模塊類網絡安全產品的智能測試系統設計

孟珞珈，郭元興，盛強強，楊 光，廖 熹，李建國

(中國電子科技集團公司 第30研究所，成都 610041)

0 引言

網絡安全產品應用遍布黨政以及金融、能源、交通、電子信息等關乎國計民生的重要行業[1-2]，其物理形態多為小型模塊化的電子產品，既有如USB-KEY等具有標準接口的模塊，也有接口與外形定制設計的模塊，工作時需將其安裝到對應的宿主設備中使用。當前網絡安全產品生產批量大、交付周期短，但企業現有測試能力卻難以滿足產品的按期交付，以典型產品USB-KEY為例，單條測試線2名操作人員單日工作8小時產能不足600件，原因主要有兩點：1)現有測試工藝主要依賴人工操作，自動化程度低，經測算人工操作約占整個測試時間的25%；2)產品換線時間長，當需要換線時，由于涉及到更換產品的測試工裝以及搭建測試環境，換線時間一般在70分鐘以上。經企業評估，單日產能需達到1 500件才能滿足交付需求，雖然新增測試線與操作人員的方式可以短時間內快速擴充產能，但會導致測試成本大幅增加，企業難以接受，因此迫切需要通過智能化手段代替人工操作，在降低人力投入的同時提升測試效率與柔性換線能力[3-6]，滿足產能需求。

取代人工操作的關鍵在于采用機械手實現對產品的抓取、裝夾及分揀等操作。隨著勞動力成本的不斷上升，工業自動化設備在很多領域正越來越多地被廣泛使用，其中工業機械手憑借其穩定性好、適應面廣、效率高等優點，成為工業自動化生產的理想工具[7]。在歐美日等發達國家已廣泛使用機械手代替人工進行上下料，從毛坯開始到加工成成品，整個生產線的上下料全部都使用機械手來完成，這已成為現代生產技術不可阻擋的發展趨勢[8]。例如工業流水線上常見的分揀機械手，可以通過基于PLC的運動控制系統控制機械手抓取生產流水線上不同形狀大小的物品，具有持續工作、效率高等優點，可以極大地提升生產的靈活性和通用性，適用于在復雜場景下各種零部件的上料需求[9-12]。

提高測試效率的關鍵在于設計測試系統實現批量自動化測試。在測試系統設計技術方面，隨著計算機技術、數字化集成技術、自動測控技術以及智能化技術的發展，測試系統向著標準化、智能化、通用化和網絡化的方向邁進，而基于PXI總線架構的測試系統則是當前主流應用。PXI總線是PCI在儀器領域的擴展，它將CompactPCI規范定義的PCI總線技術發展成適合于試驗、測量與數據采集場合應用的機械、電氣和軟件規范，從而形成了新的虛擬儀器體系結構。PXI總線平臺具有良好的兼容性和擴展性，適用于工業環境，它成為自動化測試領域高性能、低成本的運載平臺，廣泛應用在汽車生產、機器監控、軍事和航空、制造測試等各種領域。采用PXI總線平臺開發自動化的測試系統，其測試業務在計算機軟件的控制下進行，憑借計算機可操作性強、運算速度快、處理能力強等優點，在降低測試系統操作復雜度的同時提高了系統的精度和工作效率，實現了測試系統的自動化和高效化[13-15]。

在智能制造相關技術快速發展的環境下，將智能測試技術與生產流水線的構建相結合，提出智能設備新的功能需求和測試技術發展的新方向，尋求智能設備及測試技術在智能制造中新的應用前景，這是推動智能工廠建設的一項重要工作[16]。本文提出一種通用性強的模塊類網絡安全產品智能測試系統設計方法，通過構建智能測試裝置，將搭載圖像傳感器的工業機械手控制技術與基于PXI架構的網絡安全產品測試系統設計技術相結合，實現上下料、型號識別與柔性換線、智能裝夾、批量測試、質量感知及分揀處理等流程的全自動化，大幅度提升網絡安全產品的調測效率及質量控制能力，并有效降低人力成本。

1 系統組成和原理

1.1 系統組成

模塊類網絡安全產品的智能測試系統組成如圖1所示，由硬件系統和軟件系統組成。硬件系統包括主控計算機、交換機、智能測試裝置、測試平臺、上料裝置和出料裝置，其中主控計算機是智能測試系統的控制中心，采用顯控一體化設計，負責智能測試系統各設備的調度與運行控制。智能測試裝置主要包含工作臺面、機械手系統、圖像傳感器、治具傳輸帶、檔停定位機構以及監控攝像頭等設備，實現產品的自動傳輸、圖像信息識別、裝夾、分揀等操作。測試平臺安裝在智能測試裝置主體內，由測試主機以及測試接口裝置組成，其中測試主機基于PXI總線架構設計，主要包括主處理單元及多個獨立的測試單元，實現對產品的批量自動化測試；測試接口裝置是對測試主機測試接口的轉接與延長，根據被測產品類型分為插接式和探針式，可按照不同產品測試需求靈活更換。上料裝置和出料裝置與智能測試裝置的治具傳輸帶連接，用于被測產品的批量自動上料與出料。

圖1 網絡安全產品智能測試系統組成

軟件系統包括控制中心軟件和測試軟件。控制中心軟件運行在主控計算機上，由主控模塊、人機交互界面、PLC控制模塊、CCD控制模塊和視頻監控模塊組成，實現對智能測試系統內各設備的運行控制，并提供測試操作界面及多維度的信息交互看板。測試軟件運行在測試平臺上，實現對產品的批量自動化測試，并將測試結果反饋到控制中心軟件，測試軟件由產品批量測試模塊、測試代理模塊及多型網絡安全產品的測試用例組成，其中產品批量測試模塊運行在測試平臺的主處理單元上，測試代理模塊及測試用例運行在測試平臺各個獨立的測試單元上。

1.2 系統運行原理

模塊類網絡安全產品現有測試流程主要包含安裝產品、產品初始化、寫入固件程序，物理與電子編號比對、寫入隨機數、寫入工作參數、業務測試、參數擦除以及分揀產品等步驟，通過流程再造與優化，將需要人工操作與判別的步驟交由上料與出料裝置、機械手系統、圖像傳感器以及測試平臺來自動控制完成，從而形成以產品上料、柔性換線、編號識別、產品裝夾、批量自動測試、產品分揀及出料為流程的一站式測試場景，如圖2所示，并可根據測試需求進行軟硬件的靈活重組與調用，實現流水線測試能力的快速構建。系統運行原理如下所述。

圖2 測試流程優化與再造

1)準備工作：前期準備工作主要有四步：①將產品的測試平臺安裝到智能測試裝置內；②配置坐標參數，包括抓取坐標參數、裝夾坐標參數、拔取坐標參數和分揀坐標參數，用于機械手對產品進行抓取、裝夾、拔取以及分揀的坐標定位；③在產品治具的二維碼標記槽位中粘貼產品信息二維碼；④將產品批量裝入產品治具中；

2)產品上料：將產品治具放入上料裝置后啟動測試，控制中心軟件控制上料裝置將產品治具送入智能測試裝置中；

3)柔性換線：控制中心軟件控制治具傳輸帶將產品治具傳輸到固定位置后檔停，控制圖像傳感器讀取產品治具上的二維碼獲取被測產品型號，并控制機械手抓取方式、裝夾方式以及測試用例的聯動切換，實現柔性換線；

4)編號識別：控制中心軟件控制機械手系統依次移動至每個產品的上方，通過圖像傳感器拍照獲取每個產品外觀上的物理編號信息，同時檢測治具中的產品是否已擺放到位；

5)產品裝夾：控制中心軟件控制機械手系統根據坐標參數將產品依次抓取，并裝入到測試平臺對應的測試接口上。

6)批量自動測試：完成裝夾后，控制中心軟件向測試軟件發出測試啟動命令，測試軟件啟動產品測試用執行自動化測試，并向控制中心軟件反饋測試結果，控制中心軟件通過人機交互界面顯示測試過程信息；

7)產品分揀：完成測試后，控制中心軟件控制機械手系統將合格品和不合格品分揀到對應的治具上，分揀完成后通過治具傳輸帶將裝有合格產品的治具推送到出料裝置，并將機械手系統復位；

8)出料：將裝有合格產品的治具通過出料裝置轉送到后續工序，不合格產品由人工定期處理；

9)測試過程監控：智能測試系統工作時，主控模塊會調用視頻監控模塊，將系統運行視頻通過人機交互界面進行展示。

1.3 通信架構

智能測試系統的通信架構如圖3所示，采用局域網(LAN)總線構建基本的通信網絡，主控計算機、測試平臺的測試主機、智能測試裝置PLC、上料裝置PLC、出料裝置PLC以及CCD工控機均通過網線接入到交換機實現互聯互通，主控計算機與PLC之間采用定制的PLC控制協議進行通信。在智能測試裝置內部，機械手系統、治具傳輸帶、氣缸以及傳感器等其他設備通過RS485總線連接到智能測試裝置PLC上；在上料與出料裝置內部，傳感器、傳輸帶以及氣缸等設備通過RS485總線連接到對應的PLC上。

圖3 系統通信架構圖

1.4 產品裝夾方式

產品的裝夾方式根據產品外形特點主要分為兩類：一類是在裝夾時采用夾抓將產品抓取后插接到測試接口裝置上，此種方式適合于外形特點如USB-KEY等適合夾抓的產品，如圖4(a)所示；另一類是通過吸盤吸取后放置到測試槽位上，再控制壓接固定機構將產品向下壓，使產品接口與測試接口裝置的探針式測試接口相接觸，以保證產品接口與測試接口探針接觸良好，此種方式適合于接口在產品下方的定制模塊，如圖4(b)所示。

圖4 產品裝夾方式示意圖

1.5 批量測試原理

為提高測試效率，產品的批量測試采用了并行測試架構進行設計，其原理如圖5所示，執行單個產品測試流程的是產品測試用例，測試用例由產品的一系列具體測試項目組合形成。在完成產品的批量裝夾操作后，控制中心軟件的主控模塊向測試軟件的產品批量測試模塊發起測試通知，產品批量測試模塊通過測試代理模塊啟動對應的產品測試用例，產品的測試用例在啟動后，會自動按照測試項目順序，產生相應的測試激勵發送到被測產品，被測產品產生測試應答給測試用例，測試用例進行結果判斷，并將過程數據和結果數據通過測試代理模塊發送給產品批量測試模塊；產品批量測試模塊將接收到的測試結果轉發到主控模塊，由主控模塊調用人機交互界面進行結果呈現。這一架構的優勢在于，不同的產品測試用例是在測試平臺各自獨立的測試單元上運行，因此各個產品的測試流程是并行執行，不會受到其它產品測試過程的影響，測試效率明顯提高。

圖5 批量測試原理圖

2 系統硬件設計

智能測試系統的硬件設計包括智能測試裝置設計、機械手系統設計、測試平臺設計三部分。

2.1 智能測試裝置設計

智能測試裝置設計原理如圖6所示，主要由工作臺面、機械手系統、圖像傳感器、治具傳輸帶、檔停定位機構、壓接固定機構、監控攝像頭和位置傳感器組成，產品治具在智能測試裝置內通過治具傳輸帶進行傳輸。工作臺面上提供了兩組獨立測試工位，可同時安裝兩組相同或不同測試平臺的測試接口裝置，以適配不同網絡安全產品的混線測試，當需更換測試接口裝置時，只需將測試接口裝置從定位銷釘中取出，再將新的測試接口裝置插入定位銷釘即可，換線操作簡單；工作臺面內部用于放置測試平臺；工作臺面上設置有支架，用于放置主控計算機。機械手系統實現產品的裝夾與分揀。圖像傳感器搭載在多功能機械手上，實現圖像信息的識別。治具傳輸帶兩端分別與自動上料裝置和自動出料裝置相連接，控制產品治具在智能測試裝置內進行傳輸。檔停定位機構將在治具傳輸帶上傳輸的產品治具進行檔停與提升，并精確定位固定，使產品治具脫離治具傳輸帶，為機械手系統抓取產品提供精確坐標位置，并在完成測試后將治具下放至治具傳輸帶。壓接固定機構主要由壓接氣缸部件、壓板和橫移氣缸部件組成，壓接氣缸部件向產品施加向下的壓力，通過壓板將產品壓緊；橫移氣缸部件用于在產品放置的過程中將壓接氣缸部件移開，防止干擾機械手行程。監控攝像頭用于實時采集測試裝置主體內部的運行視頻。位置傳感器主要實現對產品治具在裝置入口位置、檔停位置以及出口位置的檢測。

圖6 智能測試裝置設計圖

產品治具外形尺寸為統一的長260 mm×寬250 mm設計，內有根據產品外形定制設計的若干槽位，用于批量放置產品，治具上設有二維碼標記槽，用于粘貼記錄有產品型號信息的二維碼。

2.2 機械手系統設計

機械手系統由龍門三軸機械臂和多功能機械手組成，機械臂為多功能機械手提供XYZ三個軸向運動，結構模型如圖7所示，有效行程為600 mm*550 mm*150 mm，速率達到800 mm/s；多功能機械手模型如圖8所示，由夾爪、吸盤、夾抓汽缸和吸盤汽缸組成，抓取精度達到0.02 mm，并搭載圖像傳感器。工作時，控制中心軟件首先控制多功能機械手移動到產品治具二維碼上方，通過圖像傳感器拍攝二維碼識別產品型號，自動選用夾抓或吸盤。自動選用的原理是當系統識別產品型號為適合夾抓抓取的產品時，系統控制夾爪氣缸打開，彈出夾爪抓取產品，同時將吸盤汽缸關閉并退回吸盤；當系統識別產品型號為適合吸盤吸取的產品時，系統控制吸盤氣缸打開，彈出吸盤吸取產品，同時將夾爪氣缸關閉并退回夾爪。

圖7 機械臂模型圖

圖8 多功能機械手模型圖

控制中心軟件控制多功能機械手依次移動至每一個產品的正上方，通過圖像傳感器拍攝產品的物理編號信息并轉換為文本信息輸出，用于產品批量測試階段檢測電子編號和物理編號是否一致，同時檢測產品是否已準確放置到產品治具槽位。完成物理編號信息獲取后，對于裝夾方式為夾抓抓取的產品，由多功能機械手的夾抓依據坐標參數將產品直接抓起并對準插接到測試接口裝置對應的接口上，并通過固定機構固定，如圖9所示；對于裝夾方式為吸盤吸取的產品，由多功能機械手的吸盤依據坐標參數依次將產品吸取后放置到測試接口裝置相應的測試槽位上，并通過壓接固定機構將產品接口與測試接口裝置的彈簧探針接觸緊密。

圖9 產品裝夾操作示意圖

完成測試后，對于裝夾方式為夾抓抓取的產品，控制中心軟件控制多功能機械手的夾抓將產品拔出，將不合格品放置到不合格品治具，合格品則放回到原產品治具；對于裝夾方式為吸盤吸取的產品，控制中心軟件控制壓接固定機構將壓板升起并移開，再控制多功能機械手的吸盤將產品從測試槽位中吸取出來進行分揀。

2.3 測試平臺設計

模塊類網路安全產品在接口上差異較大，既有USB-KEY、mini-PCIe等計算機模塊，也有RapidIO、Serdes等高速接口模塊，還有由各種高速信號與低速RS232、TTL信號組合而成的綜合接口模塊，其參數加載需要通過宿主機從參數管理設備中讀取并寫入，因此測試平臺需提供高通信帶寬，以滿足根據不同接口進行靈活配置的需求，并為產品提供參數加載的通道。而基于PXI總線的測試平臺性能優越，既能有效解決測試平臺在高速通信中的帶寬瓶頸，也能支持系統中各單元之間的獨立運行與靈活互換[17-21]。

網絡安全產品測試平臺由測試主機以及測試接口裝置組成。其中測試主機基于PXI總線架構進行設計，由PXI機箱、主處理單元和6個獨立測試單元組成，各單元之間通過PXI背板總線實現信號交互，測試單元及測試接口裝置根據被測產品的測試需求定制設計，可通過升級測試單元及更換測試接口裝置實現測試平臺的快速重構。以USB-KEY測試平臺為例，該平臺可支持6件USB-KEY并行批量測試，由于USB-KEY在上電初始化后需加載隨機數KEY和工作參數KEY，因此測試平臺既需要滿足產品批量接入測試，也要實現隨機數KEY和工作參數KEY的自動切換與讀取，其設計原理如圖10所示。測試單元由“計算機模塊+切換電路”構成，計算機模塊提供測試所需的計算機接口及測試驅動，并控制切換電路依次讀取隨機數KEY和工作參數KEY并加載到產品中。測試接口裝置與測試單元之間通過電纜進行連接，實現USB信號的延長與轉接。

圖10 USB-KEY測試平臺設計原理圖

3 系統軟件設計

3.1 軟件總體設計

智能測試系統的軟件設計包括控制中心軟件設計和測試軟件設計，其總體設計如圖11所示。控制中心軟件運行在主控計算機上，由主控模塊、人機交互界面、PLC控制模塊、CCD控制模塊和視頻監控模塊組成，主控模塊實現對控制中心軟件各個軟件模塊的調度與流程管控；人機交互界面提供測試操作界面及多維度的信息交互看板；PLC控制模塊實現對智能測試裝置內的機械手系統、治具傳輸帶等設備以及上料、出料裝置的動作控制；CCD控制模塊控制圖像傳感器獲取產品的物理標識、治具二維碼等圖像信息；視頻監控模塊控制監控攝像頭實時獲取智能測試裝置內部的運行視頻。測試軟件運行在測試平臺上，由產品批量測試模塊、測試代理模塊及多型網絡安全產品的測試用例組成，其中產品批量測試模塊運行在測試平臺的主處理單元上，與控制中心軟件的主控模塊進行交互，實現對網絡安全產品批量自動測試的流程管控；測試代理模塊及測試用例運行在測試平臺各個獨立的測試單元上，測試代理模塊實現對測試用例的選擇以及數據轉發，測試用例根據不同產品測試需求定制設計，自動按照流程執行單件產品的測試，并將測試結果通過測試代理模塊反饋到產品批量測試模塊。本文主要介紹主控模塊設計、產品批量測試模塊設計以及測試用例設計。

圖11 軟件總體設計框圖

3.2 主控模塊設計

3.2.1 運行流程設計

主控模塊運行如流程如圖12所示，主控模塊向上料裝置發出上料通知，上料裝置將產品治具推入智能測試裝置的治具傳輸帶；主控模塊通過到位傳感器檢測產品治具已傳輸到檔停位置后，控制機械手移動到產品治具的二維碼標記槽，通過識別產品二維碼獲取被測產品型號，并通知測試平臺啟動相應的測試用例；主控模塊依據產品型號選擇抓取或吸取方式并將坐標參數加載到智能測試裝置PLC中；主控模塊控制機械手依次移動到產品編號位置，控制圖像傳感器識別產品編號信息；主控模塊控制機械手依次將產品抓取并裝夾到測試接口上；主控模塊發送產品編號信息給測試平臺，并通知其執行測試；主控模塊接收到測試平臺反饋的測試結果后，控制機械手進行合格品與不合格品的分揀，并在分揀完成后，將產品治具移出傳輸帶；主控模塊查詢出料裝置無告警信息后，向上料裝置發出上料通知，運行下一輪流程。

圖12 主控模塊運行流程圖

3.2.2 PCL控制協議

主控模塊與PLC之間通過ModBus-TCP協議進行控制與交互，實現上料控制、治具在位檢測、機械手運行軌跡控制等操作，PLC主要控制協議如表1所示。

表1 主要PLC控制協議

3.3 產品批量測試模塊設計

產品批量測試流程如圖13所示。產品批量測試模塊在開始運行后等待主控計算機發送測試消息；在接收到測試消息后，分別向6個測試單元發送啟動測試命令以及對應的產品物理編號，并等待測試單元返回測試結果；在收到測試結果后將信息轉發到主控計算機，并循環接收下一項測試結果，直到測試完成。

圖13 產品批量測試流程圖

3.4 測試用例設計

以USB-KEY為例，測試用例按照既定流程執行具體的測試項目并將每項測試結果上報給產品批量測試模塊，主要分為產品初始化與參數加載、業務測試以及證書信息擦除三部分，如圖14所示。

圖14 USB-KEY測試用例流程圖

1)產品初始化與參數加載流程：測試用例啟動后依次按照產品初始化、寫入固件程序、物理與電子編號比對、寫入隨機數以及寫入工作參數的順序向USB-KEY發起測試，并接收應答。其中物理與電子編號比對是指測試用例發出產品編號查詢命令獲取USB-KEY的電子編號，再與產品物理編號進行比對，兩個編號一致則通過測試。

2)業務測試：包括業務循環測試及算法性能測試。其中業務循環測試是對USB-KEY的加解密業務進行循環測試并統計業務成功率，其流程包括：將待加密數據發送到USB-KEY進行加密，接收到USB-KEY返回的已加密數據后驗證其協議符合性，再將有效數據封裝為待解密數據發送到USB-KEY進行解密，將接收到的已解密數據與待加密數據進行比對驗證，上述流程循環執行100次后統計業務成功率。

3)參數擦除：向USB-KEY發起參數擦除命令并接收是否擦除成功的應答。

4 系統運行效果分析

智能測試系統實物如圖15所示，系統實現了一站式無人值守測試，支持多產品混線測試，具備柔性換線能力，換線時間從平均70分鐘減少到10分鐘以內，并且大幅提高了測試效率，降低了人力成本，為模塊類網絡安全產品規模化制造發揮積極作用。智能測試系統已應用于USB-KEY的批量測試，與人工測試能力對比如表2所示，單日產能提升超過180%，滿足設計目標，人員投入減少50%，現場只需1名操作人員每間隔6小時負責一次批量備料與收料，單日總工時減少93%以上，質量判斷方式從依賴人工判斷轉變為基于數據的自動判決，質量控制能力得到明顯提升。

表2 智能測試與人工測試能力對比表

圖15 智能測試系統實物圖

此外，智能測試系統在測試執行過程中會實時更新測試執行看板信息。測試執行看板在設計上分為四個區域，如圖16所示，包括狀態看板、質量信息看板、實時視頻看板以及測試過程看板，狀態看板用于顯示當前執行測試狀態，并可人為控制啟停測試；質量信息看板用于提供實時質量信息，通過圖文結合的方式進行展示；實時視頻看板可直觀展示智能測試系統內部的運行狀態；測試過程看板用于實時展示測試流程以及出現異常時的過程追溯。

圖16 測試執行過程看板圖

為提高網絡安全產品的生產線的運轉效率，需對智能測試系統與生產線上與其它工序進行有效整合，將上料裝置和出料裝置分別與前后工序相連接，其上一道工序為裝配工序，下一道工序為包裝工序，裝配完成的網絡安全產品可立即送入智能測試系統進行測試，測試完成后直接流入包裝工序進行包裝，實現裝、調、檢、包一體化生產。

5 結束語

本文從當前模塊類網絡安全產品測試工藝中存在的自動化程度低、測試難度大，難以適應規模化生產等問題入手進行需求分析，針對產品自身特點提出了將工業機械手控制技術與基于PXI架構的測試系統設計技術相融合的智能測試系統設計架構，詳細闡述了系統組成、運行原理及各功能模塊設計方案并加以實現。該系統已在模塊類網絡安全產品制造中得到應用，可顯著提升產品的測試效率及質量控制能力。隨著各行業對網絡安全的日益重視，未來網絡安全產品的需求會呈現較快的增長趨勢，可以預見本系統將得到更為廣泛的應用。下一步將對系統進行優化升級，以增強對不同產品的適應能力與閉環調整能力。