自动测试系统的原理、应用与发展

1自动测试系统的原理、应用与发展北京航空航天大学自动化学院测控系李行善于劲松摘要自动测试系统（ATS）广泛应用于各类产品（器件、部件、电路板、设备或系统）从设计、生产到使用维护的各个阶段，对提高产品性能及生产率，降低生产成本及整个生命周期成本，起着重要作用。对于飞机、导弹、舰船或武器系统，自动测试系统更是这些它们的综合保障设备的重要组成部分，对保障各类设备或武器系统的机动性和提高战斗力有重要意义。本文介绍自动测试系统的工作原理及发展概况，自动测试设备(ATE)的类型及测试程序集(TPS)开发的主要内容，并对一些有代表性的通用自动测试系统进行了评述。希望本文对国内从事这方面的研究工作的读者有所帮助。1自动测试系统（ATS）的发展概况1.1自动测试系统的概念与组成一般意义的自动测试系统是对那些能自动完成激励、测量、数据处理并显示或输出测试结果的一类系统的统称。通常这类系统是在标准的测控系统总线或仪器总线（CAMAC、GPIB、VXI、PXI等）的基础上组建而成的，并且具有高速度、高精度、多功能、多参数和宽测量范围等众多特点。工程上的自动测试系统（AutomaticTestSystem，缩写为ATS）往往针对一定的应用领域和被测对象，并且常以应用对象命名，如飞机自动测试系统，发动机自动测试系统，雷达自动测试系统，印制电路板自动测试系统等，也可以按照应用场合来划分，例如可分为生产过程用自动测试系统，场站维护用自动测试系统等。自动测试系统（ATS）由自动测试设备（AutomaticTestEquipment，ATE），测试程序集（TestProgramSet，TPS）和TPS软件开发工具所组成，如图1所示。图1自动测试系统的组成2自动测试设备（ATE）是指用来完成测试任务的全部硬件和相应的操作系统软件。ATE的心脏是计算机，该计算机用来控制复杂的测试仪器如数字多用表，波形分析仪，信号发生器及开关组件等。这些设备在测试软件的控制下工作，通常是提供被测对象中的电路或部件所要求的激励，然后在不同的引脚、端口或连接点上测量被测对象的响应，确定该被测对象是否具有规范中规定的功能或性能。ATE有着自己的操作系统，以实现内部事务的管理、跟踪维护要求及测试过程排序，并存储和检索相应的技术手册内容。ATE的典型特征是它在功能上的灵活性，例如用一台ATE可以测试多种不同类型的电子设备。从部件检测角度，ATE可用来实现对两类黑盒子的测试，也就是用来测试：①现场可更换单元（LineReplaceableUnits，LRUs）或武器可更换组件（WeaponsReplaceableAssemblies，WRAs）；②车间可更换单元（ShopReplaceableUnits，SRUs）。测试程序集（TPS）是与被测对象及其测试要求密切相关的。测试程序集由三部分组成，①测试程序软件；②测试接口适配器，③测试被测对象所需的各种文件。测试软件通常用标准测试语言如ATLAS写成。对有些ATE，其测试软件是直接用通用计算机语言如C，Ada编写的。被测对象（UnitUnderTest，UUT）有着各种不同的连接要求和输入/输出端口，因此UUT连到ATE通常要求有相应的接口设备，称为接口适配器，它完成UUT到ATE的正确、可靠的连接，并且为ATE中的各个信号点到UUT中的相应I/O引脚指定信号路径。开发测试软件要求一系列的工具，这些工具统称为测试程序集软件开发工具，有时亦被称为TPS软件开发环境，它可包括：①ATE和UUT仿真器，②ATE和UUT描述语言；③编程工具，如各种编译器等。不同的自动测试系统所能提供的测试程序集软件开发工具会有所不同。1.2自动测试系统的应用范围自动测试系统主要应用在如下场合：1.高速、高效率的功能、性能测试。那些大批量生产并且测试项目多而且复杂的电子产品（如大规模集成电路，大批量生产的印制电路板或电路组件等），必须采用相应的自动测试系统。2.快速检测、诊断/维护，提高装备的机动性。飞机在飞行前和飞行后，导弹、鱼雷等武器在发射前，都需要快速检测与诊断，遇有故障则迅速定位与排除。没有先进的自动测试系统支持根本不行。3.高档复杂设备的综合检测及过程监视。飞机设计过程中需要用一些自动测试系统来支持设计验证；在飞机生产/装配过程中，自动测试系统用来对并行作业的各个子系统的生产/装配过程进行测试和监视，实施协调和管理。军用高档设备研制过程中，环境试验（高、低温，湿度，振动，过载等）主要目的是分辨或替代那些不能承受恶劣环境条件的部件。由于处于环境试验中的被测对象复杂而贵重，测试项目多，而且要求在给定的很短时间内完成，也必须采用相应的自动测试设备才能完成。1.3自动测试系统的发展概况自动测试系统经历了从专用型向通用型发展的过程。在早期，仅侧重于自动测试设备（ATE）本体的研制，近来，则着眼于建立整个自动测试系统体系结构，同时注重ATE研制和TPS的开发及可移植，以及人工智能在自动测试系统中的应用，正向着分布式的集成诊断测试系统发展。31.3.1自动测试系统发展的三个阶段自动测试系统的发展过程大体上可分为三个阶段：1.第一代自动测试系统——专用型专用型系统是针对具体测试要求而研制的，主要用于测试工作量很大的重复测试，高可靠性的复杂测试，用来提高测试速度或者用于人员难以进入的恶劣环境。第一代自动测试系统至今仍在应用。这类系统是从人工测试向自动测试迈出的重要的一步，是本质上的进步。它在测试功能、性能、测试速度和效率，以及使用方便等方面明显优于人工测试。第一代自动测试系统的缺点突出表现在接口及标准化方面，带来的突出问题是：①复杂的被测对象的所有功能、性能测试若全部采用专用型自动测试系统，则所需要的自动测试系统数目巨大，费用高昂，使保障设备的机动能力降低。②一旦被测对象退役，为其服务的一大批专用自动测试系统也随之报废。2．第二代自动测试系统——台式仪器积木型它是在标准的接口总线的基础上，以积木方式组建的系统。系统中的各个设备（计算机、可程控仪器、可程控开关等）均为台式设备，每台设备都配有符合接口标准的接口电路。组装系统时，用标准的接口总线电缆将系统所含的各台设备连在一起构成系统。这种系统组建方便，组建者一般不需要自己设计接口电路。积木式特点使得这类系统更改、增减测试内容很灵活，而且设备资源的复用性好。系统中的通用仪器既可作为自动测试系统中的设备来用，亦可作为独立的仪器使用。应用一些基本的通用智能仪器可以在不同时期，针对不同的要求，灵活地组建不同的自动测试系统。组建这类自动测试系统普遍采用的接口总线为可程控仪器的通用接口总线GPIB（GeneralPurposeInterfaceBus），在美国亦称此总线为IEEE488，HP-IB。在欧洲、日本常称之为IEC625。在我国国内，人们常称之为GPIB或IEEE488，并已公布了相应的国家标准。采用GPIB总线组建的自动测试系统特别适合于科学研究或武器装备研制过程中的各种试验、验证测试。基于GPIB总线的自动测试系统的主要缺点表现为：①总线的传输速率不够高（最大传输速率为1Mbytes/s），很难以此总线为基础组建高速、大数据吞吐量的自动测试系统。②仪器的机箱、电源、面板、开关大部分都是重复配置的，它阻碍了系统的体积、重量的进一步降低，难以组建体积小、重量轻的自动测试系统。3.第三代自动测试系统——模块化仪器集成型这类系统基于VXI、PXI等测试总线，主要由模块化的仪器/设备所组成。VXI总线（VMEbuseXtensionsforInstrumentation）是VME计算机总线向仪器/测试领域的扩展，具有高达40Mbytes/s的数据传输速率。PXI总线是PCI总线（其中的CompactPCI总线）向仪器/测量领域的扩展，其中数据传输速率为132～264Mbytes/s。以这两种总线为基础，可组建高速、大数据吞吐量的自动测试系统。系统中，仪器、设备或嵌入计算机均以VXI（或PXI）总线的形式出现，众多模块化仪器/设备均插入带有VXI（或PXI）总线插座、插槽、电源的VXI（或PXI）总线机箱中，仪器的显示面板及操作，用统一的计算机显示屏以软面板的形式来实现，避免了系统中各仪器、设备在机箱、电源、面板、开关等方面的重复配置，大大降低了整个系统的体积、重量并能在一定程度上节约成本。第三代自动测试系统具有数据传输速率高、数据吞吐量大、体积小、重量轻，系统组建灵活，扩展容易，资源复用性好，标准化程度高等众多优点，是当前先进的自动测试系统特别是军用自动测试系统的主流组建方案。在组建这类系统中，VXI总线规范是其硬件标准，VXI即插即用规范（VXIPlug&Play）为其软件标准，以货架产品（COTS）形式提供的虚4拟仪器开发环境（LabWindows/CVI、LabVIEW、VEE等）为研制测试软件可采用的基本软件开发工具。目前，尚有一部分仪器不能以VXI（或PXI）总线模块的形式提供，因此，在以VXI总线系统为主的自动测试系统中，还可以用GPIB总线，灵活连接所需的GPIB总线台式仪器。1.3.2军用自动测试系统的发展概况军方的需求不仅促成了新的测试系统总线及新一代自动测试系统的诞生，并促使ATS/ATE的设计思想、开发策略发生重大变化。早期的军用自动测试系统是针对具体武器型号和系列的，不同系统间互不兼容，不具有互操作性。专用测试系统的维护保障费用高昂，美国仅80年代用于军用自动测试系统的开支就超过510亿美元。从80年代中期开始，美国军方就着手研制针对多种武器平台和系统，由可重用的公共测试资源组成的通用自动测试系统。在美国，军种内部通用的系列化自动测试系统已经形成，主要有：海军的综合自动支持系统（CASS）；陆军的集成测试设备系列（IFTE）；空军的电子战综合测试系统（JSECST）；海军陆战队的第三梯队测试系统（TETS）。其中以洛克希德·马丁公司为主承包商的海军CASS系统最为成功。CASS系统于1986年开始设计，1990年投入生产，主要用于武器系统的中间级维护。CASS系列基本型称为混合型，能够覆盖各种武器的一般测试项目，ATE采用DEC工作站为主控计算机，由5个机柜组成，包括：控制子系统，通用低频仪器、数字测试单元，通信接口，功率电源，开关组件等，如图2所示。在混合型基础上，CASS针对特殊用途扩展又形成射频、通信/导航/应答识别型、光电型等各类系统。美军海军陆战队委托MANTEC公司研制的TETS测试系统（图3）是用于武器系统现场维护的便携式通用自动测试系统，具有良好的机动能力，能够对各种模拟、数字和射频电路进行诊断测试。该系统包括4个便携式加固机箱，2个VXI总线仪器机箱，1个可编程电源机箱及1个固定电源机箱，主控计算机为加固型军用便携机，运行Windows/NT操作系统。图3TETS测试系统图2CASS混合测试系统5在国内，自动测试系统技术亦有极大发展，正处于专用自动测试系统向通用自动测试系统的转变过程中。在通用ATE技术方面，按照模块化、系列化、标准化的要求，基于VXI、PXI和GPIB总线的在一定范围通用的各类自动测试系统正陆续推出，通用ATE平台技术的研究也正在开展。进一步开展测试系统的仪器互换性、TPS开发技术和基于测试信息共享的集成诊断技术的研究是十分必要的。2自动测试设备（ATE）和测试程序集（TPS）2.1自动测试设备（ATE）实际上，自动测试系统从第一代到第二代、第三代，从专用型到通用型的发展的历史，就是其相应的自动测试设备（ATE）从第一代向第二代、第三代发展的过程。在早期，TPS的开发过程不是独立的研制过程，TPS产品往往是由ATE制造商连同所生产的ATE产品一起提供，在这一时期，人们所指的“ATE系统”与自动测试系统具有相同的含义。采用自动测试设备最直接的目的是将产品的测试过程自动化，基本做法是将实现产品测试所需的资源集成到一个统一的系统之中，测试过程由系统中的控制器（计算机）通过执行测试软件来控制，如图4所示。ATE中，控制器与信号源、测量仪器及开关系统之间的连接采用非标准的接