自动测试系统

3.2自动测试系统

3.2.1自动测试系统的组成

通常把以计算机为核心，在程控指令的控制下，能自动完成某种测试任务而组合起来的测量仪器和其它设备的有机整体称为自动测试系统，简称(Automatic Test System) [1]。通过应用ATS 可以降低设备的维护时间，设备的性能，提高其工作效率，降低成本，并且具有高速度、高精度、能、多参数和宽测量范围等众多优点。

自动测试系统由自动测试设备(ATE, Automatic Test Equipment)、测试程序集(TPSs, Test Program Sets)和测试环境(TE, Test Environment)三个部分组成。其中自动测试设备ATE 是整个测试系统的硬件平台，它是一种通过计算机控制进行器件、电路板和子系统测试的设备。通过计算机编程取代人的手工操作，自动地完成测试。ATE 的核心是计算机，它包括所有的硬件设备和相应的操作系统软件。ATS 采用ATE 来控制复杂的测试仪器，例如:数字电压表、信号发生器和开关组件等。这些设备在测试软件的控制下运行，提供被测对象的电路或部件所要求的激励，然后测量在不同的引脚、端口或连接点的响应，从而确定该被测对象是否具有规范中规定的功能或性能[2]。

典型的TPS 由测试程序软件、测试接口适配器(包括接口装置、固件及电缆) 和被测对象测试文档三部分组成。测试环境可包括ATS 结构说明、程序设计和测试描述语言、编译器、开发工具、描述UUT ( Unit Under Test)设计需求的标准格式和开发TPS 软件的测试策略信息。

在自动测试系统中，测试资源定义为系统所使用的自动测试设备和信号调理适配器的相关信息[3]。其中自动测试设备是测试系统中完成激励信号产生和响应信号采集的主要设备，是测试资源的核心。信号调理适配器的功能就是实现将通过接口连接件引出的ATE 的信号管脚和UUT 的信号管脚对应连接起来，并实现一定的信号调理，如电压的转换。资源管理就是管理自动测试系统中自动测试设备和信号调理适配器相关信息，为TPS 的开发者提供必要的数据文件或访问接口[4]。

3.2.2自动测试系统的发展概况

ATS （Automatic Test System，自动测试系统) 是指能对被测设备进行自动测试、故障诊断、数据处理、存储、显示的系统[1]，其发展经历了三个阶段:针对具体测试任务的专用自动测试系统、基于GPIB 总线的积木式通用自动测试系统和基于VXI 、PXI 、LXI 等总线的模块化通用自动测试系统[2]。专用型自动测试系统通常是针对特定被测设备的，测试系统间互不兼容，互操作性低，测试资源利用率低，维护费用高。通用型自动测试系统要求采用公共的测试资源适应不同被测设备的测试需求，具有降低自动测试系统的使用及维护费用、提高测试系统的互操作能力、实现测试信息的共享、提高测试诊断效率和准确性等优势，因此90年代中期以来，通用型自动测试系统的发展成为主流。

随着技术的进步，发展，各种测试需求、自动测试系统逐渐向着更高的智能化、通用化、模块化测试任务的综合、交叉要求仪器具有更强的互换性，TPS 具有更好的可移植性。一般而言，大型自动测试系统面临的被测对象都具有设备种类和数量繁多、信号形式复杂、测试和激励信息量大等特点，所以在ATE 更换、添加或删除测试资源时，自动测试系统要频繁地修改原有的测试程序来完成测试任务，从而降低了ATE 平台的通用性和测试程序的可移植性，使得开发人员做了很多无意义的重复工作，也给测试系统的操作人员带来了不便，并且增加了ATE 的开发成本，延长了研制周期，无论是从人力还是财力的角度来讲都造成了巨大的浪费[[5]。不同ATS 采用共同的软硬件标准，才能最大限度地实现软件的跨平台操作及UUT 的跨平台测试。因此，在开发自动测试系统软件时，测试资源管理的设计是非常重要的。设计人员必须在对被测设备有充分了解的基础上，综合分析各种被测设备的测试需求，并结合各个测试资源的功能和性能特点，按照最佳的测试通道选择方式，最终选定满足系统测试任务的最优配置方案。

通用型自动测试系统的通用性体现在软、硬件两方面[3]。自动测试系统的硬件通用性表现为测试系统接口的标准化、测试仪器资源的可互换、测试通道可配置等。自动测试系统的软件通用性主要表现为TPS 的可移植性和重用性。当测试仪器更换或者测试系统升级换代时，TPS 应能够不加改动的移植到新平台中，从而降低自动测试系统的开发及维护成本。

为了实现仪器的可互换性，1998年成立了IVI( Interchangeable Virtual Instrument ，可互换虚拟仪器) 基金会，制定了一系列规范，将仪器按照功能分为数字万用表类(DMM)、示波器类(Scope)、直流电源类(DCPwr)等十余种类别，在同类仪器之间定义相同的函数形式和参数，实现了同类仪器的互换机制[4]。然而，IVI 规范并不能包含所有的仪器种类，并且只能实现同类仪器的互换[5]，存在一定的局限性。

测试软件的开发分为面向仪器、面向应用和面向信号三种类型，其中面向信号的测试软件中不包含任何针对真实硬件资源的操作，从根本上实现了自动测试系统中仪器资源的互换性和TPS 的移植性[6]。面向信号的软件结构将测试需求描述为UUT 的测量/激励信号需求，测试资源能力描述为仪器资源具有的信号能力

[7]，通过信号匹配实现虚拟信号资源到真实仪器资源的映射，进而调用面向信号的仪器驱动函数实现测试操作。

ATLAS ( Abbreviated Test Language for Avionics System，标准测试描述语言) 是一种广泛应用的面向信号的测试描述语言，测试语句不涉及对具体仪器的操作，具有良好的可移植性[8]。然而，ATLAS 体系庞大，语言过于冗余，信号定义模糊，开发工具昂贵，限制了其进一步发展。

针对ATLAS 中存在的问题，SCC20 ( Standards Coordination Committee 20, IEEE 标准协调委员会) 制定了STD ( Signal and Test Definition Standard,信号与测试定义标准) 标准[9]。STD 采用面向对象的设计思想及COM 组件技术，使用XML

C Extensible Markup Language ，可扩展标记语言) 、IDLC Interface Definition Language ，接口描述语言) 等描述信号。STD 定义了一套基本信号组件库，并且提供了由基本信号自定义测试需要的复杂信号的机制，具有良好的通用性及可扩展性。STD 可以与其他标准结合，开发面向信号的测试程序。

ATML ( Automated Test Markup Language，自动测试标记语言) 由SCC20从2002年开始组织制定，是一种以XML 标准为基础的测试描述语言，定义了自动测试系统中测试策略和需求、测试资源、测试结果等信息的描述格式[l0]。 ATML 继承了XML 的自描述能力强以及良好的可扩展性、通用性、跨平台特性等优势。ATML 使用STD 描述测试信号，具有面向信号的测试系统描述结构。

当测试信息跨平台移植时，可以通过原有的ATML 描述文件重新生成测试程序，从根本上实现TPS 的可移植性和互操作性[l1]。ATML 标准的应用能够实现测试系统的信息共享和通用性，是自动测试系统领域的研究热点。

3.2.3 ATE 资源管理概述

完整的自动测试系统如图1所示，自动测试设备包括系统中的激励仪器和测量仪器，资源分配开关负责连接仪器和被测对象UUT ，信号调理适配器对激励信号或测量信号进行一些信号调理。

图1 自动测试系统的组成

ATE 中的资源分配开关一般是矩阵开关，它是ATS 的信号枢纽，负责将被测设备的测试点连接到自动测试设备的仪器上，起到了桥梁的作用[8]。在以往的TPS 设计中，需要综合考虑仪器资源、UUT 与各类开关的连接关系并统一描述它们，以实现测试通道的快速、自动建立，这些问题贯穿TPS 开发过程的始终，管理不善不仅影响TPS 开发质量，甚至会造成设备不必要的损坏，降低开发效率[9]。因此，在资源管理中就对开关资源进行规划，建立通用的测试路径模型，实现最佳测试路径自动搜索将是解决上述问题十分有效的途径。

目前，ATE 资源管理一方面管理系统中的仪器设备和测试通道，例如管理图1中的仪器类型、名称、数量，建立测试通道等内容，另一方面资源管理为TPS 的开发者访问测试资源提供必要的接口或文件。研究测试资源管理的目的就是实现测试系统软件的可移植性和仪器的互换性，并实现测试通道的优化分配，最终提高测试效率和降低测试成本。

ATE 资源管理一般可以分为两大类，一种是面向仪器的管理方法，另一种是面向信号的管理方法。面向仪器的管理方法出现的比较早，

而且大多数是基于互

换性的管理，目的是提供硬件无关的测试资源访问接口，实现测试资源管理方法的通用性; 而面向信号的资源管理向用户提供经过抽象以后的通用信号产生接口，TPS 开发者只考虑测试所需要的测试信号的类型，而测试信号到底使用什么测试仪器实现是不必关心的。

面向仪器的资源管理导致TPS 在一定程序上的通用性与可移植性低，其测

试需求、测试策略以及测试资源的描述直接与仪器、设备相关，TPS 代码直接

与仪器相关，并且测试系统相关信息难以被计算机程序直接读取【川。因此，要

ABBET 是SEE 提出的测试环境框架，目的是提供通用自动测试系统开 发标准。其中的}EE1226.3-1998标准，即ABBET 资源管理软件接口，涵盖 了访问和管理自动测试系统资源相关描述信息所需的服务。这些信息包括关于

自动测试设备、开关和测试主体适配器的数据【‘5]。标准对测试资源的管理分

为:虚拟资源管理服务组、物理资源管理服务组和测试设备配置管理服务组。 各组又分为几个大类，每个类定义了一系列标准接口以实现对资源的管理。该

规范没有涉及接口的具体实现，只规定了接口的属性和方法。最核心服务是帮

助实现虚拟资源、物理资源的标准配置，并通过测试设备配置管理服务组进行

虚实映射，定位具体物理资源和路径【i6}

2.3 国内外研究现状

自动测试系统的发展经历了从专用型向通用型发展的过程。从早期仅侧重于ATE 研究，到今天的建立整个自动测试系统体系结构，同时注重ATE 研制和TPS 开发及可移植，以及人工智能在自动测试系统中的应用，集中型的ATS 正向着分布式的集成诊断测试系统发展，资源管理也由最开始的完全依赖于仪器，分裂成今天的面向仪器、面向信号两大阵营各自发展。

面向仪器的资源管理起步较早，自第二代自动测试系统开始，就体现出资源管理的重要性，以及在自动测试系统中的核心地位，从某种角度上讲，资源管理研究的发展关键在于仪器互换程度的发展。

在20世纪70年代，美国就将“面向信号”的测试程序开发作为测试技术的重要分支[20} o ATLAS C Abbreviated Test Language for All Systems)语言是这一时期的产物，广泛地应用在了多个领域。但是由于ATLAS 语言形式僵化，对激励信号或测量信号进行一些信号调理。在文献[]中提出：理论上讲, 任何信号都可由不同频率、不同种类的其它常见信号复合生成[3], 然而实际应用中,A TE 的现有资源是有限的, 因而必须选择几种合适的“基本信号”以合成新的复合信号[2]. 在Cher-fas 的文章中阐述了基于ATLAS 标准[4], 利用“理想基本信号”来构建合成信号的方法. 理想基本信号:这些信号本身并不含有真实世界中的噪声、失真或其他干扰存在. 其中, 非周期信号有直流常量信号、阶跃、脉冲、衰减正弦等; 周期信号有三角波、方波及正弦波等. 但是, 由于使用ATLAS 语言设计的TPS(测试程序集) 必须经过代码移植才能同一些商用软件 平台(如LabWindows CVI, HP VEE) 相集成[5], 以达到使用商用技术COTS(Commercial Off TheShelf) [6]的目的, 因此, 降低了TPS 的移植率; 并且, 由于ATLAS 是基于非面向对象方法的一个标准, 因而将来ATE 系统的扩展就受到了限制. 使用基于“面向对象分析方法(OOA)”[7]来构建合适的信号模型, 则会克服这样的困难, 并且利用通用的面向对象语言也可以很好地同其它平台相集成。