自動測試系統的自動化計量方法

孫陽 奚文駿

（1. 海軍航空工程學院新裝備中心，山東煙臺 264001； 2. 海軍航空工程學院兵器科學與技術系，山東煙臺 264001）

0 引言

自動測試系統是指以計算機為核心，在程控指令下，能自動完成激勵、測量、數據處理并顯示或輸出測試結果的一類系統的統稱[1]。從功能角度看，自動測試系統等效于一臺綜合測試儀器，其激勵輸出和響應測量的準確性直接影響其完成檢測任務的質量和成敗[2]。

為了實現自動測試系統的自動化計量，必須設計相應的自動化計量硬件和軟件，其中硬件設計主要包括計量標準的建立和計量適配器的設計，軟件設計主要是自動計量程序的設計。

1 自動化計量的規劃

自動化計量規劃的目的是充分了解自動測試系統的結構、儀器種類、系統資源及計量參數。

自動測試系統通常是對大型復雜系統進行測試，需要測試大量參數。由于不同被測對象的輸入輸出信號對應的是公共的系統資源，因此對所有被測對象的輸入輸出信號特征應按照系統硬件資源（即按照激勵或測量源）進行整理，并按照該資源的最高測試需求精度進行計量。

對于按照不同測試適配器進行的測量，通過對系統資源和信號特征的整理，列出相應的用于計量的系統資源最小有效集合，從而完成整個自動測試系統計量的內容、參數及信號特征的規劃。

以某型導彈分機綜合自動測試系統為例，系統共包含各類儀器32臺，測試適配器8個，可實現多種導彈近200種分機、插板的檢測任務，每個適配器對應被測對象20余種，按功能進行計量工作量較大，若通過資源梳理，按適配器進行檢定，則8次即可完成。

2 自動化計量的硬件設計

2.1 計量標準裝置的選擇

對自動測試系統進行計量，首先需要配備量值比較中用于提供標準量的標準裝置。為了保證自動測試系統計量的合理可行，可以參照建立計量標準及撰寫計量標準技術報告的一般要求[3]，在充分考慮技術要求的前提下，自動測試系統計量標準的建立應包括以下步驟：

1）明確建立計量標準的目的、意義和用途，認真分析計量標準的必要組成和工作原理，掌握利用計量標準開展自動測試系統計量的項目、要求以及計量方法；

2）明確整套計量標準的組成及必須的附件，主要技術指標，包括參數、測量范圍、不確定度及限定條件等；

3）明確計量工作中對計量標準裝置包括計量軟件的操作要求；

4）根據自動測試系統原位計量的特點，明確開展自動測試系統計量的環境條件，并充分分析由環境等因素可能導致的影響；

5）按照計量標準中測量標準不確定度評定的方法，認真分析自動測試系統計量標準裝置不確定度分量的組成因素，對標準裝置的擴展不確定度進行計算，并考核計量標準重復性和穩定性等因素，最后通過驗證確保標準裝置能夠滿足自動測試系統計量的要求。

根據上述要求，嘗試對上述導彈分機綜合自動測試系統的計量標準進行選擇，根據系統硬件資源的計量需要，可選擇FLUKE5520作為電壓、電流、電阻以及波形測量通路的檢定標準，選擇功率計Agilent4418B和頻率計Agilent53131A作為信號源通路的檢定標準。由于以Agilent34401A為測量儀器的電學基本量測量通路在系統中具有較高的測量精度，且通過計量必須保證其準確有效，因此可利用檢定合格或校準修正后的電壓測量通路，作為系統電源及電壓信號的校核標準，并在此基礎上進行計量標準的不確定度評定。

2.2 計量適配器的設計

為了實現自動測試系統的自動化計量，必須對不同對象的計量通路進行調配，從而實現計量標準裝置對所有信號資源通路的計量遍歷，為此必須設計計量適配器。在計量電路中增加輔助電路可能會給計量帶來額外誤差，因此對計量適配器的設計必須嚴格進行誤差控制，使計量適配器的誤差滿足計量標準裝置的建立要求，并且在數值上可知，該數值最后可以計入計量標準裝置的總不確定度，或能夠按照系統誤差進行修正[1]。

根據導彈分機綜合自動測試系統的特點，計量適配器[4]主要完成以下功能：

1）系統測試適配器輸出端的模擬信號測量通路到FLUKE5520數表檢定端的連接；

2）系統測試適配器輸出端的示波器測量通路到FLUKE5520示波器檢定端的連接；

3）系統信號源輸出端到AgilentE4418B功率檢定端和Agilent53131A頻率檢定端的轉接；

4）系統測試適配器電源、指令信號、D/A信號和開關信號輸出端到自身模擬信號測量電路的轉接。

同時為了實現模擬測量通路和電壓信號通路的自動轉換，計量適配器同樣必須具備程控功能，為此還需添加CPU板和GPIB通信板，計量適配器系統框圖如圖1所示。

圖1 計量適配器的組成框圖

通過選擇計量標準裝置并設計計量適配器，完成了自動化計量的硬件設計，自動測試系統的資源通過測試適配器輸出，由計量適配器轉接至計量標準裝置，自動測試系統程控儀器、計量適配器和計量標準裝置均通過GPIB總線受自動測試系統主控計算機的控制，系統結構圖如圖2所示。實施計量時，自動計量軟件控制系統資源依次通過計量適配器轉接至相應的計量標準裝置，實現參數計量測試，并遍歷所有待檢系統資源，完成自動測試系統的自動化計量[4]。

3 自動化計量的軟件設計

自動化計量的實現需要對自動測試系統的儀器進行程控，因此設計自動化計量軟件時，應根據自動測試系統軟件的基本功能或結構，在充分利用自動測試系統軟件現有資源的前提下，盡量由系統軟件原設計人員參與，以保證軟件設計的可靠性和整體的一致性。同時，通常還需要考慮以下幾個方面的功能：

圖2 自動測試系統系統級計量結構圖

1）實現系統資源、計量適配器和計量標準裝置的程控，按照計量要求，在相應的時機配置不同儀器，并讀取和保存計量數據。

如果軟件開發人員有足夠的權限，可以在該軟件平臺的基礎上，將計量標準裝置和計量適配器等儀器的信息注冊錄入自動測試系統軟件平臺的資源管理器，通過軟件平臺實現對該部分資源的統一管理，簡化計量軟件的開發過程。同時，還應考慮與原有自動測試系統的兼容性，基于自動測試系統原有軟件平臺的計量軟件功能結構圖如圖3所示。

圖3 基于自動測試系統軟件平臺的計量軟件結構圖

2）計量數據的處理和計量結果的判定

計量數據的處理主要是將標準裝置的標準值和對應系統資源實際測量值進行比較，得到絕對誤差、相對誤差等形式的誤差數據，以備進行誤差比較。計量結果判定主要是將計量測試誤差值與誤差判定極限值來比較，如果測量誤差超出誤差判定極限，則判定該項數據超差或項目不合格。

3）計量結果對測量數據的修正

將計量結果中可修正的參數誤差通過誤差修正表或誤差修正曲線等形式存儲修正數據，用于以后測量中對測量數據的修正。

對于具有多個檢定點的計量參數項目，應根據相應的靜態或動態模型對該參數的各個檢定點的誤差值進行回歸分析和曲線擬合，得出每個檢定點的實際修正值，或給出誤差修正方程，作為誤差修正曲線，對該參數的所有測量值進行修正。

4 結束語

自動測試系統的自動化計量是自動測試系統發展的必需，但目前該領域的研究還不夠深入，本文雖然對自動化計量問題進行了一定的實驗與探討，但距離該問題的完善解決還有很大距離。目前自動測試系統的計量功能依然存在的問題：一是由于自動測試系統自身的資源與結構，給后續的計量帶來困難；二是自動化計量軟件再開發難度較大；三是自動測試系統自身往往不具備參數修正模塊，計量數據無法應用。為此必須對自動測試系統的可計量性開展研究，將其作為系統設計的一個重要部分才能從根本上解決該問題。

[1]毛宏宇, 楊光, 王文良等. 綜合自動測試設備動態計量方法[J]. 吉林大學學報, 2010, 40(1): 119-122.

[2]孫群, 孟曉風, 鄭偉. 自動測試系統視情計量保障方法研究[J]. 測試技術學報, 2008, 22(1):24-29.

[3]孫寶江, 沈士團, 陳星. 自動測試系統校準方法研究[J]. 宇航計測技術, 2007, 27(1): 30-34.

[4]李效輝, 劉寧澤, 黎瓊煒. 自動測試系統適配器的計量方法[C]. 計量與質量專題學術交流會, 北京:2007: 55-57.