自動測試系統通用性研究*

孫琎燁 李志軼

(海軍 92956部隊 大連 116041)

1 引言

隨著現代科學技術的飛速發展,特別是電子應用領域的數字技術、超大規模集成電路及DSP技術的廣泛應用,軍用電子裝備實現了數字化、智能化和模塊化,其功能越來越完善,自動化程度越來越高,硬件電路的通用性越來越好。雖然電子系統的性能得到提高,但是裝備的復雜性和測試手段落后等因素嚴重影響了電子設備的完好性、壽命周期和維修周期。

自動測試系統(ATS)是應用計算機技術、自動控制技術以及結合故障診斷方法,快速、準確地對電子系統是否異常進行判斷,同時對故障點進行快速定位,并將故障隔離到最小可換單元。早期的自動測試系統主要針對具體電子設備型號或系列,其通用性差,特別是現代軍用電子裝備結構日趨復雜,導致針對具體型號電子設備研制自動測試系統周期較長,給電子裝備的技術保障帶來了許多困難。因此,通用自動測試系統的成為近年來系統開發的主流。

2 ATS的通用性描述

通用性描述了ATS的一種屬性,這種屬性可使ATS系統適應各種不同型號或系列的電子裝備的測試和故障定位。通用ATS注重于采用公共的測試資源去適應不同的測試需要,可以大大提高ATS的測試覆蓋范圍,適合批量生產,降低開發費用。同時,通用ATS應采用開放式設計,具有可移植性和優化的人機交互功能,適合不同技術人員測試和開發。

通用ATS分為通用系統硬件和通用系統軟件兩部分。通用系統硬件包括人機接口資源、激勵源、信息采集處理單元、開關資源以及UUT(被測單元)對應的接口組成。通用系統軟件包括操作系統平臺、儀器驅動函數和測試程序開發環境[1]。ATS系統通用性實現有兩個關鍵技術:一是系統及系統間硬件及軟件接口的標準化,包括系統硬件結構的標準化、軟件結構及軟件基礎構件的標準化、TPS編程語言的標準化以及系統信號接口的標準化等;二是針對電子設備最小可換單元的故障診斷技術,包括診斷對象的狀態是否處于異常狀態或故障狀態、定位故障點[2]。

3 系統通用性的硬件實現

通用測試系統的硬件設計原則是使ATE(自動測試裝備)本身資源配置最大化,能夠覆蓋各種UUT的測試需求,例如激勵信號資源、較寬的采集信號頻帶等。不同電子應用領域要求的測試需求差別很大,但如果能根據ATS的裝備情況及UUT的測試需求,在費用合理、系統規模合理的情況下是可以求得UUT測試需求并集的。在求得UUT測試需求并集的情況下,配以相應的卡式儀器及其它設備,即可搭建系統的硬件平臺。此外,為了實現系統的通用性,硬件設計與集成過程應充分考慮系統的適應性和擴展能力,并采用標準化的測試集成方式,不僅要定義標準的信號接口,而且對測試系統中開關系統的布局、開關系統與測試資源的連接、測試系統的接地與屏蔽、可靠性與安全性設計等關鍵技術都要制定嚴格的規范。

3.1 系統的硬件組成

典型的通用自動測試系統的硬件平臺組成如圖1所示,主要包括:測試控制器、激勵資源、信息采集處理單元、開關系統與信號接口裝置[1]。測試控制器實現自動測試系統中各種激勵資源、檢測資源和開關系統的自動配置,并決定其工作方式、狀態、功能和參數,控制測試信號的通道選擇與切換。測試系統與被測單元的信號交聯則是通過信號接口裝置實現。

圖1 自動測試系統的硬件組成

3.2 測試儀器的通用性設計

測試儀器包括激勵資源和信息采集處理單元兩部分,這里著重闡述激勵資源部分。在設計通用ATS系統初始階段,必須對電子裝備常用信號形式進行統計、分析,以滿足覆蓋不同型號電子裝備測試需求的激勵資源。不同電子領域所要求的信號參數差別很大,例如水聲電子要求的頻帶范圍一般在幾千赫到幾十千赫,而無線通信系統要求的頻帶可達至高頻段,而且在特殊應用領域還需要許多特定的信號形式。信號形式和參數的差別給通用ATS硬件設計帶來了挑戰,為了在激勵資源設計中減少硬件設計的復雜程度,提出基本信號樣本→參數控制→信號合成的概念。在眾多信號形式中存在一部分最基本的信號形式,例如正弦信號(SIN)、脈沖信號(PULSE)、分段線性信號(PWL)、指數型信號(EXP)等,而其它信號形式基本上都是這些信號形式的推演或合成,因此設計通用ATS的激勵資源硬件系統時,可以以基本信號樣本為基礎,由參數控制器和信號合成器控制生成所需的信號形式,激勵資源硬件組成如圖2所示。

圖2 激勵資源的硬件組成

3.3 信號接口裝置的通用性設計

為了實現系統的通用性,AT E上的測試接口需采用針對多種被測單元的通用接口,測試資源不直接與被測對象UUT相連,而是通過連接器—適配器結構實現,如圖3所示。連接器連接測試資源;適配器連接UUT設備,適配器和連接器之間通過插座接口實現互連。檢測不同的測試對象只要更換相應的接口適配器即可完成測試。

在適配器內部封裝了信號調理模塊,可完成對被測信號進行放大、濾波、提供電子負載、分配測試資源等功能[1]。根據被測對象的測試需求,選擇合適的適配器插槽與測試資源對接。

圖3 連接器—適配器系統結構

需要強調的是對于不同型號電子設備要求的適配器類型不同,因此開發不同類型的適配器是通用ATS系統開發過程的一個重要環節,相對于專用ATS系統開發,適配器開發的繁瑣程度要大大降低。

3.4 開關系統在通用ATS中的設計

開關系統在通用ATS中實現被測單元接口與測試資源間的連接與通道切換,借助開關系統,ATS設計者可以充分利用有限的測試資源滿足被測單元測試信號完備性需求,同時,開關系統是ATE系統中信號連接的樞紐,開關系統的性能直接影響ATE的指標和功能。因此,開關系統的設計和配置是ATE硬件系統設計的關鍵環節。

首先,對開關系統的選取要根據測試信號的種類和參數,根據不同信號的信號頻帶、耐壓和電流等的承載能力等選取相應的射頻開關、功率開關等。其次,采用模塊化可擴展的開關系統結構。采用這種結構,不僅可以方便的擴大開關系統規模,而且可以使開關系統向上兼容,有助于實現測試系統TPS的可移植性和互操作性。最后,選用具有開放商業標準的開關系統模塊。具有開放標準的產品貨源多元化,品種系列化,維護和升級方便,有利于開關系統選型和對未來的技術支持。

4 系統通用性的軟件實現

軟件的可移植性與互操作性和儀器的可互換性是測試系統實現通用性的重要方面。為了實現軟件的上述功能,必須建立標準的軟件接口。軟件接口是提供信息共享、信息交換的統一接口,可以實現測試過程虛擬資源到真實資源的映射。軟件接口標準化的研究是真正實現測試程序集的可移植性和儀器的可互換性的關鍵技術,也是實現系統軟件通用性的關鍵技術。

4.1 功能接口

為了實現測控軟件的通用化、系列化,首先軟件要與硬件系統結構相適應,根據硬件系統的結構特點制定軟件所涉及的數據結構,最后考慮軟件結構,實現測控軟件的各種功能。根據上述測試系統的硬件結構,提出了標準的軟件接口—功能接口的概念。功能接口是一套封裝了虛擬儀器具體功能的細節,對外提供標準功能接口的函數庫和配置工具的軟件包。功能接口將所有的儀器(最小集合是測試系統中的儀器)可實現的功能進行分類,忽略各個儀器的實現細節。功能接口的核心是儀器控制、接口映射及狀態緩存,其主要任務是將測試流程所描述的功能映射為具體的控制過程。

功能接口可分為功能層、邏輯層、儀器操作層、接口配置工具及接口配置文件五個部分。各部分關系如圖4所示。

功能層是整個結構的最高層,面向測試系統開發的最終用戶,功能層不用出現任何與儀器有關的信息,描述的都是有關測試流程及結果判定的過程;邏輯層根據系統測試儀器資源、信號轉接通道控制模型及信號轉接通道配置的描述,將功能層的功能映射到具有邏輯名稱的儀器和通道,該邏輯名可以指向測試系統中一臺特定設備,當該儀器模塊更換時,只需改變邏輯名的指向為新型設備即可,因此邏輯層不包含儀器地址、具體會話等信息,具備儀器無關性;儀器操作層利用儀器驅動程序或隨儀器模塊提供的動態鏈接庫控制硬件的所有操作;接口配置工具用于交互式配置測試資源、信號轉接控制元件及接口映射關系等信息,建立測試儀器功能模型及信號轉接通道控制模型,并將各模型的描述信息存儲在配置文件中,供測試功能接口使用;接口配置文件存儲的是測試儀器功能模型及信號轉接通道控制模型的信息,包括測試資源信號端口及通道、電氣連接關系、信號轉接通道具備的操作功能、操作儀器應具備的其他附加條件等。

基于功能接口技術的測試軟件開發方案的主要思想是,在測試流程與具體儀器之間建立功能接口,將儀器控制與測試程序完全隔離,即測試流程面向UUT接口信號,不進行直接面向儀器的操作。采用基于功能接口技術,可以有效地實現測試程序集的可移植性和儀器的可互換性,從而實現測試系統的通用性。

4.2 故障診斷與定位

測試電子設備的目的是判斷對象的狀態是否處于異常狀態或故障狀態、確定故障點部位,便于有針對性地對故障部位進行維修,因此對故障點的定位是通用ATS系統需要完成的最終環節。由于不同型號電子設備的電路結構和實現功能差別很大,因此要定位具體電子設備故障點就需要特定的分析流程或通過人工干預,這對實現故障診斷與定位的通用性帶來困難。故障點的傳統定位方法通常有兩種,一是根據具體電路或其實現功能,制定特定的診斷邏輯序列;二是制定診斷流程,通過人工干預分析確定故障點,這兩種故障診斷方法通用性差,現今人工神經網絡技術、模糊理論以及自適應遺傳算法等方面的迅速發展,為實現故障診斷與定位的通用性提供了可能[2～3],這里例舉了幾個神經網絡的優點:

圖4 功能接口組成

1)并行分布性處理

人工神經網絡中的神經元排列并不是雜亂無章的,往往是分層或以一種有規律的序列排列,信號可以同時到達一批神經元的輸入端,該結構非常適合并行計算,推理速度快。

2)可學習性

一個相對很小的人工神經網絡可存儲大量的專家知識,并且能根據學習算法,或者利用樣本指導系統來模擬現實環境,或者對輸入進行自適應學習,不斷地自動學習,完善知識的存儲。

3)魯棒性和容錯性

由于采用大量的神經元及其相互連接,具有聯想記憶與聯想映射能力,可以增強專家系統的容錯能力,人工神經網絡中少量的神經元發生失效或錯誤,不會對系統整體功能帶來嚴重的影響。

4)泛化能力

人工神經網絡是一類大規模的非線形系統,這就提供了系統自組織和協同的潛力。

5)具有統一的內部知識表示形式,任何知識規則都可以通過對范例的學習存儲于同一個神經網絡的各連接權值中,便于知識庫的組織管理,通用性強。

故障診斷方法的通用性體現在針對不同型號、不同功能的電子設備,該方法均能適合故障的診斷與定位。以下介紹一種基于自適應算法實現故障診斷與定位的基本原理,首先,要根據具體被測電路制定電路仿真模型,激勵源分別通過被測電路和仿真模型使它們之間產生誤差信號,其次,根據誤差信號調整自適應控制器權值,逐步使誤差信號收斂,最后根據權值定位故障點[4～5],具體實現原理如圖5所示。

圖5 故障診斷自適應算法實現原理

5 結語

實現ATS的通用性,盡量減少裝備技術保障設備的數量及種類,是提高經濟及軍事效益的有效途徑。通過對硬件及軟件兩個方面通用性關鍵技術的研究,為實現ATS的通用性,奠定了堅實的基礎。

[1]張成名,蔡金燕,王建華.自動測試系統的通用性研究[J].微計算機信息,2009(4)

[2]奚全生,史慧,任光霞.航天測控電子設備電路板故障診斷技術[J].中國電子商情:基礎電子,2006(2)

[3]曲春光.一種可生長的神經網絡方案[D].山東大學碩士學位論文,2007,3

[4]胡廣書.數字信號處理理論、算法與實現[M].北京:清華大學出版社,2003

[5]西蒙.赫金.自適應濾波器原理[M].第四版.北京:電子工業出版社,2003