張 遠，趙 兆

(南京理工大學(xué) 電子工程與光電技術(shù)學(xué)院，南京 210094)

射頻指標(biāo)自動測試及故障診斷系統(tǒng)研究

張 遠，趙 兆

(南京理工大學(xué) 電子工程與光電技術(shù)學(xué)院，南京 210094)

自動測試與故障診斷的聯(lián)合研究已經(jīng)在電子設(shè)備實際工作中得到較為廣泛的應(yīng)用；文章針對通信設(shè)備研發(fā)階段射頻指標(biāo)測試效率低下以及測試故障定位難度較大等問題，開發(fā)了基于虛擬儀器技術(shù)的自動測試系統(tǒng)以及適用于射頻指標(biāo)自動測試問題定位的智能故障診斷系統(tǒng)；故障診斷系統(tǒng)采用基于專家系統(tǒng)的知識庫及推理機制，解釋機制采用預(yù)制文本法進行設(shè)計；實際運行結(jié)果表明該系統(tǒng)能夠高效準(zhǔn)確地完成射頻指標(biāo)自動測試，并對測試過程中出現(xiàn)的問題進行較為準(zhǔn)確的定位。

射頻指標(biāo)；自動測試；故障診斷；專家系統(tǒng)

0 引言

隨著電子科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，通訊設(shè)備復(fù)雜度越來越高，迭代更新周期不斷縮短。高度集成的結(jié)構(gòu)使得通訊設(shè)備故障的復(fù)雜性大大增強，問題定位及維修的成本也隨之提高。測試技術(shù)在設(shè)備研發(fā)生產(chǎn)過程中的重要性越來越強。人工手動測試耗時長、誤差大、成本高的缺陷越來越突出。自動化測試可以將最為規(guī)范的測試流程應(yīng)用到每一次測試活動中，從而避免人為因素對測試結(jié)果的影響，測試結(jié)果的準(zhǔn)確性與可信度將大幅提高[1]。自動測試系統(tǒng)將重復(fù)的手動操作變成以毫秒級發(fā)送的計算機指令，顯著降低測試時間，提升測試效率。

隨著自動測試技術(shù)的發(fā)展，測試人員對數(shù)據(jù)的分析處理能力成為制約測試效率提升的關(guān)鍵因素。測試問題智能定位研究的目的在于利用故障診斷的方法代替“領(lǐng)域?qū)＜摇敝貜?fù)工作，對測試數(shù)據(jù)進行智能分析，以定位測試活動中出現(xiàn)的問題并給出適當(dāng)?shù)奶幚斫ㄗh。

自動測試系統(tǒng)的發(fā)展始于20世紀(jì)50年代初美國SETE計劃[2]。最初的專業(yè)型自動測試系統(tǒng)針對性強，測試方便，但測試軟件與儀器接口通常沒有標(biāo)準(zhǔn)化，通用性、可移植性很差。積木型自動測試系統(tǒng)于20世紀(jì)70年代出現(xiàn)，測試系統(tǒng)的硬件接口部分實現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化，但測試系統(tǒng)的軟件部分依舊沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)[3]。與此同時，故障診斷技術(shù)作為融合控制理論、計算機工程、信號處理、人工智能等相關(guān)學(xué)科知識的新興學(xué)科迅速興起[4]。我國關(guān)于故障診斷的研究始于20世紀(jì)80年代，此時的自動測試系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展到基于測試總線與模塊化儀器，利用虛擬儀器技術(shù)將軟硬件結(jié)合的模塊化集成階段。近年來，自動測試與故障診斷的聯(lián)合研究已經(jīng)成為故障診斷領(lǐng)域的重要研究方向，2003年北京航空航天大學(xué)谷云輝、劉亞斌等人對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊理論和小波分析在基于自動測試系統(tǒng)的故障診斷中的應(yīng)用進行了有益的探索[5]。同期，海軍航空工程學(xué)院杜鑫等人提出將自動測試與故障診斷技術(shù)應(yīng)用于機載設(shè)備維護保障中[6]。本文設(shè)計的射頻指標(biāo)自動測試及故障診斷系統(tǒng)將自動測試與故障診斷的聯(lián)合研究應(yīng)用于通訊設(shè)備開發(fā)測試階段，以達到大幅提高測試效率的目的。

1 系統(tǒng)需求分析與總體方案設(shè)計

1.1 系統(tǒng)需求分析

通訊設(shè)備全球市場已經(jīng)有十分明確的測試標(biāo)準(zhǔn)及參數(shù)要求，全球主流標(biāo)準(zhǔn)包括歐洲經(jīng)濟區(qū)執(zhí)行的CE認(rèn)證、美國聯(lián)邦通信委員會制定的FCC認(rèn)真以及其他地區(qū)廣泛使用的IEEE標(biāo)準(zhǔn)。本課題研究的射頻指標(biāo)自動測試及故障診斷系統(tǒng)主要是針對ZigBee、Sub-G兩類射頻指標(biāo)進行自動測試以及測試問題的智能定位。如表1所示，ZigBee指標(biāo)測試包括最大發(fā)射功率、頻譜模板等18個測試項，Sub-GHz指標(biāo)自動測試包括頻率誤差、傳導(dǎo)雜散等20個測試項。自動測試完后，故障診斷系統(tǒng)需要對測試數(shù)據(jù)進行智能分析，定位測試活動中被測設(shè)備的問題，并針對測試問題給出相應(yīng)的處理建議。

1.2 總體方案設(shè)計

本課題研究的射頻指標(biāo)自動測試及故障診斷系統(tǒng)由自動測試系統(tǒng)(Automatic Test System，ATS)和故障診斷系統(tǒng)(Fault Diagnosis System，F(xiàn)DS)組成，相互獨立的兩個系統(tǒng)通過測試數(shù)據(jù)的傳輸以及計算機指令的交互實現(xiàn)協(xié)調(diào)工作。如圖1所示，自動測試系統(tǒng)可分為自動測試設(shè)備(Automatic Test Equipment，ATE)、測試程序集(Test Program Set，TPS)、測試數(shù)據(jù)集(Test Data Set，TDS)等3個部分；故障診斷系統(tǒng)由知識庫、推理機、解釋機制、交互界面構(gòu)成。

表1 射頻指標(biāo)測試需求

圖3 ZigBee測試套流程圖

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

本課題研究的射頻指標(biāo)自動測試及故障診斷系統(tǒng)支持多設(shè)備自動測試，如圖2所示，系統(tǒng)使用到的主要測試儀器包括R&S FSG頻譜儀、R&S SMBV100A矢量信號發(fā)生器、干擾源等。被測設(shè)備通過串口服務(wù)器與測試PC相連，測試過程中PC通過向被測設(shè)備發(fā)送指定命令，實現(xiàn)對被測設(shè)備的控制，PC通過調(diào)節(jié)電子開關(guān)的狀態(tài)選擇執(zhí)行測試任務(wù)的設(shè)備。由于測試PC與測試儀器數(shù)據(jù)交互量相對較大，為了保證數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量，使用Telnet方式進行連接。測試執(zhí)行過程中，PC通過交換機向測試設(shè)備發(fā)送配置指令，并接收測試設(shè)備返回的測試數(shù)據(jù)。測試前的參數(shù)配置、測試過程中產(chǎn)生的關(guān)鍵數(shù)據(jù)以及測試結(jié)束后生成的測試報告將通過交換機存入數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。

系統(tǒng)使用的Impeller平臺是基于第三代TDL測試體系的自動化測試用例集成開發(fā)環(huán)境，具有完善的測試用例開發(fā)、調(diào)試、管理、執(zhí)行等功能，同時支持報告瀏覽、執(zhí)行環(huán)境設(shè)計、支撐包開發(fā)等功能。自動測試及故障定位代碼使用Ruby語言編寫。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)方案

2.1 自動測試系統(tǒng)

本課題研究的射頻指標(biāo)自動測試及故障診斷系統(tǒng)ATS部分完成ZigBee、Sub-GHz兩個射頻協(xié)議38個測試項的自動測試，本節(jié)以ZigBee頻譜模板測試為例詳細介紹ATS實現(xiàn)過程。

圖2 系統(tǒng)硬件拓撲圖

2.1.1 支撐庫文件

自動測試系統(tǒng)需要兼容不同廠商的多型測試儀器，以及多種被測設(shè)備。通用性是自動測試代碼編寫過程中重要的考量因素。將針對不同儀器的計算機指令，以及不同用例中的公用代碼段進行封裝形成固定的支撐庫，將大大降低代碼的維護更新成本。本自動測試系統(tǒng)開發(fā)過程主要使用到的支撐庫文件如表2所示。

表2 支撐庫文件

圖4 ZigBee頻譜模板測試流程圖

2.1.2 測試套文件

測試套文件是在各個用例執(zhí)行前運行的一段代碼，完成具體測試用例執(zhí)行之前的準(zhǔn)備工作以及全部用例執(zhí)行完成后的首位工作。ZigBee測試套實現(xiàn)流程如圖3所示，系統(tǒng)運行開始，首先加支撐庫文件，讀取用戶入?yún)⒈砀裰械呐渲脭?shù)據(jù)，分析數(shù)據(jù)格式是否正確，并根據(jù)讀取的數(shù)據(jù)選擇測試頻段，創(chuàng)建相應(yīng)的空白測試報告，之后開始執(zhí)行用戶選擇的測試用例。測試用例全部執(zhí)行完成后釋放測試儀器及被測設(shè)備對象，發(fā)送郵件后結(jié)束自動測試。

2.1.3 測試用例文件

測試用例是自動測試的核心部分，針對每個測試項進行具體開發(fā)，完成對設(shè)備和儀器的配置、測試過程的設(shè)計以及數(shù)據(jù)讀寫。圖4為ZigBee指標(biāo)頻譜模板自動測試實現(xiàn)流程圖，測試用例開始執(zhí)行，根據(jù)入?yún)⒈砀裰械倪B接方式調(diào)用匹配的支撐庫文件連接被測設(shè)備及頻譜儀；配置被測設(shè)備使其工作在ZigBee狀態(tài)；PC向FSQ發(fā)送中心頻率、觸發(fā)模式、積分帶寬等配置參數(shù)；被測設(shè)備開啟信號發(fā)送，穩(wěn)定后讀取頻譜儀OBW、Temp1、Temp2的值；判斷OBW是否符合預(yù)期，若不符合則重新讀取該值；保存此時頻譜儀顯示波形，測試數(shù)據(jù)填入測試報告；遍歷入?yún)⒈砀裰杏脩暨x擇的頻段及發(fā)射功率；按照頻譜模板類要求配置頻譜儀參數(shù)，繪制模板；被測設(shè)備在此發(fā)送制定頻點的信號，分頻段讀取信號功率最大值；將此功率值分別回填測試報告，保存此時波形圖像；遍歷用戶選擇的測試頻段及發(fā)射功率，結(jié)束發(fā)射機CE頻譜模板自動測試。

2.2 智能故障診斷系統(tǒng)

本課題研究的故障診斷系統(tǒng)針對射頻指標(biāo)指標(biāo)自動測試開發(fā)，實現(xiàn)測試問題的智能定位。

2.2.1 知識庫建立與維護

知識庫是故障診斷知識的集合，豐富反應(yīng)故障本質(zhì)的領(lǐng)域?qū)＜业慕?jīng)驗，經(jīng)知識處理模塊的處理存儲于知識庫中。專家系統(tǒng)知識庫由測試專家進行制定和維護，在診斷系統(tǒng)執(zhí)行過程中不可修改。近似推理隱式知識庫是在診斷系統(tǒng)執(zhí)行過程中由系統(tǒng)自行操作的知識庫文件，無需人為干預(yù)。本系統(tǒng)利用MySQL數(shù)據(jù)庫對知識進行管理，可以方便地進行知識的獲取和維護，并且能夠較為容易地與系統(tǒng)連接實現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速傳輸和整理。測試問題診斷表(表3)和故障定位知識集合(表4)為專家系統(tǒng)知識庫兩個重要的組成部分。近似算法中用到的隱式知識庫結(jié)構(gòu)域?qū)＜蚁到y(tǒng)知識庫類似，只是在維護更新時由診斷系統(tǒng)自動完成。

2.2.2 推理機設(shè)計

推理機制是故障診斷系統(tǒng)重要的組成部分，系統(tǒng)診斷速度和準(zhǔn)確度與推理機制的設(shè)計直接相關(guān)。如圖5所示，本系統(tǒng)推理機在接收到自動測試系統(tǒng)或者手動輸入的測試數(shù)據(jù)后，對數(shù)據(jù)進行分析處理，提取測試中出現(xiàn)的問題，生成固定的測試問題編號。與專家系統(tǒng)知識庫中的問題編號進行匹配，如果匹配成功，按照對應(yīng)的故障編號輸出故障定位信息以及相應(yīng)的處理建議。如果匹配不成功，則將問題編號與近似算法隱式知識庫進行匹配，隱式知識庫中的知識是在近似算法執(zhí)行過程中自動生成的，格式與專家系統(tǒng)知識庫相同。如果匹配成功則輸出相應(yīng)的診斷結(jié)果及處理建議，如果匹配不成功則啟動近似算法進行推理，近似算法中使用模糊處理，對故障編號進行分析，通過添加或者刪減故障找到與專家系統(tǒng)知識庫中最為近似的故障類型，并將其診斷結(jié)果作為輸出，完成診斷后，將此診斷結(jié)果作為新的知識寫入近似推理隱式知識庫，待測試專家確認(rèn)后更新專家系統(tǒng)知識庫。故障診斷執(zhí)行結(jié)束。

表3 測試問題診斷表

注：問題編號“#”前面的兩位數(shù)值表示射頻指標(biāo)的類型，01表示ZigBee，02表示Sub-G，“#”后面的十八位數(shù)值每一位對應(yīng)一個測試項，0表示測試通過，1表示測試失敗。

注：該表的故障編號與測試問題診斷表中故障編號嚴(yán)格對應(yīng)

圖5 故障診斷流程圖

2.2.3 解釋機制設(shè)計

基于規(guī)則的專家系統(tǒng)中建立解釋機制是比較簡單的，只需將相關(guān)規(guī)則找出并將其轉(zhuǎn)化為自然語言的形式呈現(xiàn)在用戶面前即可。本課題研究的故障診斷系統(tǒng)采用預(yù)制文本與策略解釋法相結(jié)合的解釋機制，在專家系統(tǒng)運行中采用預(yù)制文本的方式將解釋信息以及測試專家信息與故障診斷編號對應(yīng)寫入知識庫，在診斷完成時同時輸出解釋內(nèi)容。診斷系統(tǒng)使用近似算法推理時的解釋機制采用策略解釋法，在診斷執(zhí)行完成后輸出近似推理的過程即增加或忽略測試問題項的過程以及在專家系統(tǒng)知識庫中尋找到的最近似故障信息。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)結(jié)果

3.1 ATS執(zhí)行結(jié)果

自動測試系統(tǒng)執(zhí)行完成后會針對每個測試頻段生成詳細的測試報告，該報告中包括每個測試用例的測試結(jié)果以及必要的過程數(shù)據(jù)，測試報告以圖片的形式保存每項測試執(zhí)行過程的信號波形。圖6為自動測試結(jié)束后測試報告的數(shù)值部分，圖7為3 kHz頻譜密度測試結(jié)束后的波形圖片，圖8為發(fā)射機CE頻譜模板測試結(jié)束后的波形圖片。

圖7 3 kHz頻譜密度測試波形圖

圖8 發(fā)射機CE頻譜模板測試波形圖

3.2 FDS執(zhí)行結(jié)果

故障診斷系統(tǒng)針對射頻指標(biāo)自動測試中發(fā)射機CE傳導(dǎo)雜散與發(fā)射機FCC傳導(dǎo)雜散測試失敗進行故障定位，測試問題編號為01#000000000000010001，與專家系統(tǒng)知識庫進行匹配，診斷結(jié)束輸出兩個可能的故障原因：1，電源不穩(wěn)定或者有壓降，造成發(fā)射性能下降；2，直流信號流入PA及開關(guān)，導(dǎo)致其線性度下降。對應(yīng)的處理建議為：1，檢查電源部分走線及相關(guān)器件，注意電源走線穿層要多打孔；2，信號通路上加入隔直電容，阻止直流信號流入。同時簡要輸出該診斷結(jié)果的診斷方式為專家系統(tǒng)，以及該知識的建立專家姓名及工號完成診斷工作。

圖9 故障診斷系統(tǒng)執(zhí)行結(jié)果

4 結(jié)論

本課題研究的射頻指標(biāo)自動測試及故障診斷系統(tǒng)針對通信設(shè)備研發(fā)測試階段射頻指標(biāo)測試進行開發(fā)，ATS部分運用基于虛擬儀器技術(shù)的第三代自動測試研發(fā)體系進行開發(fā)，實現(xiàn)了對ZigBee、Sub-GHz等射頻信號接口指標(biāo)的快速測試，較大程度提高了測試效率；FDS部分主要采用傳統(tǒng)專家系統(tǒng)加模糊算法相結(jié)合的方法實現(xiàn)故障推理，實現(xiàn)了對自動測試問題的智能定位。結(jié)果表明自動測試與故障診斷的聯(lián)合研究在通信設(shè)備研發(fā)測試效率提升方面有較大的應(yīng)用價值。

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Research on System of Automatic Test and Fault Diagnosis for RF Index

Zhang Yuan，Zhao Zhao

(School of Electronic and Optical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)

The joint research of automatic test and fault diagnosis has been widely used in the field of electronic equipment. For the problem of low test efficiency of the radio frequency index of communication equipment in development phase and difficult of the test fault location, this paper developed the automatic test system based on virtual instrument and intelligent fault diagnosis system which can be applied to the automatic test of radio frequency index. The knowledge base and reasoning mechanism of expert system are used in the fault diagnosis system. The interpretation mechanism adopts the method of prefabricated text. The actual results show that the system can effectively and accurately complete the automatic test of RF index, and the emerging faults in the testing process has been accurately positioned.

radio frequency index; automatic test; fault diagnosis; expert system

2016-06-27；

2016-07-15。

張 遠(1991-)，男，山西晉中人，碩士研究生，主要從事自動測試系統(tǒng)方向的研究。

1671-4598(2016)12-0032-05

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.12.010

TP274

A