基于ATML的分布式ATS架構研究

劉兆慶,喬立巖

(哈爾濱工業大學自動化測試與控制研究所，哈爾濱 150001)

0 引言

以計算機技術為核心的自動測試系統ATS(Automatic Test System)是實現電子設備故障診斷、健康管理和功能性測試的重要保障。自20世紀70年代以來，ATS已經歷了專用ATS、機架堆疊式ATS、基于背板的模塊化ATS、開放系統架構ATS等4個發展階段[1]，通用化一直貫穿于ATS發展過程。

測試系統通用化最初的目標是儀器互連及操作接口的標準化，隨著測試總線技術和相應軟件規范的推陳出新，該目標得以充分地實現。但由于測試目標類別及數量規模的迅速膨脹，被測設備研制、生產、部署和維護全壽命周期中的測試成本急劇升高；不同型號、類型產品間測試資源共享也愈發突出[2]，因此，ATS測試程序集可移植性和儀器互操作性、互換性成為ATS通用性新的研究熱點，它直接決定了系統的設計周期、維護成本、技術壽命、測試診斷性能、對新技術和被測對象的適應性[3]。

為推進ATS的通用化，重點解決測試程序集(Test Program Set, TPS)的可移植性和儀器的互換性問題，業界先后推出了ATLAS(Abbreviated Test Language for Avionics System)、SCPI(Standard Commands for Programmable Instrum-ents)、VPP(VXI Plug&Play)、IVI(Interchan-geable Virtual Instrument)、ATML(Automatic Test Markup Language)等技術規范，并在此基礎上構建了通用ATS開放系統架構。目前，主流的通用ATS主要采用集中式系統架構，即以測試計算機為系統控制核心，借助虛擬儀器和測試總線技術，實現對系統組件的控制[4]。在該架構下，儀器僅作為測試操作的執行機構，ATS的信息處理和協調控制性能直接受制于測試計算機和測試總線性能，系統軟件規模臃腫，設計維護成本較高，系統的信息互通性和通用化程度不理想。

針對集中式ATS架構的固有缺陷，本文采用LXI( LAN eXtensions for Instrumentation)為系統主干，設計了一種基于ATML標準集、以網絡為中心的分布式通用ATS架構，并采用自研的硬件設備和軟件工具搭建驗證演示系統，驗證其可行性和合理性。

1 ATS通用化技術概述

1.1 ATS通用化基本原理

如圖1所示，ATS是自動測試設備、TPS、TPS開發工具集等軟硬件組件的有機結合體。構建通用ATS的關鍵，是實現TPS可移植性和儀器互換性、互操作性。基本解決思想是對ATE(Automatic Test Equipment)的功能進行規范化定義或封裝，進而實現ATE驅動程序和硬件資源的標準化對接[5]。即盡可能避免TPS直接操作ATE，通過標準化驅動程序或測試程序接口，實現TPS的硬件無關性和可重用性。基于該設計思路，業界從ATS的不同技術應用角度，提供了多種技術規范和解決方案。

圖1 ATS邏輯結構簡圖Fig.1 ATS logical structure diagram

1)儀器互換性技術，主要實現儀器控制接口的標準化，包括SCPI、VPP、IVI等，其分別定義了程控儀器命令、儀器驅動函數、儀器測試功能和軟件接口的標準；2)測試軟件標準化技術，以廣域測試標準(A Broad-Based Environment for Test，ABBET)為代表，定義了開放的系統軟件架構和信息交互框架，通過標準化組件間的信息接口、服務機制、控制流程，推進測試系統的標準化[6]；3)面向信號的測試語言，包括ATLAS、STD(Signal and Test Definition)、ATML等，以面向信號的語義實現儀器功能和接口的標準定義；4)合成儀器技術，結合面向信號的測試語言，采用標準化的信號功能模塊構建儀器，借助軟件算法和可重構技術，實現儀器對TPS的自適應。

經歷多年的技術發展和市場選擇，上述構建通用化ATS所需關鍵技術標準已日趨成熟。然而，由于其分別針對ATS通用化的某一方面或層面，且存在不同的應用局限性或技術缺陷，均無法獨立構建通用ATS。實現ATS通用化的有效技術途徑是構建開放系統架構，利用商業標準定義系統行為和元素，通過標準化系統內接口、服務、協議、數據格式，實現儀器的互換性、TPS的可移植性，以及ATS間的互操作性[7]。

20世紀90年代，美國國防部(US Department of Defense，DoD)聯合各軍/兵種和IEEE電子系統測試診斷標準協調委員會(Standard Coordinating Committee 20, SCC20)、LXI聯盟、Boeing、Rohde&Schwarz等標準化組織或工業企業，共同開展名為NxTest的下一代ATS研究工作，并于1996年開始聯合制定DoD ATS框架[8]。如圖2所示，DoD ATS框架采用模塊化設計和開放系統架構，借助ABBET、ATML、STD等商業標準，從模型、組件、接口、規范等4個方面定義了20余個關鍵元素，全面覆蓋了TPS、ATE、UUT (Unit Under Test)等ATS組成部分。由于DoD ATS框架大量采用商用技術和產品，重點關注測試信息和系統接口的標準化，可根據技術發展和產品換代，靈活地進行調整、拓展和升級。同時，通過吸收面向信號的測試語言、合成儀器、并行測試、綜合診斷等先進測試技術，進一步提高了ATS測試能力，縮減了測試時間[9]。

圖2 DoD ATS框架組成示意圖Fig.2 DoD ATS framework

1.2 集中式ATS架構局限性

目前，DoD ATS框架已被確立為美軍ATS的強制性標準，并初步形成了以軍/兵種為單位的系列化、標準化的DoD ATS家族[10]。DoD ATS框架成功的基礎是采用基于ATML的開放系統架構，以分層、分類組織的商業標準集替代單一的技術標準，以面向信號的信息標準化替代驅動接口標準化。從而較好地實現了TPS的可移植性，并降低了系統管理、維護和升級難度。以SCC20 ATML Demo Phase I系統為例，由于沿襲了傳統ATS的運行機制和部分技術規范，具有較突出的技術局限性，如圖3所示。

1)系統性能受限。集中式系統架構下，作為系統核心的測試計算機和測試總線常常成為性能瓶頸，即使儀器本身具有計算、存儲等能力，也難以融入系統進行統一調度。而單純提高計算機和總線性能也難以取得系統性能等量的提升，同時帶來成本的倍增。

2)儀器智能性和信息互通性應用受阻。由于儀器僅為測試執行機構，其任務管理、信息處理、組件通信等必須借助測試計算機完成，在浪費部分高端儀器計算和存儲資源的同時，阻礙了儀器間信息互通性的應用，加大了系統通信主干的壓力。

3)軟件層次臃腫。DoD ATS框架仍通過VISA(Virtual Instrument Software Architecture)庫和IVI驅動程序實現儀器控制，ATML僅作為調用儀器驅動程序的信息接口，而非獨立的互換性解決方案，系統的軟件規模和設計成本進一步膨脹。

4)儀器互換性問題未有效解決。由于系統采用IVI驅動程序實現儀器互換，而IVI規范以功能對儀器進行分類，無法覆蓋所有儀器，并且對于專用儀器、復合功能儀器、合成儀器支持較差，系統的儀器互換性問題不能得到本質解決。

圖3 SCC20 ATML Demo Phase I系統架構Fig.3 SCC20 ATML Demo Phase I system architecture

2 基于ATML的分布式ATS架構

2.1 基于ATML的分布式ATS架構技術可行性

引發DoD ATS框架技術局限性的直接因素，是采用以測試計算機為中心的集中式系統架構，并試圖借助IVI等技術，以標準化軟件接口的形式解決系統組件的互換性問題。LXI技術和ATML標準集的出現，為構建通用ATS提供了一種分布式解決方案，即以LXI為系統主干，通過網絡互聯系統內具有獨立控制、通信和信息處理能力的智能儀器，并以符合ATML標準集的測試信息組織其管理任務、交互信息、協作測試。一方面，由于采用ATML作為系統各環節測試信息標準，通過充分利用其面向信號的特性，可有效增強儀器互換性。另一方面，由于系統和測試任務的控制主體轉變為各智能儀器，借助儀器的計算、存儲、觸發等資源，可有效緩解系統的性能壓力。相對于以DoD ATS框架為代表的集中式ATS架構，其具有較強的可行性和技術優勢。

1)通用化。面向信號的ATML標準集能夠最大程度地解決TPS可移植性問題，而采用ATML作為消息基LXI儀器的通信格式，借助嵌入式系統和網絡技術實現ATML測試信息的解析執行，可有效實現系統組件的互換性和通用化。

2)數據帶寬和延遲。LXI(典型帶寬12.5MB/s)相對于PXI/PXIe(典型帶寬132MB/S或4000MB/s)并不具備優勢，但通過利用儀器的計算和存儲資源對本地原始數據進行處理或存儲，系統帶寬需求和壓力可顯著下降。此外，利用LXI同步與觸發機制，可降低網絡延遲的不確定性，有效保障測試操作的實時性。

3)系統的可拓展性和成本。LAN是工業界最穩定、開放、廉價的技術標準[1]，XML是以太網應用的信息交互標準，LXI和ATML分別繼承了其優良的特性。采用LXI為主干集成系統，借助ATML標準化各環節信息，可構建高聚合、低耦合、經濟的通用ATS。

2.2 基于ATML的分布式ATS架構設計

綜合考慮通用ATS應用需求和LXI技術特點，本文設計了一種基于ATML的分布式通用ATS架構。如圖4所示，其可劃分為系統層、網絡連通層和儀器層。系統層以測試計算機為載體，包含了管理、開發、執行測試診斷任務所需的軟件工具和用戶接口；網絡連通層采用標準LXI接口集成各測試設備和提供信息交互媒介；儀器層主要采用支持LXI接口的智能儀器，提供測試診斷功能。系統層與儀器層內部，以及系統層與儀器層之間的信息交互格式，均遵循ATML標準集。儀器間的協作與測試任務的推進，采用LXI同步與觸發機制提供驅動信號。其基本運行原理如下文所述。

圖4 基于ATML的分布式通用ATS系統架構Fig.4 Distributed general ATS system architecture based on ATML

(1)儀器智能性與信息互通性應用

該架構選用配備可拓展軟件系統的儀器或總線橋，以LXI為主干組建混合測試系統。借助儀器的計算、存儲和網絡通信資源，實現ATML測試信息的分布式處理與交換。

① ATML信息解析應用。經拓展測試計算機、儀器或總線橋的軟件系統，可利用ATML解析技術，實現各系統節點內ATML文件的生成、發布、解析、執行，并借助LXI LAN消息或其他網絡通信機制，實現系統層與儀器層、儀器與儀器之間的ATML標準信息交互，從而推進系統組件的通用與互換。

②處理器和存儲資源應用。儀器或總線橋可對原始測試數據進行預處理或暫存，從而動態利用系統閑置帶寬，并緩解混合測試系統帶寬壓力。

③測試資源管理應用。經配備測試資源管理器軟件，儀器或總線橋可實現對多個測試子任務的管理和調配，從而實現分布式的并行測試，提高儀器利用率。

圖5 LXI同步與觸發機制應用原理Fig.5 Application of LXI synchronization and trigger mechanism

(2)同步與觸發機制應用

如圖5所示，各儀器以測試操作為單位逐步執行測試任務，測試操作的執行，可分為任務裝載和測試執行兩個階段。在任務裝載階段，儀器對測試功能模塊和觸發系統進行預編程；在測試執行階段，外來的觸發信號將激活本地儀器執行預編程的測試操作。以同步與觸發機制為驅動的測試操作執行，在緩解網絡延時問題的同時，構建了兩級流水機制，并利用LXI觸發的多播機制，實現系統狀態廣播(如圖5中的①和⑧)和并行測試(如圖5中的⑥)[11-12]。

3)ATML標準集應用與管理如圖6所示，該架構選用ATML測試描述、儀器描述、測試站描述、測試適配器描述、測試結果等作為系統測試信息標準。采用高聚合、低耦合的軟件設計思想，各組件或環節之間的信息交互、發布和調用均采用ATML，可有效保障系統組件互換性和信息互通性。

圖6 ATML標準集應用原理Fig.6 ATML standard set application diagram

3 驗證演示系統設計

根據第2節闡述的系統架構和層次功能，本文采用模塊化的軟件設計思想，分別設計實現了系統層和儀器層軟件，并根據實用化測試需求，以自研軟件工具和硬件設備，搭建了驗證演示系統和設計驗證演示實驗，檢驗分布式ATS架構的合理性與可行性。

3.1 系統層軟件設計

系統層軟件架構如圖7所示，為實現與ATML 貨架產品工具的兼容，根據功能需求封裝為多個分立的ATML工具，然后以集成開發環境的形式進行整合。系統層軟件采用Java RCP技術開發，主要在測試計算機端提供測試開發平臺和用戶管理接口，可劃分為測試資源描述層、測試信號映射層、測試設備連通層。

1)測試資源描述層。采用dom4j解析器，根據用戶測試需求生成ATML測試描述；采用基于mDNS/DNS-SD的儀器發現工具和適配器發現工具，發現并解析設備域名，然后從設備內置的服務器下載ATML儀器描述和適配器描述；采用測試站描述生成工具，根據已獲取的儀器描述和用戶配置信息，生成ATML測試站描述；采用MySQL數據庫，實現對ATML測試結果描述的分析綜合和測試報表的生成。

2)測試信號映射層。根據測試資源描述層的ATML文件，依次進行信號路徑分析、觸發資源分析、測試資源分析、測試流程分析，在對比信號類型、參數、時序關系的基礎上，將測試需求信號映射至儀器功能信號，并根據損耗均衡策略進行測試子任務分解，插入儀器間觸發信號，生成ATML測試子任務。

3)測試設備連通層。采用SOAP協議，發送ATML測試子任務給儀器，并接收返回的測試結果描述。

圖7 系統層軟件架構Fig.7 Software architecture of system layer

3.2 儀器層軟件設計

儀器層軟件設計如圖8所示，采用面向對象的C語言開發，主要在儀器端嵌入式系統內，實現ATML測試子任務和測試結果的解析、管理、執行，可劃分為ATML解析層、測試運行層、信號驅動層。

圖8 儀器層軟件架構Fig.8 Software architecture of instrument layer

1) ATML解析層。采用Axis2/C SOAP服務器接收ATML測試子任務和返回ATML測試結果描述；采用基于expat的ATML解析器，根據本地測試資源和測試數據，分別生成ATML儀器描述和測試結果描述，并將ATML測試子任務解析為測試序列，導入測試運行層；利用操作系統接口，重點實現對ATML解析器的動態內存管理和錯誤管理。

2)測試運行層。利用測試任務管理模塊，實現對本地多組測試序列的管理和調度，逐次傳遞給測試流程控制器；利用測試流程控制器，根據順序、循環、分支測試流程，以及測試信號間的時序關系，將測試序列中的測試操作，依次映射為面向信號的驅動調用；采用儀器通信模塊，利用LXI LAN消息多播機制，實現測試任務和儀器狀態的發布。

3)設備/信號驅動層。參照STD信號組件庫，在測試功能模塊驅動和同步觸發系統驅動的基礎上，封裝并提供面向信號的驅動庫。

3.3 驗證演示系統設計

本文采用自研的儀器、測試適配器、UUT和電纜搭建驗證演示系統，進行測試診斷實驗。如圖9所示，該系統采用4臺自研的LXI多功能儀器，分別插接2個外購或自研的M/MA測試功能模塊，經測試電纜和測試適配器，連接至UUT測試端口。各LXI多功能儀器均安裝至全寬ATS機架，經網線連接至Symmetricom SyncSwitch TC100型透明時鐘，通過工控計算機進行系統控制和監視，并采用Pickering 60-985型觸發電纜構建儀器間LXI硬件觸發鏈路。

圖9 驗證演示系統硬件組成Fig.9 Hardware composition of verification demonstration system

參照SCC20 ATML Demo Phase I項目的演示實驗，本文采用IEEE 1671.1-2009 Annex B中提供的開放UUT故障模型電路和測試策略，設計UUT和驗證演示實驗，對本文設計的系統架構和軟件工具進行驗證[13]。如圖10所示，本文設計的UUT以共射極基本放大電路為基礎，引出Vi、Vo、Vcc等測試點以提供電路靜態或動態參數測試接口，并通過跳線實現對UUT各元件短路或開路故障的注入。

圖10 驗證演示系統UUT故障模型電路Fig.10 UUT fault model circuit

如圖11所示，以系統層軟件為控制平臺，經手工導入或自動發現ATML測試描述、儀器描述、測試站描述、適配器描述等文件，系統層將執行信號映射和任務分配，進而面向各儀器生成和下發分立的測試子任務文件。各儀器以同步與觸發為驅動完成測試任務后，系統將生成ATML測試結果描述，并顯示UUT故障隔離和診斷結論。經實驗驗證，該系統能夠按預定流程完成測試操作，各環節涉及的ATML文件，均通過了XMLSpy軟件的XML Schema校驗，符合ATML標準集和LXI規范。

圖11 系統層軟件運行界面Fig.11 System layer software

4 結論與展望

本文針對ATS的通用化需求，以及集中式ATS架構普遍存在的性能和互換性問題，設計并初步驗證了一種基于ATML的分布式通用ATS架構。該架構采用LXI為系統主干融合各測試總線，以網絡為中心,以ATML為信息交互標準,

以LXI同步與觸發為驅動。通過充分利用網絡和XML的跨平臺特性，有效保障了系統的通用化，提高了儀器的互換性和互操作性。通過發掘儀器的智能性和信息互通性，緩解了ATS日益增長的數據帶寬壓力，較好地解決了網絡延時的不確定性問題，并提供了一種可行的分布式并行測試方案。經驗證演示實驗，該架構滿足ATS通用化需求和實用需要，具備較好的可行性和合理性。

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