设计寿命更长的自动测试系统 - 全文

　　美国国防部（DoD）等国防组织一直面临着削减成本的压力，同时还要维持重要的防卫任务，并提高应对新威胁的能力。一种方法是在以前投资的设计基础上透过增加功能来延长系统平台的寿命。AAV-7A1、B-52、F-15和MA Abrams等平台就是有长期生命力、一直工作着的可升级平台，自投入使用后，它们已经连续服役几十年了。

　　虽然延长军事系统的服务时间有助于节省预算，但也会使维护机构和自动测试系统（ATS）面临更多的挑战。其中的两项特别挑战是：

　　？ 处理被测设备生命週期与测试设备使用期限之间的不一致（图1）；

　　？ 支援测试横跨多代电子技术的高度混合的电子设备。

　　

　　图1：国防产业设备的特点是，其生命週期明显要比现成商用（COTS）元件长得多。那些试图在军事和航空系统中使用商用测试设备的设计师在设计时需要十分小心，以确保在整个系统寿命内都能提供支援。

　　幸运的是，由国防部相关机构及其产业伙伴主导的标準与平台给自动测试系统设计师和整合商提供了应对这些挑战的解决方案。利用模组化仪器仪表、软体定义的仪器、硬体抽象层、定义通用控制与资讯交换语法的标準以及高层测试管理软体工具进行系统设计不仅能为目前挑战提供解决之道，而且还为这些系统逐步升级以满足未来需求奠定了坚实基础。

　　应对生命週期不一致的挑战

　　被测单元（UUT）生命週期与自动测试设备（ATE）使用期限之间的不一致使自动测试系统供应商和系统维护人员的任务益发复杂（见图1）。由于测试设备技术的发展步伐一般要比技术更迭的週期快，某种自动测试设备经常在国防维护人员对其仍有强烈需求时就过气了。减缓这种废弃情况的成本取决于自动测试系统的架构能在多大程度上支援使用时间的延长和功能升级。

　　利用新的架构设计自动测试系统是尽量降低解决废弃问题成本的一个重要方法，这种架构採用得到广泛支援的模组化仪器硬体平台，如实现仪器功能的PCI扩展（PXI）。业界对PXI平台的广泛支援提高了找到合适的低成本替代仪器的概率。另外，它也增加了拥有竞争性备选方案的概率。而且模组化的外形通常可以大幅地减少待替换硬体的数量，因为像运算平台、电源、冷却元件和其它辅助基础组件等通用资源不再是每台仪器的不可拆分的组成部份，这一点与传统箱式仪器不同。

　　用适当的替代品替代仪器硬体只是减缓废弃情况的一个方面。在国防产业领域，测试工具的目标是在与商用生产测试相较长得多的时间週期内保持测试现用设备的能力。因此，对替代硬体的另一个要求是执行现有被验证过和被认可的测试的能力。现有测试不仅依赖于仪器硬体，而且依赖于对每个被测单元来说独一无二的测试程式集（TPS）。许多测试程式集可能使用待替换的单套测试资产。组成每个测试程式集的文件、软体和介面组件的开发与整合占用了大部份先前的资金投入，设备支援机构必须继续利用该投资，以便尽可能使这部份预算能顶更长时间。

　　由于重新开发这些测试程式集的代价非常高，因此利用测试程式集与测试站硬体资产之间的抽象层设计自动测试系统在减少废弃情况费用方面可以提供很大优势。硬体抽象层有时也指软体打包器（wrapper）或简称打包器，它使得用通用命令控制测试资产的测试开发成为可能，无需再使用供应商独有的语法。将命令功能与独有语法分离开来可以在产生废弃或升级情况时保护对测试程式集的投资。

　　硬体抽象的一个例子是使用针对仪器类的通用函数调用，如由可互换虚拟仪器（IVI）规格定义的内容。可互换虚拟仪器驱动程式可以从独特硬体实现中抽象出一般性仪器功能，并用通用仪器命令语法代替独有的製造商调用语法（见表1）。

　　

　　表1：可互换虚拟仪器用于定义仪器类别的通用测试仪器清单。这种抽象方式为防止特定製造商仪器的废弃提供了保护层。

　　开发模组化抽象层

　　虽然可互换虚拟仪器为所列仪器提供了测试程式集保护层，但测试站几乎总是包含有更多的仪器类型和其它测试资产。为了在自动测试系统的工作任务改变时能提供新功能，这些测试站组件也会成为废弃品或需要被替换。自动测试系统设计中的另外一个关键要素是全面的、模组化抽象层的开发，这个抽象层将包含所有目前测试站的资产，而且要具有开放性，目前后自动测试系统程式有需要时适用于进一步开发。

　　系统设计中可以整合进的另一种有用抽象是使用模组化子系统，如合成仪器。合成仪器被定义为一种可重构的系统，它能透过标準化的介面将一系列基本的软体和硬体组件整合在一起，以用数位处理技术产生讯号或执行测量──即是一种模组化的软体定义仪器。这是解决仪器生命週期与测试系统使用期限之间典型不一致问题的又一强大工具（见图2）。

　　

　　图2：模组化的软体定义仪器允许用户针对特定测试应用定製仪器功能。

　　因为这些仪器是软体定义的，将它们整合进系统通常可以节省更多成本并带来更大的系统灵活性，因为每种合成仪器都具有下列优势：

　　可以代替多种传统仪器

　　可以模拟废弃的仪器

　　更容易升级以满足新要求

　　更方便针对特殊测试需求进行定製

　　测试多代电子技术

　　设备支援机构过去的经验证明了作业不同的测试仪表维护不同的子系统甚至独立的武器平台的代价是多么高。因此，今后的趋势是尽可能地统一到通用支援设备上来。虽然这种方法可以降低成本，但在提供自动测试系统解决方案时也面临更多挑战。

　　结合延长了的平台寿命的优势，整合可以显着增加由平台支援的自动测试系统必须能够测试的电子技术的範围。与大多数商用仪器相较，这将形成高度混合的测试应用环境。增加的复杂性和更多的被测单元将增加废弃情况产生的频度。它们还会增加这些废弃情况对自动测试系统程式及其所支援的任务的影响程度。在此需要重申的是：模组化仪器平台、抽象层和软体定义的仪器被证明是弥足珍贵的设计单元，它们能为整合这些单元的自动测试系统提供差异化功能。

　　在支援这种高度混合测试环境的理由中，维护机构要求自动测试设备同时具有双重角色，既支援维护大量传统测试程式集又支援开发新的测试程式集。为了充分利用已经投入的资金，自动测试系统必须能够作业现有的测试程式集。同时，自动测试系统必须有能力高效地开发和作业针对新兴技术被测单元和不断发展的支援系统的测试程式集。所有这些设备必须经过测试和维护以便其系统能够满足任务要求。

　　灵活、高成本效益的解决方案应包括（见表2和图3）：

　　获得广泛支援的模组化开放架构平台，如PXI

　　测试环境资讯交换标準，如ATML

　　软体定义的仪器

　　基于FPGA的灵活的仪器硬体

　　

　　图3：自动测试标记语言（ATML）定义了XML模型集合，用于表示有关係统、参数、数据和结果的资讯。

　　

　　表2： 灵活、高成本效益的解决方案应包括的内容。

　　还有产业工具适用于测试开发和测试管理，这些整合了支援图形化的软体系统可以提供更高的测试程式集开发产能，因而增加了自动测试系统程式的投资回报率（ROI）。借助图形化的系统设计功能，被测单元领域的专家可以更高效地设计和实现必要的测试；否则，若必须与有软体开发技能、但缺乏被测单元技能的人士一起对测试要求和实现进行反覆讨论，则低效得多。

　　面对更重的测试程式集负担，拥有全面测试管理软体的测试系统具有显着优势（见图3）。一个高效的测试管理软体工具应具有如下特性：

　　支援多种测试开发环境

　　支援这些环境的多种版本

　　支援使用产业标準，如VISA、IVI和ATML

　　提供与资料库的连接能力

　　透过加速定製作业员介面的开发速度来提高产能

　　透过给系统设计师提供快速製作抽象层和方便增加新组件的能力来增强系统弹性

　　由于支援多种测试开发环境，因此可以增加从旧仪器卸载下来并整合进单个单元的传统测试程式集的种类。此外，製造领域专家、 测试程式集开发人员和提供支援的承包商能共同分担开发任务，维护机   构具有经济上和进度上的更大的灵活性。透过让每位专家工作在他们最熟悉、或者能够为特定测试应用提供最佳功能的测试开发环境，与‘以一应万’的开发架构相比，这种系统能够更快、更经济地提供关键的测试程式集功能。

　　相容以前发佈的测试开发环境版本，可以扩展自动测试系统为自动程式集开发与作业提供有效解决方案的时间範围。虽然在测试资产遭废弃时抽象层可以提供保护，但源自多版本支援的后向软体相容可以保护测试程式集本身在更新测试站软体时免遭废弃。

　　开放架构

　　虚拟仪器软体架构（VISA）、IVI和ATML等产业标準为实现与测试源的通讯、仪器命令语法和测试环境资讯的交换定义了通用介面。每种标準都以这样或那样的方式保护着自动测试系统，防止产生国防维护机构过去多次面临的两种风险：对单一资产供应商的依赖以及该供应商的‘蒸发’。不管产生哪种情况，维护机构都将花费更多。每种标準都遵循了指派关键介面和使用开放标準的模组化开放系统方法（MOSA）塬则。在自动测试系统中整合使用这些标準有助于降低程式成本和风险。

　　资料库连接是平台支援型自动测试系统的重要组件，它提供了用于归档及公开故障与错误数据以供故障分析的方式。透过以一致的方式记录故障产生的内容、时间和地点，与资料库保持连接的自动测试系统能够匯集必要的资讯来判断故障塬因。支援数据收集以进行一致性分析的这种能力，提供了能够为过程和/或系统与系统组件设计确定可能的纠正措施的方式，因而节约了作业成本、使预算可支撑更长时间。

　　测试程式集执行时是程式执行成本的主要部份。这个执行时的大部份由作业员的动作时间组成，可能占到全部时间的40%以上。许多时间花费在等待作业员的某种人工介入上。设计良好的作业员图形化用户介面（GUI）可以提高作业员的效率，进而降低成本。测试管理软体应降低开发和修改这种GUI的成本，因而为延长作业性预算可支撑的时间提供了另一条重要途径。

　　虽然在自动测试系统产业中有许多通用介面和测试站组件，但不是每样东西都能以一种方式抽象出来且同时还能提供每种应用要求的灵活性。基于这个塬因，自动测试系统需要能增强整合商定製系统的不同抽象层能力的软体。

　　採用以上述组件设计整合了测试管理软体的自动测试系统架构的实质性好处是能够降低程式成本、提高投资回报率。这是因为具有灵活性的自动测试系统可以测试传统的电子技术，并且在它们的生命週期内透过自我更新以测试更新的设备，并以一致的方式向资料库提供资讯；透过挖掘资料库内容就可以确定高成本的故障事件，并启动相应的纠错措施来降低成本。

　　虽然目前的报导标题使许多人相信目前的预算减少、节俭预算以延长资金使用时间和节约成本的努力是新的挑战，但国防部及其支援产业以前就面临过这些情况。因此他们开发出相应方法，试图透过技术更迭来逐步升级系统。在他们的努力下製作了模组化硬体平台（如PXI）、软体定义的仪器（如合成仪器）以及通用通讯语法标準（如VISA、IVI和ATML）。使用这些标準的模组化开放平台不仅能够保持现有的功能，并且在今后许多年裡都能增加新的功能。这样，系统的生命週期就能比塬先计划的长2至3倍，因而在不牺牲功能的条件下延长了预算的可用时间。使用这些组件设计自动测试系统是製作能够延长工作期限的自动测试系统的一种成功策略。