柔性測試技術在復雜裝備測試中的應用

竇賽,陳國順,賈彪

摘 要：為了解決現有復雜裝備自動測試系統結構復雜、靈活性差的問題，將柔性測試技術引入自動測試系統中，構建復雜裝備的柔性測試系統。首先介紹柔性測試技術的基本概念及特點，對其發展現狀進行跟蹤；然后依據復雜電子裝備測試的特點，為提高其通用性和靈活性，構建復雜裝備柔性測試系統；最后對復雜電子裝備柔性測試系統的關鍵技術進行了分析研究。

關鍵詞：柔性測試技術； 復雜裝備； 系統構成； 關鍵技術

中圖分類號：TN87-34

文獻標識碼：A

文章編號：1004-373X(2011)09-0141-04

Application of Flexible Testing Technology in Complicated Equipment Test

DOU Sai1,CHEN Guo-shun2,JIA Biao1

(1.Institute of Ordnance Engineering,Shijiazhuang 050000,China; 2.Research Institute of Ordnance Technology,Shijiazhuang 050000,China)

Abstract：

In order to solve problems such as complicated structure and poor flexibility of complicated equipment testing system,applying flexible testing technology to the ATS and constructing a flexible testing system to the complicated equipment. Firstly，the basic concept,features the development status of flexible testing technology are introduced. Then,a flexible testing system is constructed for improving the universality and flexibility of complicated electronic equipment. Finally,the key technology of the system is analyzed and studied.

Keywords： flexible testing technology; complicated equipment; system construction; critical technology

0 引 言

隨著現代軍用電子裝備的更新加快、復雜程度加深，軍用測試系統面對著測試種類繁多、多種技術的高交叉性以及技術更新速度加快等新挑戰。如何構建一套通用、靈活、可升級的測試系統，已成為困擾裝備保障的一大技術難題。

傳統的裝備測試系統很難既能考慮到測試的高效率同時又兼顧測試的低成本，不具備能夠根據被測裝備測試需求的變化而對自己本身進行調整的靈活性，且可擴展性差。因此將柔性測試技術應用于自動測試系統的設計中，構建柔性測試系統，使自動測試系統可以根據測試需求的變化柔性組建，從而達到提高測試系統通用性與靈活性的作用。

1 柔性測試技術概念及特點

柔性測試技術以多種相關技術為基礎，是可滿足復雜、多樣化的測試測量需求的系統化技術。它整合了虛擬儀器、測試測量、機電一體化、網絡通信及軟件等多種技術；既面向應用，又專注于測試系統的創建和發展。

柔性測試技術是測試理念的一種轉變，它不是針對某一個或一類具體的測試對象來具體構建通用型的測試系統，而是根據測試要求和測量對象，從應用出發來規劃完整的測試平臺，將測試測量解決方案或系統的實現作為一個整體來考慮，通過分析測試需求，站在全局的高度來構建整個測試系統，為各種測試測量需求提供完整的解決方案。

柔性測試技術具有適用性，靈活性，擴展性三個特性。它能夠滿足多種測試環境要求，提供多種測試性能，并可以根據需求的改變，重構測試系統的功能以滿足測試要求，而且還能伴隨相關技術的發展，使原有系統的能力得到擴展，保證應用系統的先進性，實現測試能力的不斷提升。

2 柔性測試技術的發展現狀

隨著現代科學技術的發展，測試技術對電子裝備發展的作用越來越突出。自動測試技術(ATS)作為測試技術中的一項重要技術與手段，更加受到世界各國的重視。自動測試系統的發展可分為三代：第一代自動測試系統是針對測試任務而研制的專用型測試系統；第二代自動測試系統是在具有標準接口總線的臺式程控儀器的基礎上，以積木堆疊方式組建而成的；第三代自動測試系統是基于VXI，PXI等測試總線，主要由模塊化的儀器/設備所組成的自動測試系統［1］。

當今復雜裝備的測試系統存在以下不足：專用型測試系統對測試資源配置具有很強的針對性，系統研制工作量大、成本高、適應性不強，不同的測試系統間很難實現互操作。通用型測試系統由于要滿足一定的通用性和參數覆蓋面，一方面導致測試系統儀器設備種類眾多、體積龐大、結構復雜、靈活性差，另一方面系統各測試資源間存在冗余，增加了測試系統的體積和功耗。

為彌補現有裝備自動測試系統的諸多不足，下一代自動測試系統的主要目標包括［2］：

(1) 顯著降低自動測試系統的維護和使用費用；

(2) 通過提高測試系統的通用性，使用戶獲得最大限度的測試靈活性，以滿足不同測試用戶需要；

(3) 提高自動測試系統新技術的注入能力，即使系統存在一定擴展性，能夠隨著新技術的發展進行升級，以滿足不斷發展的用戶需求。

由此可見，下一代自動測試系統對測試系統的靈活性提出了更高的要求，即測試系統應該具有相應的適用性與靈活性，以滿足快速變化的不同測試需求的需要。同時還應該具有擴展性，以提高測試系統對新技術的納入能力。基于柔性測試技術構建的自動測試系統能夠很好地解決現有測試系統存在的結構復雜、體積龐大、靈活性差、擴展性差、升級困難等問題現狀，很好地滿足下一代自動測試系統的各項目標要求。

國外方面，美國等西方軍事發達國家，已經注意到了柔性測試的戰略意義，加快了這方面的研發，尤其是在柔性儀器方面。

(1) 在2003年3月美國總審計署(GAO)發表《美國國防部需要更好地管理自動測試設備現代化》報告后，美國國防部更加重視通用及靈活測試設備的開發與使用，這為柔性儀器的應用提供了廣闊的背景。

為了降低成本，五角大樓計劃制定者正試圖通過采購通用、靈活的測試設備，取代目前正在使用的400多種不同類型的軍事與航空測試設備。為盡快實現這兩個目標，測試設備制造商們正致力于PXI波形因數和柔性儀器等測試新技術的開發。

(2) 美國海軍制定了加固自動化支持系統CASS(Consolidated Automated Support System)計劃。該計劃用一個標準化系統代替25部測試儀器，支持2 458種武器元器件的測試。

(3) 2008年，美國國防部ATS局推出了敏捷快速全球作戰保障系統ARGCS(Agile Rapid Global Combat Support)，它是一個演示系統，提出了適合全軍共用、共同遵守的標準化、通用化的規范體系，減少了各兵種自成體系的設備，避免了重復研制的浪費，結束了標準不兼容、不規范的局面，滿足現代諸軍兵種聯合作戰的需求。該系統的標準化、通用化以及開放的特性，滿足柔性測試系統的三個特性要求，是柔性測試技術應用于測試系統的具體體現。

國內方面，柔性測試是于2008年提出的。經過兩年的發展，柔性測試技術已經在航空航天、汽車、船舶、電子、電力等領域有了初步的應用，并取得了較好的效果。其中在汽車制造領域，柔性測試技術的應用成果更為突出:不僅在如何進行柔性測試系統的構建方面得到了深入的研究，而且還有多套基于柔性測試技術的系統產品被設計出來。如汽車儀表盤終檢系統、汽車傳感器通用測試系統、電路板功能測試系統、汽車保險絲盒裝配檢測系統以及噪聲定位源分析系統等［3-7］。

綜上所述，柔性測試技術作為解決現有測試系統存在問題的一種重要的新興手段，已被初步應用于民用以及軍事的相關測試領域，并在提高測試系統的通用性、靈活性與擴展性方面取得了很好的效果。

3 復雜裝備柔性測試系統的構建

在對復雜裝備進行測試時，傳統的測試測量是用一種儀器完成一類測試功能，通過多種儀器組合實現一組完整測試。在許多情況下，不同儀器具有類似的內部功能，這就造成了冗余和浪費。將系統各功能單元進行模塊化，用這些模塊化的、可完成某種特定功能的單元構建測試系統，使系統能夠按照測試任務與要求，快速構建出滿足測試要求的自動測試系統，完成測試任務；測試任務改變時，系統能夠根據新的測試要求快速地重新組建出可完成新的測試任務的自動測試系統。這樣的自動測試系統就是柔性測試系統。

因此，柔性測試系統是一種能夠根據測試任務需求及測試環境的變化，快速改變系統的組織模式、硬件與軟件結構，以迅速調節測試功能來適應新任務和新環境的自動測試系統。

柔性測試系統的組成可大致由圖1所示結構框圖來表示［8］。

圖1 柔性測試系統結構框圖

圖1中，柔性測試系統由控制器/數字信號處理器單元、信號調理單元、信號切換接口單元以及波形發生器單元、波形數字化單元(ADC)等組成。可見柔性測試系統的激勵和測量功能是由激勵和測量通路配合數字信號處理單元來實現的，而系統測試功能的實現以及系統的重構等都是在控制器的控制下完成的。

柔性測試系統的構成與軟件無線電類似，主要的區別是把天線換成了與待測設備的接口，增加了支持更加復雜的信號調理電路，以及系統重構所要求的電路元件及信號通道。這些修改使柔性測試系統具有常規儀器所無法比擬的功能。

下面以柔性測試系統的激勵通道為例來進行詳細說明。柔性測試系統激勵通道如圖2所示。

圖2 柔性測試系統激勵通道

圖2中，經過數字信號處理模塊產生數字信號波形，然后針對UUT所需激勵信號要求，如果需要數字信號則經過數字信號調理后至切換接口直接供給UUT；如果需要模擬信號則需通過D/A轉換器及模擬信號調理后，經切換接口供給UUT；如果需要射頻信號，那么在經過D/A轉換器及射頻信號調理模塊后，通過頻率上轉換器進行頻率變換，再送至UUT。

實際系統中，信號的切換接口單元由適配器及自適應測試信號接口構成。由于被測設備所需激勵信號與所產生的響應信號種類繁多，因此，對應每一種被測設備就需有與之相應的適配器來與測試系統連接。接口適配器上裝有辨識電路，當通過測試程序配置測試參數時，程序會自動調用與接口適配器對應的測試參數，防止誤操作。信號經過適配器后，再經自適應測試信號接口送至相應的信號調理模塊處理。系統的信號處理以及系統的控制等功能均是通過系統的軟件來實現的。

通過如上所示系統的構建，既使柔性測試系統具有一般傳統測試系統的功能，使之能夠完成各項測試任務要求，還使系統具有如下優勢：

(1) 系統能夠利用標準通用模塊，通過系統的智能組建，就可以實現不同的儀器功能，具有很高的通用性。

(2) 通過消除系統冗余的功能模塊，達到減小系統體積，降低系統成本的目的。

(3) 當測試系統需要升級或擴展新的測試功能時，只需添置或替換直接受影響的功能模塊，升級相應的軟件，而不需要更換整個系統，從而延長了測試系統的使用壽命，節約了成本。

4 復雜裝備柔性測試系統的關鍵技術

4.1 總線技術

“測試系統的組成離不開測試總線，總線本身亦成為測試系統的主要組成部分” ［9］。方便快捷的儀器總線是柔性測試系統快速組建的保障。根據測試需求的不同，系統需要從一種構型快速轉換到另一種構型。因為系統的各個功能模塊是共用的，所以一個測試完成后，需要系統的各功能模塊快速拆卸歸庫，以供再次構建系統使用，同時還要求系統能夠快速組建滿足新的測試需求的測試系統。構建柔性測試系統主要采用LXI，VXI，PXI三類總線。尤其是融合了GPIB總線的高性能、VXI/PXI總線構造儀器體積小以及LAN的高速吞吐率等特點的LXI總線，具有高速、靈活、無需專用機箱、可單獨使用等優點，能夠很好滿足柔性測試系統對總線的要求。

4.2 儀器互換技術

測試儀器的可互換性直接關系到測試系統的靈活性與擴展性，因此儀器互換技術是構建柔性測試系統的關鍵技術。IVI (Interchangeable Virtual Instruments)是基于需求驅動的，其接口有嚴格的語義標準，因而易于實現儀器的互換性和軟件的移植性。其實現原理為［10］：應用程序通過一個邏輯名來調用IVI類驅動器，IVI類驅動器將該邏輯名與IVI配置文件中的所有邏輯名進行匹配，得到實際的IVI類專用驅動器指針，并實現該驅動器的動態加載，然后將IVI類驅動器中的函數和屬性與IVI類兼容專用驅動器的對應函數和屬性進行鏈接，使應用程序可以間接地訪問這些函數和屬性。

雖然IVI技術規范目前尚在制訂中，目前只有示波器、萬用表、函數發生器、多路開關等9種儀器的類驅動程序的標準化，而且IVI只適合同類儀器的互換，但隨著技術的進步和廠商進一步支持，IVI技術必定會在提高系統靈活性與擴展性方面得到更廣泛的應用。

4.3 可重配置技術

可重配置技術作為實現柔性測試系統通用性和靈活性的關鍵，也是構建柔性測試系統的一項重要技術。系統的可重配置主要體現在軟件與硬件兩個方面。

系統軟件的可重配置通過軟件的分層設計實現。整個軟件體系分為系統管理層、測試程序層、儀器控制層。其中，系統管理層實現整個系統的管理，包括測試需求的描述、測試功能模塊的分類與管理、最優資源集合的生成等。測試程序層主要實現測試程序的管理，包括根據測試需求調用相應的測試程序、重構適于測試需求的測試軟件等。儀器控制層通過解析系統管理層的配置信息和命令參數，控制各功能模塊按照要求執行，完成測試功能。通過軟件分層式的設計結構，能夠實現系統測試程序快速有效的重新配置，進而完成測試任務。

系統硬件的可重配置體現在兩個方面：一方面通過系統軟件儀器控制層的程序控制，調用不同的功能模塊實現；另一方面，系統主要的電路功能通過FPGA來實現，FPGA的可現場編程功能特性，支持用戶現場重新下載配置信息來改變功能，從而實現重新配置。

5 結 語

柔性測試技術是多種技術的集成者，基于柔性測試技術構建的柔性測試系統具有很強的通用性、靈活性和擴展性，能很好地滿足現代化戰爭對測試系統的各項要求，并能較大程度地減少系統冗余，節約成本，具有較好的軍事和經濟效益。

參考文獻

［1］ 倪玲，張琦，郭霞.自動測試技術發展綜述［J］．中國制造業信息化，2007，36(13)：46-49．

［2］BURDEN Judy,CURRY Patrick A,ROBY Derec,et al. Introduction to the next generation automatic test system (NGATS) [C]. IEEE Autotestcon Proceedings. [S.l.]: IEEE,2005:16-20．

［3］楊杰.基于柔性測試技術的汽車儀表盤終檢系統設計［J］.電子測試，2009(11):89-90.

［4］秦莉娜，王朝志，鄧兆敏.基于柔性測試技術的位置傳感器標定與檢測系統［J］．電子技術應用，2010(2)：81-83．

［5］郝王松，李巍.基于“柔性測試”技術的噪聲源定位分析系統［J］．世界儀表與自動化，2008(7):17-18.

［6］高天虹，汪海波.基于柔性測試技術的測試系統［J］．兵工自動化，2009,28(5)：85-86．

［7］闞宏偉.基于柔性測試技術的系統設計［J］．航空制造技術，2008(9)：54-56．

［8］MURRILL Jeff. RF Synthetic Instrumentation used to support EW test capability [J]. IEEE AUTOTESTCON，2008:144-147.

［9］劉正升，蔣志忠，楊日杰.測試領域新技術的發展及應用［J］．國外電子測量技術，2009(1)：16-19．

［10］葛利蕊，孔祥芝，劉鵬.自動測試系統通用性的實現技術［J］．海軍航空工程學院學報，2007(6)：651-654．

［11］黃冠中,李志強.基于PXI總線的寬帶頻率計設計[J].現代電子技術,2010,33(11):18-20.

［12］李亦君.基于PXI和GPIB總線電路測試系統的開發與設計[J].現代電子技術,2010,33(22):35-37.

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