牛雙誠,文天柱,許愛強

(海軍航空大學 戰(zhàn)勤學院,山東 煙臺 264001)

0 引言

在自動測試系統(tǒng)(ATS, automatic test system)中，計算機、測試儀器、測試總線、開關系統(tǒng)等硬件平臺是系統(tǒng)的基礎，軟件平臺則是系統(tǒng)的靈魂。與面向儀器的軟件平臺相比，面向信號軟件平臺的優(yōu)勢在于只需了解被測對象(UUT, unit under test)的信號需求，測試過程僅描述對信號的能力需求和控制，而無需指定使用哪臺特定儀器進行激勵、測量或監(jiān)控，無需指定信號所經(jīng)過的開關路徑，因而能夠最大程度上支持測試儀器的可互換和測試程序集(TPS, test program set)的可移植。

面向信號軟件標準從最初的ATLAS語言標準發(fā)展到現(xiàn)在的ATML標準族[1-2]，其內容和體系結構不斷豐富和發(fā)展完善，涵蓋了測試、診斷和維修的各個方面。目前ATML標準族包括信號和測試定義標準(IEEE 1641 STD)、通過XML文件交換自動測試設備和測試信息的自動測試標記語言標準(IEEE 1671 ATML)、用于維修信息收集和分析的軟件接口標準(IEEE 1636 SIMICA)和適用于所有測試環(huán)境的人工智能交換和服務標準(IEEE 1232 AI-ESTATE)[3-6]。

由于ATML標準族采用了擴展標記語言(XML,extensible markup language)作為標準化電子文檔和信息交換的格式，更適合于信息交換和網(wǎng)絡傳輸，進一步提升了自動測試設備(ATE,automatic test equipment)之間的信息交互能力，因而具有強大的應用前景。

目前國內外在面向信號技術領域進行了大量研究，取得了豐碩的成果[7-13]。也有一些單位設計開發(fā)了支持ATML標準的面向信號軟件，如Astronics Test Systems公司的信號編輯工具SigBase[14]，Reston Software公司的測試描述開發(fā)工具ATML Pad[15]等，但這些軟件大多只涉及面向信號軟件平臺中的某些功能模塊，未能涵蓋整個ATML標準族。

本文對ATML標準族進行了深入研究，針對工程實際對標準內容進行了適當擴展以增強其功能和擴展能力，并自主開發(fā)了具有完整功能的CATS(common automatic test system)面向信號軟件平臺。該軟件平臺在實際自動測試系統(tǒng)中進行了工程應用，有效證明了軟件的有效性、正確性和可靠性。

1 ATML標準族研究

ATML標準族以ATML語言標準為主包括4大標準：

1)IEEE Std1641 信號和測試定義標準(STD)，采用數(shù)學語言嚴格定義了信號類型以及測試過程語言[3]，為面向信號測試技術提供了技術支撐；

2)IEEE Std1671 通過XML文件交換自動測試設備和測試信息的自動測試標記語言(ATML)，則通過XML語言定義了自動測試系統(tǒng)的各個要素，包括：測試需求(IEEE 1671.1)、儀器和開關能力描述(IEEE 1671.2)、UUT描述(IEEE 1671.3)、測試配置信息(IEEE 1671.4)、測試適配器/電纜描述(IEEE 1671.5)、測試站描述(IEEE 1671.6)[4]，每個要素都有XML Schema進行嚴格定義；

3)IEEE Std1636用于維修信息收集和分析的軟件接口(SIMICA)，定義了測試結果(IEEE 1636.1)、維修信息(IEEE 1636.2)等要素[5]；

4)IEEE Std1232 適用于所有測試環(huán)境的人工智能交換和服務(AI-ESTATE),定義了故障診斷軟件接口以及故障樹、貝葉斯網(wǎng)絡、D矩陣、診斷邏輯等故障診斷模型[6]。

圖1描述了ATML標準族與自動測試系統(tǒng)各部分之間的對應關系。從圖中可見ATML標準族有效覆蓋了自動測試系統(tǒng)的各個要素。

圖1 ATML標準族與ATS各部分間的關系

然而ATML標準族也存在一些工程應用上的缺陷，如：

1)擴展信號類型的能力不強；

2)IEEE 1671.2測試描述缺少對數(shù)值計算、信號處理的描述方法；

3)缺少對面向信號儀器驅動程序的定義和規(guī)范。

2 CATS面向信號軟件平臺架構

本節(jié)描述了CATS面向信號軟件平臺的功能組成和工作原理。

2.1 功能組成

CATS面向信號軟件平臺按照功能被劃分為TPS開發(fā)平臺、ATS管理平臺和TPS運行平臺3個子系統(tǒng)，組成框圖如圖2所示。

圖2 CATS軟件系統(tǒng)組成框圖

1)TPS開發(fā)平臺：提供TPS相關內容的新建、編輯、保存等管理功能，包括UUT描述、測試描述、測試適配器/電纜描述、診斷模型、測試配置描述等項目。TPS開發(fā)平臺提供TPS測試程序生成、TPS移植管理功能，支持TPS在不同系統(tǒng)平臺間的快速移植。

2)ATS管理平臺：提供測試設備的管理功能，包括信號類型的查看與擴展、測試站管理、測試儀器和開關矩陣管理、儀器驅動程序管理、儀器描述建模與驅動開發(fā)、開關描述建模與驅動開發(fā)和用戶管理功能。

3)TPS運行平臺：支持運行符合ATML標準的測試程序，提供TPS的運行管理和運行時服務功能，包括運行環(huán)境管理、TPS安裝和卸載、運行時資源管理、測試程序斷點調試、測試結果管理、故障診斷、歷史日志查看等功能。

2.2 工作原理

CATS軟件系統(tǒng)的工作原理如圖3所示。

圖3 CATS軟件系統(tǒng)原理框圖

首先，用戶使用TPS開發(fā)平臺和ATS管理平臺提供的建模工具，建立測試和診斷過程中需要的各種信息描述模型，并產生相應的XML文件，供TPS運行平臺調用；

然后，測試程序生成工具將與TPS相關的描述文件轉換為更易于執(zhí)行的二進制工程文件，同時驅動程序開發(fā)工具根據(jù)測試儀器/開關描述模型創(chuàng)建面向信號的驅動程序框架(標準C語言)，通過對廠家驅動程序的二次封裝，得到面向信號儀器驅動程序，供運行時資源管理器調度和管理；

在測試程序運行時，運行環(huán)境管理器調用ATML運行環(huán)境引擎，加載和啟動二進制測試程序，通過面向信號儀器驅動程序驅動測試儀器和開關矩陣進行測試[16-17]，并將測試結果數(shù)據(jù)輸入到診斷推理機，根據(jù)預先建立的故障診斷模型實現(xiàn)UUT的故障診斷。

3 CATS方案設計

3.1 TPS開發(fā)平臺

為便于對測試程序的管理，CATS軟件平臺定義了“測試工程”。一個測試工程對應一個UUT，其內容包括：

1)UUT描述，在IEEE 1671.3-2007標準框架下，實現(xiàn)UUT相關信息的描述，包括UUT的識別信息、接口定義、圖片信息等；

2)測試描述，在IEEE 1671.1-2009標準框架下，實現(xiàn)測試需求和過程的描述，包括全局信號、狀態(tài)變量、測試項目和測試流程等，其中測試項目又包含測試參數(shù)、局部信號、測試行為、測試結果和輸出等內容，測試流程又可分為串行流程、序貫流程、并行流程和診斷驅動的測試流程等；

3)測試適配器/電纜描述，在IEEE 1671.5-2015標準框架下，實現(xiàn)測試適配器/電纜模型的描述，包括基本信息、接口定義和連線信息等；

4)診斷模型描述，在IEEE 1232-2012標準框架下，實現(xiàn)診斷模型(具體為D-矩陣模型)的描述，包括基本信息、故障模式信息、故障-測試關聯(lián)關系、測試-測試關聯(lián)關系等；

5)測試配置信息，在IEEE 1671.4-2016標準框架下，定義UUT描述、測試描述、適配器/電纜描述等信息的關聯(lián)關系。

TPS開發(fā)平臺包括測試工程管理工具、UUT描述工具、測試描述工具、測試適配器/電纜描述工具、診斷模型描述工具和測試配置生成器等功能模塊，用于新建、編輯、修改、保存測試工程。TPS開發(fā)平臺對完成的測試工程首先進行標準符合性檢查，然后進行信息一致性檢查，檢查無誤的文件被保存為二進制工程文件“*.tps”。

TPS開發(fā)平臺通過對工程文件的導入和導出實現(xiàn)TPS可移植，提供如下TPS移植管理功能：

1)校驗ATML文檔格式，導入、導出符合標準的ATML描述文檔；

2)對ATML描述文檔實施信息一致性檢驗，確定當前測試系統(tǒng)的陣列接口定義是否與原有系統(tǒng)相同，如果不同則提示用戶重新編輯；

3)檢查被移植TPS工程文件的工作目錄是否正確，若不正確則自動更正；

4)檢查測試配置信息，確定當前測試系統(tǒng)的軟硬件資源是否能夠滿足UUT測試需求，若不滿足則給出測試配置修改建議。

TPS開發(fā)平臺針對IEEE 1671.2測試描述缺少對數(shù)值計算、信號處理描述方法的問題，增加了調用外部DLL、COM組件以及執(zhí)行簡單計算函數(shù)的測試動作類型，如圖4所示。

圖4 外部調用DLL測試動作類型擴展

3.2 ATS管理平臺

為便于對測試設備的管理，CATS軟件平臺定義了ATS工程。一個ATS工程對應一臺/套自動測試系統(tǒng)，其內容包括：

1)信號類型定義，在IEEE 1641-2010標準框架下，描述標準信號、系統(tǒng)擴展信號、用戶自定義擴展信號；

2)測試站描述，在IEEE 1671.6-2015標準框架下，對測試站的基本信息、包含的儀器資源、陣列接口定義以及其內部連線進行描述和建模；

3)儀器/開關描述，在IEEE 1671.2-2012標準框架下，實現(xiàn)測試儀器/開關接口定義、測量資源、信號能力和資源映射等內容的描述；

4)儀器驅動程序，根據(jù)儀器/開關描述定義的信號能力，為測試儀器/開關提供對應的信號控制接口和信號屬性接口，實現(xiàn)對原有廠商儀器驅動程序的二次封裝。

ATS管理平臺主要由信號查詢與擴展工具、測試站描述工具、測試儀器/開關描述工具、驅動程序開發(fā)工具等模塊組成，提供上述ATS工程文件的新建、編輯、修改和保存，完成的ATS工程被保存為便于運行的二進制工程文件。ATS管理平臺還提供用戶管理工具，對CATS軟件系統(tǒng)用戶進行分類管理，不同類別的用戶具有不同的訪問和使用權限。

針對IEEE 1641擴展信號能力不強的問題，提供了動態(tài)擴展信號的能力[18]。

3.3 TPS運行平臺

TPS運行平臺為用戶提供一個完備的TPS管理和運行環(huán)境，為以ATML語言開發(fā)的測試程序提供運行支持，包括TPS(含診斷模型)的管理、運行環(huán)境引擎的管理、測試結果的管理，以及TPS的運行控制。

TPS運行平臺包括運行環(huán)境管理器、ATML運行引擎、運行時資源管理器和故障診斷推理機四個主要功能模塊，其結構和功能組成如圖5所示。TPS運行平臺采用了開放式體系架構，可以插入不同的測試程序運行引擎。

圖5 TPS運行平臺功能組成圖

1)運行環(huán)境管理器是TPS運行平臺的控制核心，向上接受用戶輸入，向下對運行引擎進行調用和控制，提供運行環(huán)境引擎管理和測試/診斷結果管理等功能；

2)ATML運行引擎用于運行以ATML語言開發(fā)的測試程序，執(zhí)行滿足IEEE 1671.1-2009標準的測試流程，接受運行環(huán)境管理器的調用，提供TPS安裝和卸載、TPS運行控制、測試結果保存、運行時資源管理和運行歷程記錄等功能；

3)運行時資源管理器用于動態(tài)分配測試過程中的信號資源和開關路徑，負責測試系統(tǒng)內部所有信號資源、信號路由的管理，向下調用面向信號的儀器驅動程序，向上為測試程序提供面向信號的儀器控制接口，最終實現(xiàn)測試程序對物理儀器的控制。

4)故障診斷推理機，按照IEEE 1232-2012標準要求的編程接口，提供故障診斷推理服務。接受運行環(huán)境管理器或運行環(huán)境引擎的調用，根據(jù)UUT的診斷模型和測試結果，給出診斷結論和維修建議。

TPS運行平臺支持串行和并行測試流程，在執(zhí)行并行測試流程時，測試流程調度模塊的主線程根據(jù)測試資源的豐裕程度啟動一個或多個工作線程，完成測試任務。

TPS運行平臺提供圖形化的測試流程自動控制能力和測試程序調試能力。在運行時，用戶可以實時觀察測試過程中的測試執(zhí)行流程，通過系統(tǒng)運行日志實時查看信號資源、信號路徑的分配情況。在調試時，用戶能夠設置、清除、查看斷點，查看和修改內存變量，查看和修改信號資源、信號路徑的分配情況。

測試結果被保存為符合IEEE 1636.1-2007標準的文件。用戶可以檢索、查看、打印測試結果，并采用TPS工程中的故障診斷模型實現(xiàn)對被測設備的故障診斷。TPS運行平臺支持基于故障樹模型和D-矩陣模型的故障推理。

4 CATS的面向信號儀器驅動程序

在CATS軟件系統(tǒng)中，每個測試資源(測試儀器或開關)對應一個儀器能力描述文件和一個面向信號的儀器驅動程序。儀器能力描述文件，用于描述測試儀器所擁有的信號能力、資源、端口、連接器及相互間的映射關系。面向信號的儀器驅動程序為TPS運行平臺的資源管理器中間件提供符合標準接口的測試儀器控制函數(shù)。

CATS軟件系統(tǒng)將信號角色類型共分為6種：信號源(Source)、傳感器(Sensor)、事件(Event)、通用開關(Switch)和矩陣開關(Matrix)。每種角色類型定義了標準的驅動程序編程接口，如表1所示。

表1 面向信號儀器驅動程序編程接口

根據(jù)測試儀器描述文件，由ATS管理平臺工具生成符合上述接口標準的測試儀器驅動程序框架?？蚣苤邪藴y試資源初始化、關閉、復位、自檢函數(shù)接口，其它函數(shù)接口與儀器能力中所對應資源的函數(shù)接口相對應。

面向信號的儀器驅動程序是對原有面向儀器驅動程序的一個二次封裝，可以是廠商的符合VPP規(guī)范[19]的儀器驅動程序，也可以是符合IVI規(guī)范[20]的儀器驅動程序。將廠商提供的驅動函數(shù)添加到驅動程序工程中，通過編譯調試就形成了面向信號的儀器驅動程序。

面向信號儀器驅動的開發(fā)流程是，首先采用儀器/開關描述工具建立儀器描述模型，得到儀器描述文件，同時產生儀器驅動程序框架，再將儀器底層的控制指令程序添加到儀器驅動程序框架中對應的接口函數(shù)內，編譯產生動態(tài)鏈接庫，即面向信號的儀器驅動程序，供運行引擎調用。

5 結束語

CATS軟件系統(tǒng)是依據(jù)IEEE 1641、IEEE 1671、IEEE 1636和IEEE 1232等最新國際標準設計和開發(fā)的面向信號自動測試軟件平臺。它采用ATML語言建模和面向信號的測試描述設計，不依賴于某一特定的被測設備，與硬件平臺無關，是一個通用的自動測試軟件系統(tǒng)。

CATS軟件系統(tǒng)采用開放式體系結構，按照通用化、系列化、標準化、組合化原則設計，能夠有效滿足航空電子設備的內場測試和診斷需求。具有良好的信號擴展能力，用戶能夠方便地增加自定義信號類型，并根據(jù)軟件接口規(guī)范，自行開發(fā)面向信號的儀器驅動程序，擴展系統(tǒng)的測試能力。

圖6 儀器驅動開發(fā)界面

CATS軟件系統(tǒng)采用Microsoft Visual Studio C#實現(xiàn)。為兼容廠家的儀器驅動程序，面向信號儀器驅動程序則采用了NI Labwindows/CVI實現(xiàn)。

CATS軟件系統(tǒng)在某型自動測試系統(tǒng)上得到了工程應用，應用結果表明CATS軟件平臺符合ATML標準族，證明了軟件的有效性、正確性和可靠性。