ＬＭ－ＳＴＡＲ案例分析及下一代測試技術展望

摘要：介紹了LM－STAR的發展歷程以及軟硬件特點。對其中應用的硬件方面，如高度模擬測試技術、合成儀器技術、公共測試接口技術和高速數據通信技術，軟件方面諸如可互換虛擬儀器技術、自動化標志語言、TPS Winzard和Smart TPSs等下一代測試技術作了詳細描述。LM－STAR的開發經驗對指導國內軍用ATS的開發具有重要的意義。

關鍵詞：洛馬之星；全壽命保障；下一代測試技術；自動測試系統

中圖分類號：TP27文獻標志碼：A

文章編號：1001－3695(2007)05－0048－04

0引言

根據2003年美國總預算辦公室（GAO）向國防部提交的《DoD Needs to Better Manage Automatic Test Equipment Modernization》，保守的保障模式帶來兩個方面的巨大影響。

（1）老化設備的更新維修資金與日俱增。比如2004年空軍F－15某種測試設備的更新就花費了32.5億美元，而且還打算花費4億美元更新電子戰測試儀。而2002年B－52轟炸機的研究表明將來更新七大系統的六大系統的測試儀總共要花費14億美元。同樣，更新唯一的B－1轟炸機的測試儀預算超過1.5億美元。正在開發中的F/A－22的測試儀早期預算中就超過了15億美元。

（2）老化測試設備使得裝備可用性降低。裝備的老化促使必要的測試設備短缺，以至于無法完成必需的測試，使裝備的可用性呈現大幅度滑坡。根據DoD可用性報告，在2000年只有28%的海軍、空軍和陸戰隊的飛機可用；2001年8月，由于ATE的測試結果不準確，不完整的測試信息影響了F－14的飛行任務。

測試系統在DoD的推動下不斷擴散，但很少給政府和工業部門帶來投資回報。在DoD的資金變得稀缺時，減少ATS采購費用和全壽命保障費用成為必須。而且由于不同的測試應用和相互關聯的編程語言在軍用系統的保障中大量采用，測試能力和測試資源在從一個維修級別轉向另一個級別時根本就沒有重用性。開放式的系統結構和標準化接口作為一種滿足工業在測試設備上的投資手段開始成為必需。為此，DoD成立了一個集成產品組（Integrated Product Team，IPT）來定義下一代測試設備和代表未來方向的測試技術。

20世紀90年代末期，正是為了適應DoD政策的這種變化，軍用航空和地面維修保障模式從昂貴的多種級別的維修保障模式向縱向集成的全壽命周期保障模式轉換，這時提出了LM－STAR的系統概念。現在來看，LM－STAR的開發結果是貨架化的、低費用的、CASS（Consolidated Automated Support System）兼容的，可以針對工廠和內場測試重組的測試系統。LM－STAR的成功開發，使之成為美軍內部的未來工廠、內場和中間級測試應用的現實標準。本文介紹了測試領域中這一成功案例的發展歷程以及軟硬件特點。

1 LM－STAR的發展歷程

20世紀90年代末期，Lockheed開始搭建最初的LM－STAR，它借用的是海軍的CASS（圖1）和RTCASS（Reconfigurable Transportable CASS）框架，并強調LM－STAR與CASS必須兼容。同時Lockheed對LM－STAR提出了五個目標：空前的板載診斷和監控；高度自動化的后勤信息系統；消除眾多中間級的測試保障設備；共享診斷數據；滿足軍方提出的快速、便宜和簡潔的維護保障設備的要求。

LM－STAR產生了兩種主要產品。第一種是2002年生產的用于下一代F－16 B60飛機的保障測試系統。在2001年，Lockheed Martin獲得歷史上規模最大的飛機研制合同，這就是聯合殲擊機（Joint Strike Fighter，JSF）合同，也叫做F－35合同，這個合同大約是2 000億美元。而JSF合同中至關重要的一部分就是開發一個能夠從生產到環境應力試驗再到內場測試一直適合的測試設備，用于完成計劃中的3 000架JSF的縱向集成全壽命保障。為了應對這個挑戰，Lockheed Martin 的仿真訓練保障部（LM STS ) 開發了適用于JSF項目的LM－STAR測試系統。還有一些LM－STAR產品進行了適當改變以支持CASS TPS的移植。大多數LM－STAR在2003年已經配發部隊，在2005年為JSF設計LM－STAR也將配置完成。美國軍方共花費了9.9億美元購買了88套LM－STAR，用于JSF開發階段的航電系統和武器系統的測試。據估計，這種產品能夠將內場級和工廠級的測試保障協調起來以減少全壽命保障的總成本。

2 LM－STAR軟硬件特點

LM－STAR（圖2）在系統結構上大部分沿襲了CASS的組裝箱形式。CASS是五個組裝立箱，而JSF項目的LM－STAR將其中一個立箱改成臥箱，機箱的顏色從灰白色改成黑黃相間。但是由于該系統與CASS的兼容性，它們的內部結構組成沒有太多的更改，這也是由于這種內部結構形式是美國軍方所推薦的。LM－STAR全部采用商業現貨，這樣減少了升級改造的難度和組件采購費用。

2．1基礎構件的協調

JSF項目的核心就是LM－STAR與其他保障系統的協調。這種協調是指同一個測試設備既可以用于工廠級的測試，又可以用于內場測試。為了獲得這種協調，JSF項目在系統的設計開發（System Design and Development，SDD）和小批量樣機(Low Rate Initial Production，LRIP)階段就將LM－STAR作為一種工廠可以接受的測試設備。2004年6月，全球建立了31個LM－STAR測試站，這占總的SDD階段測試網點的一半。這些測試站主要用于TPS的開發，以及電源、中央處理器、分布式傳感器、雷達、通信、導航、識別系統（CNI）和電子戰系統的集成。

為了獲得這種協調一致性，必須保證測試設備面向UUT的軟件接口和硬件接口是固定的。硬件接口標準采用CASS的通用接口。這種選擇是由于全球存在613個CASS測試站。選擇這種通用接口也是由于LM－STAR在開發之初就承諾了減小對CASS樣式的沖擊。

同樣，軟件接口定義成API。在API的底層，LM－STAR通過支持句柄、封裝和IVI（Interchangeble Virtual Instruments，可互換虛擬儀器）接口來調用儀器驅動。當儀器改變時，封裝、句柄和IVI接口相應進行改變以保持API的固定，不對TPS進行沖擊。

在通用接口以外，LM－STAR采用了現今商用正在發展的技術，如光纖開關、1394B、邊界掃描，和低電壓微分信號（Low Voltage Differential Signaling，LVDS）等測試技術。這些技術通過公共測試接口在系統中進行集成，公共測試接口技術在一定程度上保證了測試程序的投資。

2．2軟件開發特點

由于需要快速開發測試方案以及經濟、高效和及時地支持用戶的準確需求，LM－STAR應用TestStand和LabWindows/CVI作為測試管理的核心，應用ANSI－C作為測試開發的環境。

2．2．1開放的軟件構架保證快速開發

LM－STAR的開放軟件構架是基于TestStand和LabWindows/CVI之上的，這種構架支持從工廠到內場的無縫轉變。LM－STAR方案提供了一個為所有電子設備提供商公用的測試系統，以便他們參與到JSF項目的協調計劃中來。這些提供商包括BAE Systems、 Northrop Grumman、Rockwell Collins和Raytheon，他們都并行地應用NI TestStand和LabWindows/CVI開發為JSF準備的TPS。這種先進、開放的軟件構架保證了快速開發和配置測試系統的完成，并且減少了長期維修投資。

2．2．2良好的測試適應性保證多種測試配置

所謂測試適應性就是測試系統快速完成測試方案轉變的能力。TestStand保證了LM－STAR的測試適應性，TestStand就像一個靈活的模塊適配器，可以調用任何測試開發環境測試；而LabWindows/CVI的開發環境保證各種儀器驅動的快捷插入和面向測試的代碼優化。

2．2．3方便未來技術插入以阻止代碼老化

正是由于TestStand和LabWindows/CVI的應用，方便了未來技術的插入。比如TestStand環境下可以直接調用ATLAS的TPS；下面還會說到LM－STAR的開發者還重視ATML來開發測試程序，用XML表示測試結果。TestStand 3.0是支持符合ATML（Automatic Test Markcup Language，自動化測試標志語言）規范的測試程序，并且可以產生XML格式的測試結果。

2．2．4標準化的軟件開發節省了開發費用

這種應用商用現貨的標準化開發方法對資金的節省，不但來自于方便各個TPS提供商的協調解決，而且更大一部分來自全壽命周期的保障費用的削減。

3下一代測試技術展望

LM－STAR上應用了許多來自NxTest IPT定義的測試技術，對當前的工業前沿技術也是把握得當。正是由于LM－STAR的開發，讓測試領域的許多先進技術有了一個可以實踐的加速成長的環境。

3．1硬件技術

3．1．1高度模擬測試技術

為了滿足并行和功能測試的需求，LM－STAR系統加入了Teradyne公司的模擬測試儀器（Anolog Test Instrument，ATI）。高度模擬測試技術允許開發者通過在項目的最初階段仿真測試程序來減少他們的開發時間，從而方便系統集成和調試。Ai7技術（圖3）就是其中的一項。Ai7技術的重要突破點還在于采用專用資源系統構架，從而將自動測試系統從資源共享構架的束縛中解脫出來。

3．1．2合成儀器技術

幾年來，合成儀器已經發展到了子系統級(圖4)。2002年，LM－STAR用合成儀器替代了系統中的離散RF儀器，并且沒有對TPS進行沖擊。現在LM STS正在考慮下一代LM－STAR采用RF/CNI合成子系統。合成儀器技術允許更好地仿效舊的測試能力，從而減少對TPS的沖擊。

3．1．3公共測試接口技術

2003年8月，Lockheed Martin 開始積極支持公共測試接口的動議。公共測試接口(Common Test Interface，CTI)考慮了已經擁有的通用測試接口、RF(Radio Frequency)接口、光電開關(Electro Optic，EO)和LVDS接口以及未來可能出現的接口（圖5）。公共測試接口技術將為測試系統的開關帶來超過500 MHz的帶寬，而現今通用接口的帶寬僅在25 MHz。

3．1．4高速數據通信

測試系統的實質是為被測系統提供一個模擬工作環境，并在這種工作環境下監視或者評估被測系統的響應。這種模擬工作環境和被測系統的實際工作環境的差別決定了測試系統對被測系統進行功能測試的能力。被測系統的高速數據通信技術的快速發展也就意味著測試系統必須具備高速數據通信能力。目前這些高速數據通信技術主要有為了提高測試數據的傳輸速度技術，如1394B總線、光纖通道（Fibre－channel）和低電壓微分信號，以及為了提高航電子系統互連的帶寬技術，如Hotlink II(High－speed Optical Transceiver Link)和StarFabric。例如在1394總線的測試上， 為了提高靈活性和增長潛力，LM－STAR采用了Teradyne的1394B總線測試儀器（Bus Test Instrument，BTI），如圖6所示。

3．2軟件技術

3．2．1可互換虛擬儀器技術

可互換虛擬儀器（IVI）技術給測試系統開發者在現有技術條件下提供了諸多方便。比如當儀器變得老舊時，或者更高性能或低耗儀器出現時，采用新儀器不會對TPS構成沖擊。其框架如圖7所示。現實中，Lockheed Martin采用的辦法是結合IVI已經定義好的儀器類來修改API，這種修改后的API就是現實中的IVI標準。而在LM－STAR的RF系統中則是直接應用了IVI標準和IVI驅動。

3．2．2自動化測試標志語言

ATML主要優勢在三個方面：①加速測試系統的開發以及監控開發進程；②方便測試結果的管理以及測試過程的重建；③有利于測試系統間和測試系統與測試管理部門的信息交互以實現真正意義上的遠程智能診斷。JSF項目的LM－STAR計劃實施測試結果標志語言(Test Results Markup Language，TRML)，并且定義和開發診斷標識語言(Diagnostic Markup Language，DML)來支持自動測試設備的人工智能信息交互服務系統（Artificial Intelligence Exchange and Service Tie to ATE，AI－ESTATE）。ATML定義完成后，LM－STAR承諾首先進行實施，以保證在所有測試系統和軍種之間的交互性。ATML在LM－STAR中的應用如圖8所示。

3．2．3TPS Wizard 技術

TPS Wizard技術（圖9）使得用戶在輸入測試序列文檔必需的信息和產生測試程序序列層次的測試數據后，就可以得到可執行的測試程序。開發過程中，用戶可以將某個測試移動到另一個模塊中去，或者重組這些測試模塊。TPS Wizard技術極大地提高了測試系統的測試適應性，加速了測試開發，而且把工程師從專注于TestStand的配置中解放出來，可以有更多的精力從事測試開發。

3．2．4AI－ESTATE框架和智能TPS技術

Lockheed Martin 積極支持IEEE－1232所倡導的AI－ESTATE，并且開發了一個框架應用故障推理器智能地完成對故障測試和維修位置的確定。在IRD 階段，Lockheed Martin他們通過智能Agent來執行智能TPS。

圖10所示的是Lockheed Martin應用的AI－ESTATE框架。它的用戶接口和應用執行塊是他們公司的公共開發框架(Common Development Framework，CDF)提供的。CDF方便插入，并且可以與ERP、政府和合作伙伴信息系統、各種協議等合作。目前，LM－STAR的CDF和工業財經服務系統合作(Industrial and Financial Services，IFSs)以實現維修管理功能。故障推理機組件給CDF和智能TPS提供推理邏輯。一系列推理算法的性能通過監視故障數據的智能代理不斷得到提高。在LM－STAR中測試控制器代表的就是智能TPS，它利用故障推理機給ATS操作者決策信息以確定TPS的入口和減少含糊的定義。它的優勢表現在四個方面：減少了故障隔離時間；增加了測試的吞吐量；降低了測試站的利用率；通過來自先前或高級別的測試得來的信息提高了診斷準確性。總的說來就是消除了故障無法定位的現象，降低了測試成本。

4結束語

美軍的測試系統開發引領著全球測試領域的進步，LM－STAR則是走在美軍測試領域前列的成功案例。我國軍用ATE/ATS的發展應該是在積極引進國外先進技術和經驗的基礎上，抓住對俄的軍事合作機遇，積極推動發展下一代測試系統的核心技術。同時縱覽LM－STAR的全過程，軍用ATE/ATS在設計理念也得有所轉變，這些理念主要有如下三條：①最好采用實踐過的商用標準。如果非政府的標準可用，盡量采用，只是在適當的時候考慮軍用標準。這種結果降低了組件的采購費用。②廣開渠道，集思廣益。只要是滿足真實的工作環境要求、能夠提高性能、降低設計費用，并且可以再現的系統改建的建議都是可以接受的。③三維的并發工程觀念。它是指綜合產品設計、制造過程和供需鏈管理這三個方面，使之成為一個最優系統，從而滿足費用目標和計劃進度。

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注：“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文”