王文智

（1.西北工業(yè)大學(xué)航海學(xué)院，陜西西安，710072；2.航空工業(yè)西安航空計(jì)算技術(shù)研究所，陜西西安，710068）

0 引言

隨著數(shù)字技術(shù)在飛機(jī)上的大量應(yīng)用，機(jī)載電子設(shè)備功能日益復(fù)雜，其測試工作量和測試難度也在不斷增加，導(dǎo)致設(shè)備供應(yīng)商的進(jìn)度和成本控制壓力越來越大[1]。

如何應(yīng)對測試帶來的挑戰(zhàn)？國外機(jī)載電子設(shè)備供應(yīng)商的主要解決方案是實(shí)現(xiàn)測試活動(dòng)的自動(dòng)化，盡量降低人工的參與程度；同時(shí)開發(fā)通用性的測試系統(tǒng)，盡量實(shí)現(xiàn)多個(gè)測試場景的覆蓋，降低測試系統(tǒng)的開發(fā)和維護(hù)成本。此解決方案的核心是研制面向機(jī)載電子設(shè)備的自動(dòng)化測試系統(tǒng)[2]，既能滿足測試活動(dòng)的自動(dòng)化要求，又能滿足多個(gè)測試場景的通用化要求。

國外領(lǐng)先的機(jī)載電子設(shè)備供應(yīng)商都研制了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的自動(dòng)化測試系統(tǒng)，能夠快速、靈活、低成本地適用于各種型號的設(shè)備測試。國內(nèi)的機(jī)載電子設(shè)備供應(yīng)商以采購貨架商品為主，尚未形成具有自主知識產(chǎn)權(quán)的測試系統(tǒng)，需要加強(qiáng)這方面的研究和工程開發(fā)，盡快填補(bǔ)空白。

基于機(jī)載電子設(shè)備的測試要求[3]，按照系統(tǒng)工程方法[4]，梳理自動(dòng)化測試系統(tǒng)的測試場景，分析系統(tǒng)需求，設(shè)計(jì)自動(dòng)化測試系統(tǒng)的硬件架構(gòu)和軟件架構(gòu)，并對自動(dòng)化測試軟件框架進(jìn)行專項(xiàng)設(shè)計(jì)，然后開發(fā)系統(tǒng)實(shí)物并在測試場景下進(jìn)行驗(yàn)證。

1 測試場景

根據(jù)機(jī)載電子設(shè)備的特點(diǎn)，自動(dòng)化測試系統(tǒng)應(yīng)滿足多個(gè)場景下的測試需求，如表1所示。在每個(gè)測試場景下，自動(dòng)化測試系統(tǒng)都應(yīng)支持測試的自動(dòng)化運(yùn)行和結(jié)果記錄，以節(jié)省人力成本。

表1 自動(dòng)化測試系統(tǒng)的測試場景

測試人員使用自動(dòng)化測試系統(tǒng)，基于各場景下的測試依據(jù)，開發(fā)測試用例和測試程序[5]；通過測試程序的自動(dòng)化運(yùn)行對被測設(shè)備進(jìn)行測試，分析結(jié)果，確定被測設(shè)備的行為是否達(dá)到測試目的。

2 系統(tǒng)需求分析

分析設(shè)備級功能與性能測試等四個(gè)測試場景對自動(dòng)化測試的要求，并進(jìn)行整合和歸納，得到自動(dòng)化測試系統(tǒng)的系統(tǒng)需求。

2.1 被測設(shè)備的接口適配

自動(dòng)化測試系統(tǒng)應(yīng)為被測設(shè)備提供所有外部接口，包括機(jī)械、電源、冷卻和專用電子信號接口等，以保證被測設(shè)備的外部接口與機(jī)載環(huán)境一致。

2.2 外部激勵(lì)

自動(dòng)化測試系統(tǒng)應(yīng)提供被測設(shè)備運(yùn)行所需的所有外部數(shù)據(jù)激勵(lì)，包括通信協(xié)議和ICD等。外部數(shù)據(jù)激勵(lì)可采用仿真模型或仿真程序等形式實(shí)現(xiàn)。

2.3 數(shù)據(jù)采集和存儲

自動(dòng)化測試系統(tǒng)應(yīng)能采集被測設(shè)備輸出的所有數(shù)據(jù)，包括各種接口輸出的不同頻率的數(shù)據(jù)，并按照一定格式進(jìn)行存儲，用于結(jié)果分析。

2.4 測試管理

自動(dòng)化測試系統(tǒng)應(yīng)能提供測試主界面，用于測試人員進(jìn)行測試程序的配置、開發(fā)、執(zhí)行或查看等操作。

自動(dòng)化測試系統(tǒng)應(yīng)支持測試的自動(dòng)化運(yùn)行。系統(tǒng)應(yīng)提供測試腳本和各種支持函數(shù)庫。

2.5 系統(tǒng)管理

自動(dòng)化測試系統(tǒng)應(yīng)提供用戶的權(quán)限管理，為測試運(yùn)行人員和系統(tǒng)管理人員配置不同的權(quán)限。

自動(dòng)化測試系統(tǒng)應(yīng)能夠進(jìn)行開機(jī)自檢，對各板塊、電源、和線路的健康狀態(tài)進(jìn)行測試，保證自身的可用性。

2.6 其他需求

自動(dòng)化測試系統(tǒng)應(yīng)能夠連續(xù)運(yùn)行至少72小時(shí)無故障,以滿足測試過程的時(shí)長要求。

自動(dòng)化測試系統(tǒng)應(yīng)具有可移動(dòng)性，在不同的測試地點(diǎn)間可以由2個(gè)或更少人進(jìn)行移動(dòng)。

3 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

基于系統(tǒng)需求，分別設(shè)計(jì)系統(tǒng)的硬件架構(gòu)和軟件架構(gòu)，同時(shí)針對自動(dòng)化測試的特點(diǎn)，專門設(shè)計(jì)自動(dòng)化測試軟件框架。

3.1 硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)

為了滿足自動(dòng)化測試系統(tǒng)在多個(gè)使用場景下的可移動(dòng)要求，系統(tǒng)的硬件采用整體可移動(dòng)式設(shè)計(jì)，各組成設(shè)備及線纜采用結(jié)構(gòu)固定的方式安裝在機(jī)柜內(nèi)部，如圖1所示。

圖1 自動(dòng)化測試系統(tǒng)的硬件架構(gòu)

可移動(dòng)機(jī)柜：具有機(jī)柜腳輪和前后可拆卸式柜門；內(nèi)部設(shè)置多層設(shè)備架，可以固定設(shè)備和線纜；采用機(jī)柜后面走線，前面操作的方式實(shí)現(xiàn)測試人員無障礙操作。

接口轉(zhuǎn)接盒：通過航空連接器和線纜與被測設(shè)備進(jìn)行連接，并將被測設(shè)備所有的航空專用接口轉(zhuǎn)為工業(yè)控制計(jì)算機(jī)及其他設(shè)備可識別的接口，用于設(shè)備間的互聯(lián)。

專用電源：為自動(dòng)化測試系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)備提供相應(yīng)的電源輸入和控制。

實(shí)時(shí)端主機(jī)：配置多種專用接口卡，通過接口轉(zhuǎn)接盒與被測設(shè)備進(jìn)行連接，仿真被測設(shè)備的外部環(huán)境。

控制端主機(jī)：對系統(tǒng)進(jìn)行配置，運(yùn)行自動(dòng)化測試程序，實(shí)現(xiàn)測試激勵(lì)，捕獲測試輸出，進(jìn)行結(jié)果比對和分析等測試功能。

顯示控制終端：采用機(jī)架式顯示器、鍵盤和鼠標(biāo)套件，用于人機(jī)交互。

自動(dòng)化測試系統(tǒng)的控制端主機(jī)和實(shí)時(shí)端主機(jī)通過高速以太網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)大量測試數(shù)據(jù)的高速交換。顯示控制終端通過視頻線或者USB接口與控制端或?qū)崟r(shí)端主機(jī)連接，通過切換，分別實(shí)現(xiàn)對兩個(gè)主機(jī)的顯示和輸入控制。

3.2 軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)

為了適應(yīng)被測設(shè)備的實(shí)時(shí)性要求以及測試軟件的運(yùn)行和處理要求，自動(dòng)化測試系統(tǒng)的軟件采用分布式設(shè)計(jì)，如圖2所示。

圖2 自動(dòng)化測試系統(tǒng)的軟件架構(gòu)

實(shí)時(shí)端軟件駐留于實(shí)時(shí)端主機(jī)，基于實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)被測設(shè)備的外部環(huán)境，并與被測設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)通信。

實(shí)時(shí)端管理軟件：對實(shí)時(shí)端系統(tǒng)和應(yīng)用軟件進(jìn)行配置，包括配置文件的更新、日志記錄、網(wǎng)絡(luò)設(shè)置和自檢維護(hù)等。

數(shù)據(jù)采集與發(fā)送軟件：按照被測設(shè)備所需的數(shù)據(jù)頻率、通信協(xié)議和ICD[7]格式，與被測設(shè)備通信。通過控制網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，接受控制端軟件的遠(yuǎn)程控制，對發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)行賦值，并向控制端軟件返回所需的數(shù)據(jù)。

仿真模型[8]：用于模擬被測設(shè)備的交聯(lián)設(shè)備，通過控制網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)接受控制端軟件的調(diào)度和設(shè)置。

控制端軟件駐留于控制端主機(jī)，采用非實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，完成測試設(shè)置、測試程序開發(fā)和運(yùn)行、結(jié)果分析等測試功能。

操作視圖管理軟件：為控制端主界面，用于ICD管理、控制端管理和自動(dòng)化測試軟件等控制端軟件之間的視圖切換。

ICD管理軟件：對被測設(shè)備的ICD進(jìn)行統(tǒng)一管理，并按照測試需要生成各軟件運(yùn)行所需的ICD配置文件，用于各軟件之間的數(shù)據(jù)通信。

控制端管理軟件：對控制端系統(tǒng)和應(yīng)用軟件進(jìn)行配置和操作，包括配置文件更新、日志記錄、網(wǎng)絡(luò)設(shè)置和自檢維護(hù)等。

數(shù)據(jù)監(jiān)控與存儲軟件：可以對被測設(shè)備的通信數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并按照特定條件進(jìn)行存儲，用于結(jié)果分析。

自動(dòng)化測試軟件：在無人參與的情況下可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)測試過程的程序化運(yùn)行及測試結(jié)果的程序化判斷，為系統(tǒng)的核心軟件。

3.3 自動(dòng)化測試軟件框架

經(jīng)過權(quán)衡分析后，自動(dòng)化測試軟件框架采用層次化設(shè)計(jì)方案，如圖3所示。各層功能如下：

圖3 自動(dòng)化測試軟件框架

控制層：為測試用戶提供兩種界面，一種為開發(fā)界面，另一種為運(yùn)行控制界面。測試用戶可以通過開發(fā)界面進(jìn)行測試程序的開發(fā)，或者通過運(yùn)行控制界面選擇待運(yùn)行的測試程序，并觀察測試過程和結(jié)果。

程序?qū)樱菏褂媒忉屝哉Z言編寫的測試程序，可以通過調(diào)用接口層提供的各種API，設(shè)置測試條件、啟動(dòng)外圍仿真、為被測設(shè)備的ICD進(jìn)行賦值，并獲取被測設(shè)備反饋的ICD信息，與預(yù)期結(jié)果進(jìn)行比較，得到測試結(jié)果。測試程序可以調(diào)用數(shù)據(jù)監(jiān)控與存儲API，控制數(shù)據(jù)監(jiān)控與存儲軟件實(shí)現(xiàn)特定數(shù)據(jù)的監(jiān)控和存儲。

接口層：提供各種系統(tǒng)配置、控制和通信等API，支持程序?qū)泳帉憸y試程序。

網(wǎng)絡(luò)層：提供管理網(wǎng)絡(luò)、控制網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的接入，實(shí)現(xiàn)與其他軟件的通信。

4 系統(tǒng)開發(fā)和驗(yàn)證

4.1 系統(tǒng)開發(fā)

在某電子設(shè)備的測試系統(tǒng)研發(fā)過程中，采用了前文的硬件和軟件設(shè)計(jì)方案。硬件采用KVM設(shè)備[9]、多網(wǎng)口服務(wù)器、工控機(jī)（含多種接口卡）及定制減震機(jī)柜等設(shè)備實(shí)現(xiàn)。

在軟件的實(shí)現(xiàn)上，操作系統(tǒng)采用Cent OS及 Windows7；應(yīng)用軟件采用LabWindows/CVI和Eclipse平臺開發(fā)環(huán)境；自動(dòng)化測試腳本[10]采用Python語言；管理網(wǎng)絡(luò)采用跨語言的Thrift框架[11]；控制網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)采用DDS[12]技術(shù)，其中控制網(wǎng)絡(luò)設(shè)置更高的傳輸優(yōu)先級。

圖4 自動(dòng)化測試系統(tǒng)外形

4.2 系統(tǒng)驗(yàn)證

該自動(dòng)化測試系統(tǒng)的最終實(shí)施結(jié)果如圖5所示。連接被測設(shè)備后，對自動(dòng)化測試系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證。

加電自檢正確后，進(jìn)入自動(dòng)化測試軟件的人機(jī)界面，選擇周期性自檢、單項(xiàng)功能檢測和性能測試等多個(gè)Python測試程序，啟動(dòng)對被測設(shè)備的自動(dòng)化測試。測試程序順序執(zhí)行并顯示執(zhí)行狀態(tài)，運(yùn)行結(jié)束后顯示匯總分析結(jié)果。各項(xiàng)測試功能滿足自動(dòng)化測試系統(tǒng)的需求。

5 結(jié)束語

對自動(dòng)化測試系統(tǒng)進(jìn)行了測試場景梳理、需求分析、硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)、軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)以及自動(dòng)化測試設(shè)計(jì)，并在某機(jī)載電子設(shè)備的測試系統(tǒng)中進(jìn)行了應(yīng)用。測試結(jié)果表明本文提出的系統(tǒng)設(shè)計(jì)能夠滿足測試場景需求和系統(tǒng)需求，是一個(gè)有效的、通用的自動(dòng)化測試系統(tǒng)解決方案。