下一代自动测试系统体系结构与关键技术

摘要：在总结自动测试系统发展现状的基础上，以目前国际上正在开展的下一代自动测试系统的研究为背景，分析了下一代自动测试系统的体系结构与标准，重点讨论了下一代自动测试系统开发所涉及的并行测试技术、合成仪器技术、仪器可互换技术、TPS可移植与互操作技术、智能测试诊断技术及测试诊断信息的表达等关键技术，希望以此能促进我国下一代通用自动测试系统的研制与开发。
关键词：自动测试系统，体系结构，关键技术；

1 引言
    
    随着科学技术的飞速发展，航空航天设备、军用武器系统等高技术产品的复杂程度日益提高，传统的人工检测维护手段已经无法满足现代化装备的支持保障要求，自动测试系统（ATS）正逐步成为复杂系统与设备可靠运行的必要保证。目前自动测试系统已经广泛应用于从产品研制、生产、存储到使用维护的各个环节，在航空、航天、国防、交通、能源等重要领域发挥着关键的支持保障作用。
 
    由于高技术复杂设备与系统往往可靠性要求高、使用寿命长、还可能需要不断改型与升级，相应的测试系统设计、开发与维护的难度大、费用高昂。从上世纪八十年代中后期开始以美国为代表的西方主要发达国家就开始致力于自动测试系统的通用化，并逐步形成了军用测试系统以军种为单位的通用化标准系列。但目前通用自动测试系统依然存在应用范围有限，开发和维护成本高，系统间缺乏互操作性，测试诊断新技术难以融入已有系统等诸多不足。从上世纪九十年代中后期开始在美国国防部自动测试系统执行局（DoD ATS EAO）的统一协调下，美国陆、海、空、海军陆战队与工业界联合开展命名为“NxTest”的下一代自动测试系统的研究工作，并于1996年提出了下一代自动测试系统的开放式体系结构[1]，同时进行了名为“敏捷快速作战支持”（ARGCS）的演示验证系统的开发工作[2]。本文以此为背景着重分析了下一代通用自动测试系统的体系结构及涉及的主要关键技术。

2 下一代自动测试系统的体系结构
   2.1 下一代自动测试系统的研制背景

   美国军方从上世纪八十年代中期开始研制针对多种武器平台和系统，由可重用公共测试资源组成的通用自动测试系统，并形成了四大标准测试系统系列（海军的CASS、陆军的IFTE、海军陆战队的TETS和电子战设备标准测试系统JSECST），但现有以军种为单位的通用测试系统仍然存在以下不足：
 
（1）生命周期内使用、维护费用较高
     现有通用测试系统广泛采用商业货架产品（COTS），以CASS系统为例，其采用的商业成件总量超过85%，商业产品更新换代快（典型周期为5年），而武器系统的使用寿命往往超过二十年，随着测试系统硬件的过时，系统的维护费用将不断攀升。

（2）应用范围有限、适应能力不足
     现有通用测试系统以各军种为单位，针对不同的武器维护级别（现场、中间、基地），缺乏系统间的互操作性，无法适应现代多兵种联合作战对多武器系统、多级维护的需要。

（3）故障诊断的效率和准确性有待提高
     现有的自动测试程序中，诊断软件是以预定义的故障字典或故障树为依据的，被测对象的内置测试数据、维修人员的经验、维修履历资料、被测对象的设计知识等相关测试诊断信息与知识无法得到充分的利用，测试控制计算机强大的计算、存储能力也远未得到充分的发挥，不仅不能适应复杂故障的诊断需要，而且测试诊断的效率较低。

    针对现有通用自动测试系统的不足，特别是上世纪90年代初投入使用的CASS、IFTE等标准测试系统到2006年左右面临升级换代，已不能适应新的武器装备的维护保障需要。1996年美国国防部自动测试系统执行局召集陆、海、空军、海军陆战队及工业部门联合开发新一代自动测试系统，其最终目的是：（1）显著降低自动测试系统的维护和使用费用（2）通过提高测试系统的互操作能力，使最终用户获得限度的测试灵活性。(3)实现被测对象全寿命周期中各个阶段测试诊断信息的共享和重用，提高测试诊断效率和准确性。
下一代自动测试系统研制将达到的主要目标包括[3]：
（1）改善测试系统仪器的互换性；
（2）提高测试系统配置的灵活性，满足不同测试用户需要；
（3）提高自动测试系统新技术的注入能力；
（4）改善测试程序集（TPS）的可移植性和互操作能力；
（5）实现基于模型的测试软件开发；
（6）推动测试软件开发环境的发展；
（7）确定便于验证、核查的TPS性能指标；
（8）进一步扩大商用货架产品在自动测试系统中的应用；
（9）综合运用被测对象的设计和维护信息，提高测试诊断的有效性；
（10）促进基于知识的测试诊断软件的开发；
（11）明确定义测试系统与集成诊断框架的接口，便于实现集成测试诊断。

2.2 下一代自动测试系统体系结构

    现有的自动测试系统大多是自成一体的封闭结构体系，主要表现在：（1）测试系统软/硬件结构缺乏通用性和标准化，这样不仅增加了使用和维护费用，而且降低了测试系统间的互操作性；（2）无法有效地与外部环境实现测试诊断信息的交互，阻碍了诊断信息的共享和重用，使得诊断效率和准确性低下。美国国防部自动测试系统执行局与工业界联合成立了多个技术工作组分析了自动测试系统（包括：TPS 测试程序集、ATE自动测试设备）及UUT（被测对象）中影响测试系统互操作性和使用维护费用的24个关键接口，并以此为基础建立了下一代自动测试系统开放式体系结构，如图1所示[8]。目前24个关键接口中已有7个确定了相应的国际标准，其余17个接口的标准也在制定过程中。
 
     下一代自动测试系统体系结构首先是信息共享和交互的结构，能够满足测试系统内部各组件间、不同测试系统之间、测试系统与外部环境间信息的共享与无缝交互能力。该结构以VXI Plug&Play（VPP，即插即用）确定的“系统接口”和IEEE P1226（ABBET，A Broad-Based Environment for Test广域测试环境）确定的“信息框架”为主体，其它关键接口均以上述两个接口为基础，如：诊断信息系统方面遵循IEEE P1232标准（AI-ESTATE，适用于所有测试环境的人工智能信息交换与服务），在构成分布式综合测试诊断系统时，则遵循TCP/IP网络传输协议。

3 下一代自动测试系统涉及的主要关键技术

    伴随着测试诊断技术迅猛发展，下一代自动测试系统中将采用的主要关键技术包括：
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●并行测试技术（Parallel Test）

     现有通用自动测试系统虽然能够覆盖多种被测对象的测试需求，但受测试接口容量和测试软件运行模式的限制，大多沿用串行测试工作模式，不能同时对多台（套）UUT进行测试，所以测试吞吐量并不比专用测试系统高，在强调测试保障效率的场合，现有的通用自动测试系统往往无法真正替代多台专用测试系统的工作。
为提高测试吞吐量，在自动测试平台上实现并行测试非常必要，目前并行测试主要包括软/硬件实现两种方式：

1．硬件实现：采用多通道同时并行模拟测试技术（Multiple Simultaneous Parallel Analog Test），代表产品如Teradyne公司的Ai7，在C尺寸单槽VXI模块上同时集成了32路并行测试通道，而每个测试通道又可根据需要独立地配置成数字万用表、函数发生器、任意波形发生器、数字化仪、逻辑电平测试和计数器等6种不同的仪器，这样就极大地提高测试系统的集成度和测试吞吐量，目前配置了三块Ai7模块的CASS升级系统已经能够满足原来专用测试系统才能实现的F/A18飞机的测试任务需要[1]。

2．软件实现：在测试资源和信号接口容量满足要求的前提下，NI公司的TestStand、TYX公司的TestBase等软件采用多线程技术来实现测试资源的动态分配与优化调度，可以满足多UUT并行测试需要。在现有测试系统的基础上采用大容量的信号开关系统、大容量的信号接口和足够的电源容量，改变软件开发与运行模式来实现并行测试也是今后自动测试系统发展的一个热点。
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●合成仪器技术（Synthetic Instruments）

     传统测试仪器往往是一些功能单一的专用仪器，随着数字信号处理技术的日臻成熟，近年来出现了以软件控制的、以功能组合方式实现的合成仪器技术，其基本做法是：以高速A/D、D/A和DSP芯片为基础组成通用的测试仪器硬件系统，而测试/测量任务的实现以及系统升级完全依靠软件来实现。合成仪器技术是测试测量技术的革命性进步，下一代自动测试系统中将大量采用合成仪器，目前美国海军CASS测试系统升级过程中已将频谱分析仪、射频功率计、波形分析仪、时间/频率测试仪和AC/DC电压测量等七种仪器的功能由一个VXI总线合成仪器模块来实现，而美国陆军的IFTE、海军陆战队的TETS系统也将进行相应的升级改造。合成仪器技术进一步推进了软件就是仪器的虚拟仪器技术的发展。
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●公共测试接口（Common Test Interface）

    测试系统接口的标准化和统一是TPS可移植和互操作的基础，目前各类通用自动测试系统都定义了严格的机械、电气标准的信号接口规范。为满足下一代自动测试系统的研制需要，美国国防部正着手制定SATS[4]（Standard Automatic Test System，标准自动测试系统）硬件接口标准，该标准将实现测试系统内部VXI仪器前面板、功率模块接口、开关矩阵模块接口、信号接卡器与测试夹具等硬件接口的标准化。1999年RFI（Receiver Fixture Interface，接卡器与测试夹具接口）联盟制定了测试系统信号接口标准IEEE P1505[5]，实现了信号接口装置电气和机械连接的标准化。

●先进测试软件开发技术

（1）软件体系结构与ABBET标准（广域测试环境）

   从下一代自动测试系统体系结构的规划可以看出，未来通用测试系统软件体系结构将以IEEE制定的ABBET标准为基础实现测试诊断信息的共享和重用。ABBET标准由IEEE P1226.3 ~12等一整套测试领域信息接口标准组成，覆盖与测试信息相关的产品设计、生产到维护的各个环节[9]。采用ABBET标准将实现产品设计和测试维护信息的共享和重用，实现测试仪器的可互换、TPS的可移植与互操作，使集成诊断测试系统的开发更方便、快捷。ABBET标准定义了基于框架的模块化测试软件结构，支持软件资源的重用。ABBET标准的思想是：将测试软件合理分层配置，实现测试软件与测试系统硬件、软件运行平台的无关性，满足测试软件可移植、重用与互操作的要求。

（2）仪器可互换技术与IVI（可互换虚拟仪器）系列规范
 
     为了降低开发成本、缩短研制周期，自动测试系统中大量采用商业货架产品，而商用产品更新换代快，为了延长测试系统的使用寿命，仪器更换往往是不可避免的。另一方面，随着通用测试系统应用范围的扩大，为适应被测对象测试需求的变化，也要求测试仪器能够方便地升级换代。由于仪器型号、种类和产生厂商的不同将给仪器更换带来一系列兼容性问题，仪器可互换技术就是要限度地屏蔽仪器间差异，为用户提供灵活的仪器互换机制。

     IVI规范作为美国国防部公布的下一代自动测试系统的关键技术，是实现真正意义的仪器可互换的关键。IVI-C、IVI-COM提供了同类仪器的互换机制，实现了同类仪器驱动器函数形式和参数的完全统一，使最终用户不再被束缚于特定厂家的特定型号的仪器设备。1999年HP公司（现为Agilent公司）提出了IVI-MSS（IVI测量激励子系统）规范，在仪器驱动与测试应用之间加入了中间层，形成针对特定应用的新的编程接口。而中间层又提供了插入特定代码的位置，用来补偿因仪器互换造成的测试结果的差异，这样就实现了“鲁棒性”的仪器互换机制，并能够支持不同类仪器的互换及多仪器组合成互换，还可实现面向应用的复杂测试/激励模型的重用。新的IVI-Signal Interface（IVI信号接口）规范[6]除提供鲁棒性的仪器互换能力外，又规范了信号驱动器组件的定义，IVI信号接口与面向信号的组件库ATLAS 2000相结合则构成未来通用测试软件体系结构的基础。

（3）TPS（测试程序集）可移植与互操作技术

    TPS可移植和互操作技术是实现测试软件可重用，扩大测试系统的应用范围，提高开发效率和降低测试开发成本的关键。
实现测试软件可移植与互操作的两个基本条件是：
1）测试系统信号接口的标准化
2）测试程序与具体测试资源硬件的无关
测试软件从结构上可分为：面向仪器、面向应用和面向信号三种形式，而面向信号的开发是测试软件互操作的前提。面向信号的开发使测试需求反映为针对UUT端口的测量/激励信号要求，TPS中不包含任何针对真实物理资源的控制操作。当测试资源模型也是围绕“信号”而建立时，则只要通过建立虚拟信号资源向真实信号资源的映射机制，就可以实现TPS在不同配置的测试系统上运行。目前军用和航空测试领域广泛采用面向信号的ATLAS语言进行测试开发，而随着面向信号的组件库ATLAS 2000的制定，最终用户的测试开发语言将不再局限于ATLAS语言。

（4）AI-ESTATE标准（适用于所有测试环境的人工智能信息交换与服务）与ATML（自动测试标注语言）

    随着被测对象的日益复杂，以数据处理为基础的传统测试诊断制方法已经无法适应复杂设备的维护需要，应用以知识处理为基础的人工智能技术将是自动测试系统发展的必然趋势，IEEE制定AI-ESTATE标准的目的正是为了规范智能测试诊断系统的知识表达与服务，确保诊断推理系统相互兼容且独立于测试过程，测试诊断知识可移植和重用[7]。在美国军方的资助下，Hamilton软件公司已于1999年开始研制基于AI-ESTATE标准的智能诊断测试软件，并初步实现了在分布环境下的机载武器系统板级智能诊断测试[10]。
 
    正在制定的ATML标准[11]是XML（可扩展标注语言）的一个子集，采用ATML表达测试诊断信息，将实现分布开放环境中测试诊断信息的无缝交互。ATML继承了XML适用于多种运行环境，便于与各种编程语言交互的优点，是目前最适合描述AI-ESTATE标准定义的各种测试诊断知识模型的语言。采用ATML表示测试诊断知识，将实现测试诊断知识与测试过程的分离，便于测试诊断知识的共享和可移植。而在测试执行过程中，还可以根据测试诊断知识来动态地调度测试运行步骤，实现更有效的故障定位，从而缩短诊断排故时间。

4 结束语
 
    鉴于目前国内军用自动测试系统的开发尚无统一的规划和标准，以武器系统的研制方为主进行分散开发，已经无法适应现代化战争环境对武器装备支持保障的要求，为全面发展我国的自动测试系统技术，缩小与国际先进水平的差距，跟踪和借鉴国际自动测试系统的发展方向，深入开展下一代自动测试系统所涉及的关键技术的研究是十分必要的。

参考文献：
[1] William A. Ross. The Impact of Next Generation Test Technology on Aviation Maintenance [A]. IEEE AUTOTESTCON [C]. 2003: 2－9.
[2] Bill Ross. ARGCS Update, 21 September 2003. https://proceedings.ndia.org/311C/
[3] Bill Ross. NxTest: DoD Nest Step in Automatic Testing, 10 March 1999. https://www.acq.osd.mil.
[4] M.J.Stora. Standard automatic test system (SATS) hardware interface standards for SATS frameworks, VXI instrument front panels, power module interface, augmentation module interface, receiver fixture interface, pin map configuration [A] IEEE AUTOTESTCON [C]. 1998: 627－638.
[5] M.J.Stora. IEEE P1505 receiver fixture interface(RFI) system standard update 6.0 [A]. IEEE AUTOTESTCON [C]. 1999: 27－33.
[6] Narayanan Ramachandran, Roger P.Oblad. The role of a signal interface in supporting instrument interchangeability [A]. IEEE AUTOTESTCON [C]. 2000: 403-416.
[7] IEEE Std 1232-1995, IEEE Trial-Use Standard for Artificial Intelligence and Expert System Tie to Automatic Test Equipment (AI-ESTATE): Overview and Architecture, 1995.
[8] Bill Ross. DoD Automatic Test Systems Strategy Refresh. IEEE AUTOTESTCON [C]. 2004: Plenary session presentation. https://www.acq.osd.mil/ats.
[9] IEEE Standard 1226-1998, IEEE Trial-Use Standard for A Broad Based Environment for Test (ABBET), Overview and Architecture, 1998.
[10] Amanda Jane Giarla. Implementing AI-ESTATE in a component based architecture phase-Ⅰ[A]. IEEE AUTOTESTCON [C]. 1999: 438¬—449.
[11] Requirements Document for Automatic Test Markup Language Diagnostic Schemata Specification. Draft 0.1 March 10, 2004. https://atml.org/project.htm.