下一代測試系統的多參量建模與同步測試分析

摘要：針對復雜電子裝置及系統的故障診斷和自動測試，傳統的測試儀器和自動測試系統已不能滿足實際要求，下一代測試系統和綜合儀器便應運而生。在設計下一代測試系統和綜合儀器的基礎上，給出了下一代測試系統的關聯多參量的描述方法，以及對自動測試至關重要的同步測試方法。

關鍵詞：下一代測試系統； 綜合儀器； 多參量建模； 同步測試

中圖分類號：TP274文獻標志碼：A

文章編號：1001－3695(2007)08－0116－03

0引言 

現代電子裝置或系統的集成度越來越高、越來越復雜，而目前的測試儀器雖然種類繁多，但每種儀器僅能測試一種設備，且很多儀器功能重復。由這些儀器構建的自動測試系統 (ATS)可能比必需的要龐大，錯誤發生時間間隔 (MTBF)較短，并且成本較高。盡管許多儀器具有共同特性，特別是在前置電路，但儀器到儀器的模塊的復用較少，已不能滿足實際需要， 因而測試方法和測試理論需要不斷演進。

測試和儀器業不斷制訂新的儀器類型和功能，以滿足工業和軍用領域的技術增長需求，這些新的需求首先要滿足獨立儀器，包括專用的硬件和軟件。近些年，在ATE領域出現了很多新技術，如下一代測試系統(next generation test system，NxTest)、敏捷快速全球作戰支援系統（ARGCS）、加固自動化支持系統(CASS)、通用測試接口(CTI)、自動測試標記語言(ATML)、綜合儀器(synthetic instrument，SI)、并行測試、納米技術、VXI、PXI和LXI等。最近的ASIC技術的發展，特別是ADC、DAC、DSP、FPGA的性能的提高與廣泛應用，為儀器制造商和開發者提供了評估不同儀器的共同特性和開發不同的通用模塊集成到一起測試復雜電子裝置的可能。這種由通用模塊、安裝單元構成的，同時提供激勵信號和進行數據采集記錄的儀器稱為SI。由SIs構建的測試系統稱為下一代測試系統。

針對復雜電子裝置或系統的自動測試系統應用，本文給出了NxTest的一種實現，描述了綜合儀器的結構及其具體

實現，采用多參量狀態空間分析并給出具有一般意義的NxTest的多參量建模及其同步測試方法，揭示了NxTest的測試運行機理和構建方法。

1下一代測試系統與綜合儀器及其實現

現代電子裝置或設備通常由多個部件構成，如導彈、戰斗機航電、火控系統等復雜電子裝置（complex electronic equipment，CEE），通常是由多個相互關聯的電子部件(electronic block，EB)構成。當系統出現問題時，通常要求維護人員不是在CEE中更換EB來組配，而是將可懷疑的或故障難以定位的EB通過線纜接入綜合測試系統，如圖1所示。

綜合測試系統為EB的運行提供所需的各種激勵信號I，如上級全范圍內的各種輸入信號、組合信號及下級負載參數等；對其輸入信號集I和響應信號集O進行采集、存儲、分析判斷，發現是否存在故障以更換EB，或找出被測對象究竟存在什么問題，為改進設計、提高可靠性提供依據。

當測試CEE的某個EB的故障時，被測對象(device under test，DUT)多數是相互關聯的混合信號，既需要提供激勵信號，也需要同步測試響應信號的功能。另外，因為EB是CEE中的某一個，所以測試對象是變化的。傳統的自動測試系統和自動測試儀器已不能滿足這種要求，下一代測試系統和綜合儀器便應運而生。NxTest技術特征體現在硬件和軟件兩個方面：

1)硬件方面并行功能測試、綜合總線測試、可編程并行總線、綜合儀器、通用測試接口、高級電源管理等。

2)軟件方面全系統簡寫測試語言（ATLAS）、XML數據交換、MultiRTS運行環境、Multilingual運行引擎、IVI驅動、集成診斷功能等。

另外，在自動測試技術中，同步和控制是功能測試應用的先決條件，以確保模擬、數字信號的測量和發生的時間精度，它們依賴于事件檢測、激勵/響應或相位相關。同步和控制在NxTest中也是必須考慮的，然而NxTest與傳統的測試系統的框架有很大不同，同步和控制的理論和方法也需要發展。采用LXI(LAN extensions for instrument)可以選擇最好的同步解決方法，LXI基于LAN，采用LXI很容易構建下一代測試系統——將模擬電源、被測對象（CEE或其某些個EBs）、控制系統、LXIs連接構成NxTest，可以對電子裝置整體或其中某個部件進行測試。但LXI標準推出不久，LXI儀器提供商較少，可在現有的PXI平臺及其通用模塊基礎上采用一個輔助的觸發子系統，構建LXI儀器作為一種綜合儀器，用于下一代高性能的綜合測試。

針對CEE的測試要求，給出NxTest的一種實現，如圖2所示。它主要包括控制與數據處理終端、SIs、控制系統、適配器等幾個分系統。SIs和控制系統的具體實現為LXIs儀器?？刂婆c數據處理終端由高性能計算機及其外設構成，安裝CEE綜合測試軟件，綜合測控軟件通過局域網管理各SI和適配器、管理數據采集、數據記錄、數據分析處理，對被測對象作故障診斷?？刂葡到y負責控制測試系統的啟動、DUT的電源供給、NxTest的同步控制、被測EB（DUT）與NxTest之間的信道切換、模擬負載設置等工作。

NxTest的硬件核心是SI。SI與現在使用的標準支架解決方案截然不同。SI內含軟件算法和硬件模塊，通常具有三個功能：提供激勵信號模擬一個EB的運行、信號采集和處理、SIs之間的數據通信或信號路由。SI采用模塊化設計，可將其劃分為SI數字化部件和信號調理部件(signal conditioning block，SCB) 。每個SI(j)數字化部件對應一個信號調理部件SCB(j)（圖2）。SI的數字化部件通常包括數字轉換器和信號處理器。SI的數字化部件可在VXI、PXI、LXI等通用計算機平臺的基礎上構建。從帶寬和通道容量考慮，PXI是比較適合的。為了確保數字化部件中的模塊具有通用性，需要將DUT的被測信號變換為歸一化信號（下變頻）；而提供給DUT的激勵信號，需要由數字化部件進行反變換（上變頻），這些變換通過信號調理部件來完成。信號調理部件又稱為信號調理器，既可如PXI那樣與數字化部件共存于同一個機箱中，也可集成于信號調理箱中。對于NxTest的應用，信號調理部件可集成于信號調理箱中。SIs、UDT之間的信號路由實際上是SCB(j)之間的信號路由。當路由的信號較多且需要模擬負載時，安裝了SCBs的信號調理箱可稱為適配器。

上述設計使得SI安裝的模塊具有通用性。當對其他CEE進行測試時，在硬件上只需增減SI以及更換SI數字化部件和適配器中的插卡即可，從而克服了傳統儀器存在的功能重復且不具有通用性的問題。

SIs通過局域網互連實現數據交換，這些SIs為嵌入式服務器，接收到主控計算機的指令后，高速實時并行運行為NxTest提供特定的服務，如信號激勵、信號采集與處理、信號變換、數值計算、信號編碼與控制、數據通信等，并將結果通過適配器提供給DUT或下級SI。從鏈路層和物理層考慮，SI的一種具體實現如圖3所示。

2NxTest的多參量建模

CEE有多個部件，且關聯信號較多，NxTest需要在提供激勵信號、信號采集、數據傳輸時實施同步與控制操作，確保NxTest的有序運行，為此，需要采用某種適合的描述和分析手段。本文采用多參量狀態空間的分析方法，這種方法不但能完備地描述NxTest系統或部件的物理信號和鏈路層信道，也能較為直觀地實現綜合測試軟件的接口定義和編程，便于維護。

為了能嚴格保證NxTest的有序運行，必須采用同步機制來協調SIs和DUT的運行。這里采用軟件和硬件兩種方式實現這一目的。上級SI完成變換后，輸出其狀態空間參量值作為激勵信號通過適配器傳輸給下級SI或DUT，同時給出觸發信號（圖5）。該觸發信號經控制系統路由到整個系統，下級SI根據觸發信號啟動信號的采集、數據通信，或由激勵信號集的某個狀態參量的到達啟動自身的運行，并將測試數據傳輸給主機，依此類推，直到最后一級SI完成變換，便可準確地得到NxTest在某個階段的狀態。

一般情況下，信道中的信號在不同子系統間存在交互，但仍屬于能控能觀的閉環系統，根據一定的因果關系準確控制模擬負載的加載，給定狀態空間參量初值、有序控制SIs和DUT的運行。SIs之間通過軟件和硬件建立一套狀態機機制，周而復始，便能實現整個NxTest有序、正確地運行。NxTest的運行狀態與圖5類似，容易得到各SIs與DUT在不同時刻的狀態，因而主控計算機可獲取DUT任意階段的運行狀態，以供分析、診斷。

4結束語

為了應對復雜電子裝備或系統的測試，NxTest的出現是一種必然。同步測試和控制是NxTest應用的先決條件，而NxTest的多參量的建模是實現同步測試的關鍵。本文探討了在PXI儀器基礎上采用輔助觸發總線構建A類LXI儀器，安裝各種通用PXI插卡和SCB插卡構建SI，并用其組建一種低成本的NxTest?；贜xTest的物理層和鏈路層給出了NxTest的多參量建模，用于描述NxTest。該模型不但完備而且簡潔實用，進一步利用該模型對NxTest的同步作了具體分析并給出了實現方法。實踐表明采用這種方法不但能保證NxTest正確地實現測試目的、大幅縮短NxTest及綜合儀器的總體及其部件的軟硬件的設計周期，而且只需經少量的軟硬件改動即可用于其他CEE的測試。

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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”