自动测试系统通用性研究*

2010-04-26孙琎烨李志轶

舰船电子工程 2010年10期

孙琎烨李志轶

(海军 92956部队大连 116041)

1 引言

随着现代科学技术的飞速发展,特别是电子应用领域的数字技术、超大规模集成电路及DSP技术的广泛应用,军用电子装备实现了数字化、智能化和模块化,其功能越来越完善,自动化程度越来越高,硬件电路的通用性越来越好。虽然电子系统的性能得到提高,但是装备的复杂性和测试手段落后等因素严重影响了电子设备的完好性、寿命周期和维修周期。

自动测试系统(ATS)是应用计算机技术、自动控制技术以及结合故障诊断方法,快速、准确地对电子系统是否异常进行判断,同时对故障点进行快速定位,并将故障隔离到最小可换单元。早期的自动测试系统主要针对具体电子设备型号或系列,其通用性差,特别是现代军用电子装备结构日趋复杂,导致针对具体型号电子设备研制自动测试系统周期较长,给电子装备的技术保障带来了许多困难。因此,通用自动测试系统的成为近年来系统开发的主流。

2 ATS的通用性描述

通用性描述了ATS的一种属性,这种属性可使ATS系统适应各种不同型号或系列的电子装备的测试和故障定位。通用ATS注重于采用公共的测试资源去适应不同的测试需要,可以大大提高ATS的测试覆盖范围,适合批量生产,降低开发费用。同时,通用ATS应采用开放式设计,具有可移植性和优化的人机交互功能,适合不同技术人员测试和开发。

通用ATS分为通用系统硬件和通用系统软件两部分。通用系统硬件包括人机接口资源、激励源、信息采集处理单元、开关资源以及UUT(被测单元)对应的接口组成。通用系统软件包括操作系统平台、仪器驱动函数和测试程序开发环境[1]。ATS系统通用性实现有两个关键技术:一是系统及系统间硬件及软件接口的标准化,包括系统硬件结构的标准化、软件结构及软件基础构件的标准化、TPS编程语言的标准化以及系统信号接口的标准化等;二是针对电子设备最小可换单元的故障诊断技术,包括诊断对象的状态是否处于异常状态或故障状态、定位故障点[2]。

3 系统通用性的硬件实现

通用测试系统的硬件设计原则是使ATE(自动测试装备)本身资源配置最大化,能够覆盖各种UUT的测试需求,例如激励信号资源、较宽的采集信号频带等。不同电子应用领域要求的测试需求差别很大,但如果能根据ATS的装备情况及UUT的测试需求,在费用合理、系统规模合理的情况下是可以求得UUT测试需求并集的。在求得UUT测试需求并集的情况下,配以相应的卡式仪器及其它设备,即可搭建系统的硬件平台。此外,为了实现系统的通用性,硬件设计与集成过程应充分考虑系统的适应性和扩展能力,并采用标准化的测试集成方式,不仅要定义标准的信号接口,而且对测试系统中开关系统的布局、开关系统与测试资源的连接、测试系统的接地与屏蔽、可靠性与安全性设计等关键技术都要制定严格的规范。

3.1 系统的硬件组成

典型的通用自动测试系统的硬件平台组成如图1所示,主要包括:测试控制器、激励资源、信息采集处理单元、开关系统与信号接口装置[1]。测试控制器实现自动测试系统中各种激励资源、检测资源和开关系统的自动配置,并决定其工作方式、状态、功能和参数,控制测试信号的通道选择与切换。测试系统与被测单元的信号交联则是通过信号接口装置实现。

图1 自动测试系统的硬件组成

3.2 测试仪器的通用性设计

测试仪器包括激励资源和信息采集处理单元两部分,这里着重阐述激励资源部分。在设计通用ATS系统初始阶段,必须对电子装备常用信号形式进行统计、分析,以满足覆盖不同型号电子装备测试需求的激励资源。不同电子领域所要求的信号参数差别很大,例如水声电子要求的频带范围一般在几千赫到几十千赫,而无线通信系统要求的频带可达至高频段,而且在特殊应用领域还需要许多特定的信号形式。信号形式和参数的差别给通用ATS硬件设计带来了挑战,为了在激励资源设计中减少硬件设计的复杂程度,提出基本信号样本→参数控制→信号合成的概念。在众多信号形式中存在一部分最基本的信号形式,例如正弦信号(SIN)、脉冲信号(PULSE)、分段线性信号(PWL)、指数型信号(EXP)等,而其它信号形式基本上都是这些信号形式的推演或合成,因此设计通用ATS的激励资源硬件系统时,可以以基本信号样本为基础,由参数控制器和信号合成器控制生成所需的信号形式,激励资源硬件组成如图2所示。

图2 激励资源的硬件组成

3.3 信号接口装置的通用性设计

为了实现系统的通用性,AT E上的测试接口需采用针对多种被测单元的通用接口,测试资源不直接与被测对象UUT相连,而是通过连接器—适配器结构实现,如图3所示。连接器连接测试资源;适配器连接UUT设备,适配器和连接器之间通过插座接口实现互连。检测不同的测试对象只要更换相应的接口适配器即可完成测试。

在适配器内部封装了信号调理模块,可完成对被测信号进行放大、滤波、提供电子负载、分配测试资源等功能[1]。根据被测对象的测试需求,选择合适的适配器插槽与测试资源对接。

图3 连接器—适配器系统结构

需要强调的是对于不同型号电子设备要求的适配器类型不同,因此开发不同类型的适配器是通用ATS系统开发过程的一个重要环节,相对于专用ATS系统开发,适配器开发的繁琐程度要大大降低。

3.4 开关系统在通用ATS中的设计

开关系统在通用ATS中实现被测单元接口与测试资源间的连接与通道切换,借助开关系统,ATS设计者可以充分利用有限的测试资源满足被测单元测试信号完备性需求,同时,开关系统是ATE系统中信号连接的枢纽,开关系统的性能直接影响ATE的指标和功能。因此,开关系统的设计和配置是ATE硬件系统设计的关键环节。

首先,对开关系统的选取要根据测试信号的种类和参数,根据不同信号的信号频带、耐压和电流等的承载能力等选取相应的射频开关、功率开关等。其次,采用模块化可扩展的开关系统结构。采用这种结构,不仅可以方便的扩大开关系统规模,而且可以使开关系统向上兼容,有助于实现测试系统TPS的可移植性和互操作性。最后,选用具有开放商业标准的开关系统模块。具有开放标准的产品货源多元化,品种系列化,维护和升级方便,有利于开关系统选型和对未来的技术支持。

4 系统通用性的软件实现

软件的可移植性与互操作性和仪器的可互换性是测试系统实现通用性的重要方面。为了实现软件的上述功能,必须建立标准的软件接口。软件接口是提供信息共享、信息交换的统一接口,可以实现测试过程虚拟资源到真实资源的映射。软件接口标准化的研究是真正实现测试程序集的可移植性和仪器的可互换性的关键技术,也是实现系统软件通用性的关键技术。

4.1 功能接口

为了实现测控软件的通用化、系列化,首先软件要与硬件系统结构相适应,根据硬件系统的结构特点制定软件所涉及的数据结构,最后考虑软件结构,实现测控软件的各种功能。根据上述测试系统的硬件结构,提出了标准的软件接口—功能接口的概念。功能接口是一套封装了虚拟仪器具体功能的细节,对外提供标准功能接口的函数库和配置工具的软件包。功能接口将所有的仪器(最小集合是测试系统中的仪器)可实现的功能进行分类,忽略各个仪器的实现细节。功能接口的核心是仪器控制、接口映射及状态缓存,其主要任务是将测试流程所描述的功能映射为具体的控制过程。

功能接口可分为功能层、逻辑层、仪器操作层、接口配置工具及接口配置文件五个部分。各部分关系如图4所示。

功能层是整个结构的最高层,面向测试系统开发的最终用户,功能层不用出现任何与仪器有关的信息,描述的都是有关测试流程及结果判定的过程;逻辑层根据系统测试仪器资源、信号转接通道控制模型及信号转接通道配置的描述,将功能层的功能映射到具有逻辑名称的仪器和通道,该逻辑名可以指向测试系统中一台特定设备,当该仪器模块更换时,只需改变逻辑名的指向为新型设备即可,因此逻辑层不包含仪器地址、具体会话等信息,具备仪器无关性;仪器操作层利用仪器驱动程序或随仪器模块提供的动态链接库控制硬件的所有操作;接口配置工具用于交互式配置测试资源、信号转接控制元件及接口映射关系等信息,建立测试仪器功能模型及信号转接通道控制模型,并将各模型的描述信息存储在配置文件中,供测试功能接口使用;接口配置文件存储的是测试仪器功能模型及信号转接通道控制模型的信息,包括测试资源信号端口及通道、电气连接关系、信号转接通道具备的操作功能、操作仪器应具备的其他附加条件等。

基于功能接口技术的测试软件开发方案的主要思想是,在测试流程与具体仪器之间建立功能接口,将仪器控制与测试程序完全隔离,即测试流程面向UUT接口信号,不进行直接面向仪器的操作。采用基于功能接口技术,可以有效地实现测试程序集的可移植性和仪器的可互换性,从而实现测试系统的通用性。

4.2 故障诊断与定位

测试电子设备的目的是判断对象的状态是否处于异常状态或故障状态、确定故障点部位,便于有针对性地对故障部位进行维修,因此对故障点的定位是通用ATS系统需要完成的最终环节。由于不同型号电子设备的电路结构和实现功能差别很大,因此要定位具体电子设备故障点就需要特定的分析流程或通过人工干预,这对实现故障诊断与定位的通用性带来困难。故障点的传统定位方法通常有两种,一是根据具体电路或其实现功能,制定特定的诊断逻辑序列;二是制定诊断流程,通过人工干预分析确定故障点,这两种故障诊断方法通用性差,现今人工神经网络技术、模糊理论以及自适应遗传算法等方面的迅速发展,为实现故障诊断与定位的通用性提供了可能[2～3],这里例举了几个神经网络的优点:

图4 功能接口组成

1)并行分布性处理

人工神经网络中的神经元排列并不是杂乱无章的,往往是分层或以一种有规律的序列排列,信号可以同时到达一批神经元的输入端,该结构非常适合并行计算,推理速度快。

2)可学习性

一个相对很小的人工神经网络可存储大量的专家知识,并且能根据学习算法,或者利用样本指导系统来模拟现实环境,或者对输入进行自适应学习,不断地自动学习,完善知识的存储。

3)鲁棒性和容错性

由于采用大量的神经元及其相互连接,具有联想记忆与联想映射能力,可以增强专家系统的容错能力,人工神经网络中少量的神经元发生失效或错误,不会对系统整体功能带来严重的影响。

4)泛化能力

人工神经网络是一类大规模的非线形系统,这就提供了系统自组织和协同的潜力。

5)具有统一的内部知识表示形式,任何知识规则都可以通过对范例的学习存储于同一个神经网络的各连接权值中,便于知识库的组织管理,通用性强。

故障诊断方法的通用性体现在针对不同型号、不同功能的电子设备,该方法均能适合故障的诊断与定位。以下介绍一种基于自适应算法实现故障诊断与定位的基本原理,首先,要根据具体被测电路制定电路仿真模型,激励源分别通过被测电路和仿真模型使它们之间产生误差信号,其次,根据误差信号调整自适应控制器权值,逐步使误差信号收敛,最后根据权值定位故障点[4～5],具体实现原理如图5所示。