用狀態。提供儀器資源的自動化自檢功能。

6)TPS運行引擎，解析并加載所有必要的ATML描述文件，并按給定的測試流程或測試項目解釋執行測試描述中包含的信號操作。具有動態資源匹配和信號路由搜索功能，支持面向信號的自動測試和指定儀器的測試。

7)診斷推理機，結合當前測試結果和診斷模型信息，對潛在故障進行推斷，給出故障診斷結論，支持生成故障診斷報告。

1.2 測試信息建模工作原理

測試信息建模的工作原理如圖4所示，首先根據被測對象測試需求，視情使用信號描述工具擴展當前信號庫，以支持儀器和測試描述中對信號的需求。

圖4 測試信息建模原理示意圖

使用儀器描述工具對每一個儀器(開關)資源進行建模，在描述儀器的能力時需要從信號庫中獲取期望的信號類型。根據儀器能力的構成，生成驅動程序開發框架，然后由驅動開發工程師完成驅動功能的實現，最終生成可調用的驅動程序庫。

測試工作站描述工具引用已有的儀器描述，將其納入測試工作站的組成部分，此外對對外接口信息進行描述，以方便適配器描述工具導入背板接口信息。

采用被測對象描述工具對被測對象的基本信息、接口信息、內部組成和故障信息進行描述，生成被測對象描述文檔。

測試線纜描述工具導入適配器和被測對象的接口信息，然后再將兩端接口上的端口或針腳連接起來。

測試描述工具對測試需求的細節進行建模，在此期間可能需要從被測對象接口信息中獲取連接針腳信息以及從信號庫中獲取描述信號需求的信號類型。

診斷建模工具分別從被測對象描述和測試描述文檔中讀取與故障診斷相關的故障定義和測試結果或測試指標等內容，然后建立它們的依賴性關系，生成診斷模型描述，以備診斷推理機使用。

1.3 測試系統管理原理

測試系統管理的工作原理如圖5所示。首先在測試服務器上啟動自動測試服務，此時TPS運行引擎處于待命狀態。

圖5 測試系統管理原理示意圖

用戶啟動客戶端，輸入用戶名和密碼，驗證送過后登錄主界面：此時TPS運行引擎通過系統配置中指定的測試工作站信息，加載相應的信號庫、測試工作站和儀器推述。

用戶通過TPS管理工具選擇一個要執行的TPS，同時將當前TPS相關的被測對象描述、適配器指述、測試線纜描述和測試描述信息傳遞給TPS運行控制工具。

用戶在TPS運行控制工具中選擇一個測試流程(或者通過自定義串行流程臨時組織一個測試流程)，啟動自動測試。TPS運行引擎根據當前測試流程中的測試項目，按照面向信號的自動測試原理依次解釋執行其中包含的信號操作。

動態資源分配功能根據信號需求查找測試工作站中可用的儀器資源，將儀器能力與信號需求進行比較，若其能力包含該需求，則匹配成功。對于多個儀器匹配當前信號需求的情況，由資源分配算法根據匹配度、歷史經驗或測試成本消耗等因素優選一個最佳的儀器。

信號路由搜索算法是根據當前開關狀態，在不造成開關資源沖突并保證安全的前提下，找到一條可行的信號通路，將相應的被測對象端口和儀器端口連接起來，完成實際信號的激勵或測量。

驅動調用功能根據當前選擇的儀器和開關，調用相關的驅動程序函數，完成儀器或開關的實際控制。

測試過程中產生的測試結果信息可由測試結果管理工具保存到數據庫中，后期可在測試結果管理工具中對該數據庫進行管理和維護。

診斷推理過程結合當前TPS的診斷模型以及測試結果，對可能存在的故障進行推斷，給出潛在故障的權重。

測試或診斷完成后可由相應工具生成PDF格式的報告。

通過系統管理工具能夠獲取當前測試工作站中所有儀器信息的列表，可以對儀器是否可用狀態進行設置。也可以啟動儀器的自檢，此時需要TPS運行引擎配合通過調用相應的儀器驅動函數來完成自檢。

2 SCATS的應用

為方便讀者更好地理解SCATS軟件的使用思路和方法，以如圖6所示的簡化的通用自動測試設備為例，對主要的操作步驟進行進一步說明。盡管是一個簡化的設備，但其中包含的思想可以很容易地映射到復雜的真實設備。

圖6 簡化通用自動測試設備

測試配置信息包括：被測對象、測試線纜、測試適配器、測試工作站(包含射頻開關和矢量信號分析儀)。被測對象通過測試線纜連接適配器前端，適配器后端連接測試工作站。

SCATS軟件的應用包括：系統建模，信號建模，模塊建模，測試工作站建模，被測對象建模，適配器建模，測試線纜建模，系統集成，驅動開發、調試，TPS開發、調試等幾個方面，如圖7所示。

圖7 SCATS在測試設備中的應用

1)系統建模：

系統建模是根據相應的ATMI.標準，對系統中的信號、儀器(射頻開關和矢量信號分析儀)、測試工作站、適配器、測試線纜和被測對象(機載電子系統)等要素進行描述。

2)信號建模：

經過梳理，上述示例中只有一個信號，即一個單載波射頻信號(S1)，由于該信號不是內置信號，因此需要對其進行擴展。

在ATML模型資源管理器中雙擊“ExtTSFLib”這個擴展信號庫，然后在其中，新增一個名為SPECTRUM_TEST類型的信號，如下圖所示。其中包含若干屬性，如中心頻率，參考幅度，標記的峰值幅度和標記的峰值頻率等。

3)儀器建模：

示例測試工作站中包含兩個儀器，一個頻譜儀(m1)和一個射頻開關(m2)，其中頻譜儀具備的能力是測量上述射頻信號的幅度和頻率。下面為這兩個儀器構建模型。

在ATML.模型資源管理器中選擇“儀器模型”節點，右鍵單擊，在彈出的上下菜單中選擇“新建儀器模型”，然后在彈出的對話框中輸入儀器的型號，假設為“SA_SIMPLE_1”，點擊“新建按鈕”后將在工作區中顯示一個儀器模型的初始圖形，需要注意的是，在編輯儀器能力的時候，能力的角色是“測量”，信號類型是上面定義的射頻信號，被測屬性是上述信號的標記幅度(markampl)和標記頻率(markfreq)。

同理，構建射頻開關的儀器模型，其中需要注意的是在開關列表中對其中每個開關單元的定義，主要體現在其端口上，如一個單刀雙擲的開關有一個公共端(COM，只能位于瀕口表的第一項)和兩個連凌端，這些信息至要體現在開關端口表中，此外還要在端二映射中，將各個內部開關單元的端口連接到外部接口上，也支持不同內部開關單元端口的互連，這樣可以構建多級開關。

4)測試工作站建模：

將測試設備所有的儀器模型集成為一個測試工作站，需要為所展儀器實例指定唯一的ID和地址(實際物坦測試才需要)，另一方面就是建立硬件測試平臺中儀器端口和硬件測試平臺對外接口之間的連接，這個工作在“端口連接”功能中進行。

將上述兩個儀器模型集成為一個測試工作站。其中需要為這兩個儀器實例指定唯一的ID和地址(實際物理測試才需要)。另一方面就是按照示例圖中所示建立測試工作站中儀器端口之間和測試工作站接口之間的連接，這個工作在“端口連接”功能中進行。

5)被測對象建模：

構建被測對象模型，依據被測機載電子系統的特點，為其構建連接器和端口即可。

6)適配器建模：

構建適配器模型，為其構建前后面板測試針腳并包含適配器前后面板連線關系。

7)測試線纜建模：

構建測試線纜模型，包含一個從適配器前面板到被測對象的連線。

8)系統集成：

將上述1)～7)自動測試要素集成為一個通用自動測試設備，將各個模型的外部端口進行互連完成系統集成。

9)驅動程序開發：

生成驅動程序框架的功能訪問入口位于儀器建模工具中。驅動框架支持Python和C語言。SCATS建議優先選擇生成Python驅動，因為Python驅動程序的開發和調試效率明顯高于C語言。只有當廠家只提供C語言驅動或Python語言不能處理時，再考慮使用C語言。

使用VSCode打開生成的驅動程序框架，在生成的函數里，編寫示例中所示儀器頻譜分析儀及射頻開關的驅動。需要注意的是，除TP仿真不調用驅動，驅動仿真、模型仿真、物理測試均會調用驅動程序，但是驅動仿真只是調用驅動里對應的功能函數，不需要對物理儀器進行操作。因此在代碼中儀器驅動初始化函數def SCATS_XXX_ Instrument_Init里增加“SimDriver”的判斷，錄入simDriver處理方式。

頻譜分析儀及射頻開關驅動程序代碼編寫完成后，可以直接運行來調試。將頻譜分析儀及射頻開關連接上控制計算機后，運行編寫好的驅動函數，為其傳入給定的參數，觀察儀器是否按預期響應。

10)TPS開發和調試：

進行TPS的開發和調試。示例的測試需求就是控制被測對象發射一個射頻信號，然后通過頻譜儀來測量該信號的峰值幅度和頻率。

TPS開發過程如下：

1)建立測量信號(信號的引用保存在局部變量1s1中)，這是一個信號需求，需要的信號類型為SPECTRUM_TEST(如上所述)，預期的中心頻率在局部變量cFreq中定義，值為lE8Hz，然后信號屬性centerfreq引用了該變量。

2)連接測量信號，將ls1信號以單針(Series)的方式連接到被測對象的X1-1針腳。執行該步驟后，后端的測試服務會控制開關連接，以便形成測量的信號通路。

3)通過調用一個外部的Python腳本，控制被測對象發出規定參數的射頻信號。此時信號通路上就有實際信號在運行了。

4)等待1 s，使得信號達到穩定。

5)讀取測量值，此時會調用分配的頻譜儀的驅動程序，完成上述信號的測量后獲得返回值，這里同時測量兩個指標，分別保存給兩個測試結果。

6)斷開連接，即斷開信號通路(有必要的話需要再在之前加一個調用操作，控制被測對象停止輸出射頻信號)。

7)重置測量信號，使得儀器恢復到初始狀態。

TPS開發完成后，可以通過設置斷點，然后點擊“啟動調試”工具按鈕，在“模型仿真”模式下進行仿真調試。點擊調試信息下的“停止/關閉調試”工具按鈕，則當前調試過程停止并且調試信息面板關閉，表明支持停止調試功能。

由以上示例可知，SCATS軟件將TPS開發與測試工作站中的儀器進行隔離，真正實現了面向信號的測試目的。TPS最終呈現為是一個 XML文件的集合，對于其他基于ATML 標準定義的TPS開發軟件具有很好的可移植性和可擴展性，且純中文代碼界面，使得TPS代碼的可讀性強，測試邏輯清晰明了。

3 結束語

結合機載電子系統故障診斷的特點，本文介紹了一款基于ATML標準的面向信號的TPS開發軟件—SCATS。其在機載電子系統通用自動測試設備研制過程中的應用包括系統建模、信號建模、模塊建模、測試工作站建模、被測對象建模、適配器建模、測試線纜建模、系統集成、驅動開發及調試、TPS開發及調試等。通過生成的ATML描述文檔，實現被測對象信息描述，測試信號描述，測試路徑描述，測試策略描述，故障診斷模型描述，測試結果記錄、顯示，故障診斷結果記錄、顯示等信息的交互，從而實現通用自動測試設備的通用化設計。

應用結果表明，SCATS軟件采用純中文開發界面，測試程序集采用無代碼開發，軟件界面友好、可讀性強，大大降低了測試程序集開發人員的技術門檻，內置信號模型豐富可滿足現代機載電子系統測試需求，具有開發速度快、故障定位準確、通用性和可移植性好等特點。