孫陽 奚文駿

（1. 海軍航空工程學(xué)院新裝備中心，山東煙臺 264001； 2. 海軍航空工程學(xué)院兵器科學(xué)與技術(shù)系，山東煙臺 264001）

0 引言

自動測試系統(tǒng)是指以計(jì)算機(jī)為核心，在程控指令下，能自動完成激勵、測量、數(shù)據(jù)處理并顯示或輸出測試結(jié)果的一類系統(tǒng)的統(tǒng)稱[1]。從功能角度看，自動測試系統(tǒng)等效于一臺綜合測試儀器，其激勵輸出和響應(yīng)測量的準(zhǔn)確性直接影響其完成檢測任務(wù)的質(zhì)量和成敗[2]。

為了實(shí)現(xiàn)自動測試系統(tǒng)的自動化計(jì)量，必須設(shè)計(jì)相應(yīng)的自動化計(jì)量硬件和軟件，其中硬件設(shè)計(jì)主要包括計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的建立和計(jì)量適配器的設(shè)計(jì)，軟件設(shè)計(jì)主要是自動計(jì)量程序的設(shè)計(jì)。

1 自動化計(jì)量的規(guī)劃

自動化計(jì)量規(guī)劃的目的是充分了解自動測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、儀器種類、系統(tǒng)資源及計(jì)量參數(shù)。

自動測試系統(tǒng)通常是對大型復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行測試，需要測試大量參數(shù)。由于不同被測對象的輸入輸出信號對應(yīng)的是公共的系統(tǒng)資源，因此對所有被測對象的輸入輸出信號特征應(yīng)按照系統(tǒng)硬件資源（即按照激勵或測量源）進(jìn)行整理，并按照該資源的最高測試需求精度進(jìn)行計(jì)量。

對于按照不同測試適配器進(jìn)行的測量，通過對系統(tǒng)資源和信號特征的整理，列出相應(yīng)的用于計(jì)量的系統(tǒng)資源最小有效集合，從而完成整個自動測試系統(tǒng)計(jì)量的內(nèi)容、參數(shù)及信號特征的規(guī)劃。

以某型導(dǎo)彈分機(jī)綜合自動測試系統(tǒng)為例，系統(tǒng)共包含各類儀器32臺，測試適配器8個，可實(shí)現(xiàn)多種導(dǎo)彈近200種分機(jī)、插板的檢測任務(wù)，每個適配器對應(yīng)被測對象20余種，按功能進(jìn)行計(jì)量工作量較大，若通過資源梳理，按適配器進(jìn)行檢定，則8次即可完成。

2 自動化計(jì)量的硬件設(shè)計(jì)

2.1 計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置的選擇

對自動測試系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)量，首先需要配備量值比較中用于提供標(biāo)準(zhǔn)量的標(biāo)準(zhǔn)裝置。為了保證自動測試系統(tǒng)計(jì)量的合理可行，可以參照建立計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)及撰寫計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)報告的一般要求[3]，在充分考慮技術(shù)要求的前提下，自動測試系統(tǒng)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的建立應(yīng)包括以下步驟：

1）明確建立計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的目的、意義和用途，認(rèn)真分析計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的必要組成和工作原理，掌握利用計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)開展自動測試系統(tǒng)計(jì)量的項(xiàng)目、要求以及計(jì)量方法；

2）明確整套計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的組成及必須的附件，主要技術(shù)指標(biāo)，包括參數(shù)、測量范圍、不確定度及限定條件等；

3）明確計(jì)量工作中對計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置包括計(jì)量軟件的操作要求；

4）根據(jù)自動測試系統(tǒng)原位計(jì)量的特點(diǎn)，明確開展自動測試系統(tǒng)計(jì)量的環(huán)境條件，并充分分析由環(huán)境等因素可能導(dǎo)致的影響；

5）按照計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)中測量標(biāo)準(zhǔn)不確定度評定的方法，認(rèn)真分析自動測試系統(tǒng)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置不確定度分量的組成因素，對標(biāo)準(zhǔn)裝置的擴(kuò)展不確定度進(jìn)行計(jì)算，并考核計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)重復(fù)性和穩(wěn)定性等因素，最后通過驗(yàn)證確保標(biāo)準(zhǔn)裝置能夠滿足自動測試系統(tǒng)計(jì)量的要求。

根據(jù)上述要求，嘗試對上述導(dǎo)彈分機(jī)綜合自動測試系統(tǒng)的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行選擇，根據(jù)系統(tǒng)硬件資源的計(jì)量需要，可選擇FLUKE5520作為電壓、電流、電阻以及波形測量通路的檢定標(biāo)準(zhǔn)，選擇功率計(jì)Agilent4418B和頻率計(jì)Agilent53131A作為信號源通路的檢定標(biāo)準(zhǔn)。由于以Agilent34401A為測量儀器的電學(xué)基本量測量通路在系統(tǒng)中具有較高的測量精度，且通過計(jì)量必須保證其準(zhǔn)確有效，因此可利用檢定合格或校準(zhǔn)修正后的電壓測量通路，作為系統(tǒng)電源及電壓信號的校核標(biāo)準(zhǔn)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的不確定度評定。

2.2 計(jì)量適配器的設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)自動測試系統(tǒng)的自動化計(jì)量，必須對不同對象的計(jì)量通路進(jìn)行調(diào)配，從而實(shí)現(xiàn)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置對所有信號資源通路的計(jì)量遍歷，為此必須設(shè)計(jì)計(jì)量適配器。在計(jì)量電路中增加輔助電路可能會給計(jì)量帶來額外誤差，因此對計(jì)量適配器的設(shè)計(jì)必須嚴(yán)格進(jìn)行誤差控制，使計(jì)量適配器的誤差滿足計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置的建立要求，并且在數(shù)值上可知，該數(shù)值最后可以計(jì)入計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置的總不確定度，或能夠按照系統(tǒng)誤差進(jìn)行修正[1]。

根據(jù)導(dǎo)彈分機(jī)綜合自動測試系統(tǒng)的特點(diǎn)，計(jì)量適配器[4]主要完成以下功能：

1）系統(tǒng)測試適配器輸出端的模擬信號測量通路到FLUKE5520數(shù)表檢定端的連接；

2）系統(tǒng)測試適配器輸出端的示波器測量通路到FLUKE5520示波器檢定端的連接；

3）系統(tǒng)信號源輸出端到AgilentE4418B功率檢定端和Agilent53131A頻率檢定端的轉(zhuǎn)接；

4）系統(tǒng)測試適配器電源、指令信號、D/A信號和開關(guān)信號輸出端到自身模擬信號測量電路的轉(zhuǎn)接。

同時為了實(shí)現(xiàn)模擬測量通路和電壓信號通路的自動轉(zhuǎn)換，計(jì)量適配器同樣必須具備程控功能，為此還需添加CPU板和GPIB通信板，計(jì)量適配器系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 計(jì)量適配器的組成框圖

通過選擇計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置并設(shè)計(jì)計(jì)量適配器，完成了自動化計(jì)量的硬件設(shè)計(jì)，自動測試系統(tǒng)的資源通過測試適配器輸出，由計(jì)量適配器轉(zhuǎn)接至計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置，自動測試系統(tǒng)程控儀器、計(jì)量適配器和計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置均通過GPIB總線受自動測試系統(tǒng)主控計(jì)算機(jī)的控制，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。實(shí)施計(jì)量時，自動計(jì)量軟件控制系統(tǒng)資源依次通過計(jì)量適配器轉(zhuǎn)接至相應(yīng)的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置，實(shí)現(xiàn)參數(shù)計(jì)量測試，并遍歷所有待檢系統(tǒng)資源，完成自動測試系統(tǒng)的自動化計(jì)量[4]。

3 自動化計(jì)量的軟件設(shè)計(jì)

自動化計(jì)量的實(shí)現(xiàn)需要對自動測試系統(tǒng)的儀器進(jìn)行程控，因此設(shè)計(jì)自動化計(jì)量軟件時，應(yīng)根據(jù)自動測試系統(tǒng)軟件的基本功能或結(jié)構(gòu)，在充分利用自動測試系統(tǒng)軟件現(xiàn)有資源的前提下，盡量由系統(tǒng)軟件原設(shè)計(jì)人員參與，以保證軟件設(shè)計(jì)的可靠性和整體的一致性。同時，通常還需要考慮以下幾個方面的功能：

圖2 自動測試系統(tǒng)系統(tǒng)級計(jì)量結(jié)構(gòu)圖

1）實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)資源、計(jì)量適配器和計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置的程控，按照計(jì)量要求，在相應(yīng)的時機(jī)配置不同儀器，并讀取和保存計(jì)量數(shù)據(jù)。

如果軟件開發(fā)人員有足夠的權(quán)限，可以在該軟件平臺的基礎(chǔ)上，將計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置和計(jì)量適配器等儀器的信息注冊錄入自動測試系統(tǒng)軟件平臺的資源管理器，通過軟件平臺實(shí)現(xiàn)對該部分資源的統(tǒng)一管理，簡化計(jì)量軟件的開發(fā)過程。同時，還應(yīng)考慮與原有自動測試系統(tǒng)的兼容性，基于自動測試系統(tǒng)原有軟件平臺的計(jì)量軟件功能結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 基于自動測試系統(tǒng)軟件平臺的計(jì)量軟件結(jié)構(gòu)圖

2）計(jì)量數(shù)據(jù)的處理和計(jì)量結(jié)果的判定

計(jì)量數(shù)據(jù)的處理主要是將標(biāo)準(zhǔn)裝置的標(biāo)準(zhǔn)值和對應(yīng)系統(tǒng)資源實(shí)際測量值進(jìn)行比較，得到絕對誤差、相對誤差等形式的誤差數(shù)據(jù)，以備進(jìn)行誤差比較。計(jì)量結(jié)果判定主要是將計(jì)量測試誤差值與誤差判定極限值來比較，如果測量誤差超出誤差判定極限，則判定該項(xiàng)數(shù)據(jù)超差或項(xiàng)目不合格。

3）計(jì)量結(jié)果對測量數(shù)據(jù)的修正

將計(jì)量結(jié)果中可修正的參數(shù)誤差通過誤差修正表或誤差修正曲線等形式存儲修正數(shù)據(jù)，用于以后測量中對測量數(shù)據(jù)的修正。

對于具有多個檢定點(diǎn)的計(jì)量參數(shù)項(xiàng)目，應(yīng)根據(jù)相應(yīng)的靜態(tài)或動態(tài)模型對該參數(shù)的各個檢定點(diǎn)的誤差值進(jìn)行回歸分析和曲線擬合，得出每個檢定點(diǎn)的實(shí)際修正值，或給出誤差修正方程，作為誤差修正曲線，對該參數(shù)的所有測量值進(jìn)行修正。

4 結(jié)束語

自動測試系統(tǒng)的自動化計(jì)量是自動測試系統(tǒng)發(fā)展的必需，但目前該領(lǐng)域的研究還不夠深入，本文雖然對自動化計(jì)量問題進(jìn)行了一定的實(shí)驗(yàn)與探討，但距離該問題的完善解決還有很大距離。目前自動測試系統(tǒng)的計(jì)量功能依然存在的問題：一是由于自動測試系統(tǒng)自身的資源與結(jié)構(gòu)，給后續(xù)的計(jì)量帶來困難；二是自動化計(jì)量軟件再開發(fā)難度較大；三是自動測試系統(tǒng)自身往往不具備參數(shù)修正模塊，計(jì)量數(shù)據(jù)無法應(yīng)用。為此必須對自動測試系統(tǒng)的可計(jì)量性開展研究，將其作為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個重要部分才能從根本上解決該問題。

[1]毛宏宇, 楊光, 王文良等. 綜合自動測試設(shè)備動態(tài)計(jì)量方法[J]. 吉林大學(xué)學(xué)報, 2010, 40(1): 119-122.

[2]孫群, 孟曉風(fēng), 鄭偉. 自動測試系統(tǒng)視情計(jì)量保障方法研究[J]. 測試技術(shù)學(xué)報, 2008, 22(1):24-29.

[3]孫寶江, 沈士團(tuán), 陳星. 自動測試系統(tǒng)校準(zhǔn)方法研究[J]. 宇航計(jì)測技術(shù), 2007, 27(1): 30-34.

[4]李效輝, 劉寧澤, 黎瓊煒. 自動測試系統(tǒng)適配器的計(jì)量方法[C]. 計(jì)量與質(zhì)量專題學(xué)術(shù)交流會, 北京:2007: 55-57.