一种分布式ATS控制结构层次模型设计

王正磊，周新力，许晴

（海军航空工程学院山东烟台264001）

自动测试系统（ATS）是由自动测试设备（ATE）和测试程序集（TPS）组成[1]。TPS需要运行在ATE基础上，实现具体的测试功能。测试系统资源、测试接口适配器等构成系统的硬件平台，应用开发环境、VISA、测试资源驱动程序和总线接口驱动等构成系统的软件平台。现代自动测试系统的设计中，软件和硬件之间的关联在度越来越低，硬件平台的变化对软件平台来说，其影响越来越小。因此，针对将来自动测试系统由集中式变为分布式，可以重点关注硬件平台的变化，而对于软件平台，只要需要稍微改变其配置文件，保证其测试程序的可移植性即可。

1 系统控制结构分层模型

测试系统是由若干相互作用、独立统一的测试子系统组成的有机整体，各子系统又从属与整体测试系统[2]。建立的分布式ATS，实际上就是一个具有分布式特点的网络化ATS，也就是分布式测试网络，而网络是能够直接或者间接进行通信的各方的集合。

网络结构的设计通常采用层栈的设计方法，例如我们非常熟悉的OSI参考模型和TCP/IP参考模型[3]，其层次如图1所示。

根据分布式ATS概念和网络层次结构，将分布式ATS系统控制结构自底向上分为物理层、逻辑层和应用层3个层次。分布式ATS分层控制结构和支撑技术如图2所示。

图1 OSI和TCP/IP参考模型层次

图2 分布式ATS控制结构层次

1）物理层。分布式ATS的基础层，主体组成部分为模块化测试单元及相关无线电设备。

2）逻辑层。分布式ATS的数据链路层、网络层和传输层的综合层，主体部分为基于自律分散系统特性建立的分布式网络结构。

3）应用层。分布式ATS的用户体验层，主体成分为测试系统控制结构运行流程。

2 物理层设计

物理层是分布式测试网络的基础层，包括测试系统工作时各类测试命令、仪器信号、数据信息等直接接触的基础设备。

模块化测试单元是测试系统的物理基础，根据被测设备的实际测试需求，对所需的测试资源进行整合，形成便携可移动的测试模块，其结构取决于具体测试任务，将无线总线桥接入模块化测试单元后，即可成为分布式ATS的测试子系统。模块化测试单元内部结构如图3所示。

图3 模块化测试单元内部结构

其中，供电模块负责为单元内的各个组成设备提供工作电源；无线总线桥起到控制管理功能，各类测试仪器通过无线总线桥与测试主控建立连接，测试主控的控制命令也通过无线总线桥到达测试仪器。

3 逻辑层设计

分布式ATS的逻辑层的功能相当于OSI参考模型中的数据链路层、网络层和传输层的集合。

3.1 自律分散系统

自律分散系统（ADS）是一种全新的基于网络的系统运行模式。目前常用网络型系统有客户端/服务器（C/S）模式和浏览器/服务器（B/S）模式两种组网方式[4]，无论是C/S还是B/S，在这两种模式下子系统都隶属于所属服务器的管理，如果某个服务器瘫痪，则其所连子系统会全部掉线。ADS的基本思想是突破从属关系，子系统自我管理、自发加入ADS、独立完成任务[5]，与其他子系统协同工作实现整个ADS运行，但是相互独立、彼此平等，其状态和决策均不受其他子系统状态和决策的影响。

ADS的先进体现在其自律可控性和自律可协调性[6]。自律，得益于ADS成员间松散的耦合关系，子系统自主控制自身异常情况的处理，既不影响其他子系统的状态，也不会接受其他子系统管理；可控，ADS子系统的状态是自我调节、自我控制的，在运行时可以自主应自身故障、维修、更新等异常情况；可协调，出现异常时，ADS的各类资源协调分担异常部分的功能，确保系统正常运行。自律分散系统结构如图4所示。

图4 自律分散系统结构

3.2 基于WLAN的分布式ATS

分布式ATS，实际上是以网络为基础的ATS，其出现是为了应对不断复杂的测试对象导致的测试过程参与者增多、相关测试数据增加的现象[7-9]。分布式ATS将分散在不同地理空间的测试仪器接入网络，利用主控测试计算机，通过网络这一信息传递媒介下达命令实现激励、测试、数据处理和信息传输等测试功能。分布式特征正是帮助ATS实现跨平台、跨测试资源、跨测试信息、灵活协调各部分共同完成复杂装备测试任务的最佳选择。

基于ADS建立ATS结构模型，将ADS的在线扩展性、在线维护性和容错特性扩展至整个测试网络，同时也可以大大提高测试网络的通用性、可替换性和灵活性，满足分布式自动测试系统测试节点灵活的要求。基于WLAN的分布式ATS结构模型如图5所示。

图5 基于WLAN的分布式ATS结构模型

从图7中可以看到，以ADS基本结构为基础，分布式ATS的网络拓扑结构结合了常见的C/S及B/S网络系统组网模式，其主要组成部分为：测试数据域（TAF）和测试原子节点（TA）。

测试数据域的设计来源于自律分散系统的数据域，是测试信息、被测件信息、指令信息等关键信息传递的“通信区间”。测试数据域不是一个物理概念上存在的确实地理界线，而是抽象的区域范围，测试数据域界线里的节点都可以通过测试数据域实现信息共享，测试节点控制端进入测试网络后即算通过测试网络界线，可以与测试网络中的其他节点进行信息交互。从网络拓扑结构来看，数据域相当于是C/S、B/S结构中的用户网络。

测试原子节点是实现测试功能的具体部分，也是整个测试系统的核心支架，数据域范围内的测试节点之间是平等的关系，类似星型网络拓扑结构[10-11]。每一个测试节点的专用测试仪器、通用测试仪器、GPIB、VXI、PXI、LXI总线仪器通过无线通信模块接入WLAN；任何一台接入WLAN的计算机都可以控制所有的测试设备，形成相互均等独立地位；任何一个接入WLAN的计算机都可以通过测试数据域中流动的数据流信息自带的测试内容码（TCC）来确定是否需要此条信息，从而进行信息识别、收取、发送[12]。测试节点在功能既是客户端也是服务端，作为客户端可以运用数据域里的数据进行本节点的测试，作为服务器端是其产生的测试数据、信息均可用于网络中其他测试节点使用。

4 应用层设计

应用层描述的是测试用户分析被测对象，根据测试需求确立测试应用结构的过程。

4.1 分布式ATS的工作模式

根据测试环境的变化及限制，主要分为以下3种工作模式：

1）开放式全域无线测试环境

测试距离短且分布式ATS全域无线信号覆盖，客户端、服务器、测试仪器均处在无线覆盖范围内，而且具有无线通信功能，根据具体的测试需求，主控单元可以将指令由主控所连接的无线总线桥路由到分置的测试设备，进行测试。通过无线总线桥将分置的模块化测试单元综合形成分布式ATS。

2）半开放式全域无线测试环境

测试距离较短且分布式ATS跨测试间全域无线信号覆盖，此时依旧可以按照开放式全域无线测试环境中的通信方式形成分布式ATS，与上述测试方案不同之处在于测试距离增加，为保证信号强度，从逻辑层的角度，在测试舱室之间增加无线路由设备，以保证数据链路的稳定。

3）组合式全域有线覆盖测试环境

由于测试间通信限制级别不同，有些测试间不允许与外界的无线连接，但铺设有有线网络，网络通信方式可以利用无线、有线无线组合使用：通信安全的情况下，测试间内开放测试环境内各测试节点均可通过无线方式进行通信，形成无线分布式测试网络；当测试网络节点处在保密性强、屏蔽无线信号和铺设有线网络的封闭式环境，进行测试组网时，使用无线网络添加开放环境测试节点、使用有线网络连接封闭环境测试节点，形成组合分布式测试网络。

4.2 基于有色Petri网的结构模型仿真

有色Petri网（CPN）是在基本Petri网的基础上扩展而来的一种高级Petri网[13]。可以清晰的展示分布式系统主控与各子系统、子系统与子系统间的任务执行关系[14]，同时引入时间、颜色集和层次结构等元素，这些元素通过CPN标记语言声明，定义了颜色集（类型）、函数、运算和变量，从而使基于CPN建立的模型可以表现出不同类型的测试资源和测试任务。

CPNTools，是CPN建模和分析的基础支持工具[15-17]。其交互性强的图形用户界面和反馈技术能够显示网络元素之间的关系；其建模仿真过程可以在结构和逻辑上对测试过程进行检验，检查分布式ATS模型是否达到设计要求；其状态空间分析能力，能够提供包含活性、公平性和有界性等标准状态分析报告。

基于CPN基本理论，利用仿真工具CPN Tools，建立分布式ATS模型测试流程并仿真。测试仿真模型和流程图分别如图6、图7所示。

图6 分布式ATS仿真模型

在图6中，图中方框代表变迁，椭圆代表库所，仿真结果验证了分布式ATS测试流程的可行性。测试流程各状态含义如表1所示。

5 结束语

文中通过对自动测试系统（ATS）基础框架进行分析，构建了一种包含物理层、逻辑层和应用层的分布式ATS控制结构层次模型。在物理层，以模块化测试单元技术、无线总线桥技术和无线通信网技术为支撑，形成系统平台运行物理基础。在逻辑层，基于自律分散系统（ADS）的两个基本特性构成系统运行的主要逻辑基础。在应用层，设计了具体的分布式测试系统的控制结构和专门面向测试任务执行的应用流程，并通过有色Pertri网进行控制结构模型仿真，验证了系统流程的可行性。

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图7 分布式ATS模型测试流程

表1 测试流程各状态含义

[5]范锟，肖明清，陈利安，等.基于自律分散系统的自动测试系统设计[J].计算机测量与控制，2013，21（9）:2431-2433.

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