设计下一代自动测试系统

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   仪器仪表行业正经历变革，上一次变革是从单一参数单一功能产品转变到多参数多功能产品，而现在正向系统集成解决方案的方向发展，自动测试系统是目前比较成熟的解决方案之一，也是测量测试产品中利润最丰厚的产品之一，在这里徐工向我们介绍了基于NI产品的下一代自动测试系统，并且有产品例证，敬请关注。 测试管理人员和工程师们为了保证产品的质量和可靠性，从设计验证，生产线测试到设备维修诊断，从简单的通过／失败测试应用，到执行全套的产品特性测试，都离不开自动化测试系统的设计与构建。本文要讨论的下一代自动化测试系统正是基于测试测量行业发展的趋势和工程师团队所面临的挑战，通过构建以软件为核心的模块化系统架构帮助工程师们以创新的思维提高测试效率，满足用户自定义的需求。
    自动化测试系统面临的设计挑战随着客户需求的不断提高和产品的日新月异，测试工程师们正面临着前所未有的设计压力，概括来看，测试测量行业正呈现着以下两大发展趋势。    1.可自定义的系统需求现在的客户对于测试系统的灵活性和可定制性的要求已经变得越来越高。可自定义的系统需求包括为了适应复杂测试需求的系统配置的可自定义性，为了实现特定分析要求的数据处理的可自定义性，以及为了实现更好人机交互体验的用户界面的可自定义性等。总而言之，用户需要对测试系统拥有更大的控制权和定制权，这不仅体现在硬件系统配置上，更体现在对于原始测量数据的获取和分析上。    2.复杂系统的模块化解决之道如今的产品设计变得日益复杂，层出不穷的标准（如射频标准）更是烦扰着测试工程师们。测试系统为了达到更好的灵活性和可升级性，正逐渐朝着模块化、小体积的方向发展，就是将复杂的测试系统简化成模块化的硬件和软件去逐一实现，需要增加测试项目时只需增加相应的功能模块即可满足未来的升级需求。被认为是最保守客户之一的美国国防部也在2002年向国会提交的报告中强调下一代测试系统（NxTest）必须是基于现成可用商业技术（COTS）的模块化的软硬件，以便于设备的互换和升级。在发展的大趋势下，广大测试工程师对下一代自动化测试系统提出了一系列更具体的需求：l  更高的系统灵活性：可扩展至多种应用、业务部门，以及产品研发和生产的各个阶段。l  高性能的架构：可以显著提高系统的吞吐量和测试质量，并提供与不同仪器厂商之间的密切联系和集成。l  更低的系统投资：保存现有的资本投资和降低维护成本，同时提高设备的利用率。 l  更长的系统寿命：基于广泛采纳的工业标准，允许技术升级来改进性能并满足将来的测试需求。

   决方案：以软件为核心的模块化系统架构应对上述挑战的最好的方式就是有一个系统的解决方案：一个以软件为核心的模块化的系统架构，使得工程师们能够从原始的测量数据中获取自定义的结果。通过突出软件的核心地位，可以满足用户对自定义的系统需求，通过软件来定义模块化硬件的功能，同样一块数字化仪可以实现示波器、频谱分析仪和视频分析仪等不同的功能；通过软件来实现自定义的数据分析，例如，基于模块化的RF硬件通过设计不同的调制解调方式就可以满足最新射频标准的测试需求；通过软件还可以创建自定义的用户界面，确保人机交互的友好性。 相比于传统仪器固定的功能配置和只是“测试结果”的呈现，模块化的仪器技术能够赋予用户更多自定义的测量功能，基于商业的高速总线确保了大量原始数据的传输，一旦获取了原始数据，就能发挥软件的强大功能，获取准确而可靠的测试结果。
具体而言，一个细化的以软件为核心的模块化测试系统架构可以如图1所示。基于这样架构设计的自动化测试系统，可以满足用户对灵活性、高性能、低成本和长期使用性等一系列的需求。该架构共分为系统管理软件、应用开发软件、系统服务和驱动、处理总线平台以及仪器和设备I/O五个层次，下面将逐一介绍各层次的功能和特点。

图1 以软件为核心的模块化测试系统架构
   结构层次五：系统管理软件让我们先来看一下作为模块化测试软件架构最高层的系统管理软件层。对于一个自动化测试系统，有些测试任务会根据待测设备（DUT）的不同而不同，如仪器的配置、结果的分析等；而有些对于所有的待测设备则是通用的，如测试流程的管理、测试报告的生成等。为了提升测试效率和降低软件维护的成本，将DUT级别的任务与系统级别的任务相分离的测试策略显得尤为重要。通过快速创建测试流程、集成报告生成和数据库管理功能以及建立不同级别用户的人机界面，测试管理软件能够帮助工程师大幅缩短软件开发时间，并可以在整个开发周期中迅速地重用、修改和维护测试程序（或者模块）来满足从DUT测试到整个ATE系统测试等不同的需求。为了达到生产效率的最大化，工程团队应该利用商业可用的测试管理软件，例如NI TestStand软件等，来快速构建可扩展的测试框架和进行系统管理。TestStand作为行业领先的测试管理软件，不仅可以调用多种语言编写的测试模块，拥有丰富的测试流程配置功能，而且内建的并行和自动协调测试工具可以帮助用户大幅提升测试效率，增加系统的吞吐率。
    结构层次四：应用开发软件应用开发软件（ADE）在测试软件架构中扮演着很关键的承上启下的作用。系统开发者在进行系统的设计与组合时，需要借助ADE实现具体的测量应用程序、向最终用户显示必要的信息以及连接其他应用程序等多项功能；同时ADE需要与系统服务和驱动层紧密集成，而系统服务和驱动则与最终的I/O设备连接。不仅如此，用于开发测量和自动化应用的ADE，需要为各个应用领域提供易于使用的设计模型、编译性能和应用层的编程灵活性。随着软件在系统实现中重要性的不断提高，开发者会花费大部分的时间在应用程序的开发上。因此，一个应用开发软件的好坏直接影响着整个系统开发的成功与否，下面列出的因素都是选择应用开发软件时所必须要考虑的：l  功能强大，且兼备易用性和灵活性l  与系统服务和驱动的良好集成性l  集成强大的数据分析和再现功能l  广受业界采用，具有长生命周期的主流软件基于工程师所熟悉的数据流的编程模式，图形化的编程软件LabVIEW为用户提供了高效而直观的测试测量应用程序开发工具，配合无缝连接的NI设备驱动和内建强大的信号处理算法，用户可以从仪器I/O获取原始的测量数据，通过应用分析函数获取准确的测量结果。同样，对于习惯于文本编程的用户，基于ANSI C的LabWindows/CVI和基于Microsoft Visual Studio的Measurement Studio也是不错的选择。
   结构层次三：系统服务和驱动系统服务和驱动层是连接软件开发环境和硬件设备的纽带。除了起到设备驱动的作用，应该有更多关于硬件配置管理、诊断测试等功能涵盖在在这一层中，这也是我们称之为系统服务和驱动层的原因。例如，NI Measurement and Automation Explorer(MAX) 软件可以帮助开发者对所有的NI硬件和众多传统仪器（通过总线相连）进行统一的自动检测和配置，其集成的诊断测试功能保证了设备的正常运作，而测试面板为开发者在开始编程前检查硬件的功能提供了快捷的方法。常见的系统服务和驱动包括NI-DAQ、虚拟仪器软件架构(VISA)、NI LabVIEW即插即用驱动、可互换虚拟仪器(IVI)驱动等，它们都提供了模块化的硬件接口，帮助用户进行测试的配置和编程。 系统服务和驱动还通过应用编程接口（API）提供了对应用开发软件层的集成，这样开发者可以很容易的实现设备的编程。实际上，硬件驱动程序、应用编程接口和配置管理器等都必须无缝的集成到ADE中，从而使得性能最大化，提高开发效率，减少维护成本。
图2 系统服务和驱动层连接了ADE和硬件设备
   结构层次二：处理总线平台谈到总线平台，往往会让人联想到GPIB、USB、LAN/LXI、PXI和PXI Express等仪器总线。每一种仪器总线都有其适合的测试应用，例如，GPIB总线目前还是最常见的台式仪器控制总线；USB总线源于其即插即用性和较高的吞吐量，目前得到了广泛的应用；LAN/LXI总线特别适合于分布式的系统；PXI和PXI Express在带宽和传输延迟方面均提供了最高的性能指标（见图3）。可见，为了发挥不同总线的优势，达到系统性能的最优化，未来的测试系统会是一个混合总线的测试系统。作为一个开放的、基于PC的测试测量和控制平台，PXI和PXI Express提供了业界最好的数据带宽性能和背板集成的定时和同步功能，它同时拥有和多种其他总线互联的软硬件接口支持，使得PXI和PXI Express成为最理想的混合总线测试平台的核心，更是成为了全世界成千上万家公司首选的自动化测试平台。
   构层次一：仪器和设备I/O作为系统架构的最底层，仪器和设备I/O层将直接接触到实际的物理信号，完成信号调理、A/D和D/A转换等信号数字化的工作。由于我们在处理总线平台层提到下一代的测试系统将会是一个混合总线的测试系统，因此仪器和设备I/O层也会分为模块化的I/O和外部仪器控制两个部分来介绍。 模块化的I/O主要是基于PXI和PXI Express总线的仪器，通过软件定义模块化测量硬件的功能，用户可以进行完全自定义的测量，并根据测试需求的改变而随时更新测试系统。模块化仪器提供的灵活性、用户自定义性与可扩展性，配合软件的强大能动作用，体现出了传统仪器所无法比拟的巨大优势。现在，有超过70家的PXI系统联盟（PXISA）的成员提供超过1500种的PXI模块化仪器，其中包括Agilent、Rhode & Schwarz、Keithley和NI在内的众多知名公司，产品覆盖从数字化仪、信号发生、RF、电源到开关模块等各种I/O模块。
图3 PXI和PXI Express总线在带宽和传输延迟上占据明显的优势基于模块化的软件架构和PXI/PXI Express为核心的控制模块，用户可以轻松的集成基于GPIB、USB、LAN/LXI、串口等的传统仪器，满足用户对原有投资的重复利用和对特定测试任务的需求。像ni.com/idnet上提供的超过5000种的仪器驱动下载更可以帮助用户快速高效的将传统测试仪器集成到现有的系统中。
   案例分析：数字战场上的RF测试系统—Harris RF Communications国际著名的通信和信息科技公司Harris需要开发一套下一代的RF测试系统，这套系统用于Falcon II系列数字战场通信系统（包括基站、车载和手持式）的测试。测试系统面临的最大挑战就是要改善可扩展性和灵活性，同时要满足测试设备数量的随时扩展。同时，他们还要兼容最新的调制解调方式和扩展至更高的频段（目前的Falcon II为512MHz，未来的Falcon III要高达2GHz）。更重要的是，他们需要开发一个小体积、低成本的测试系统以替换原有陈旧的仪器，同时要保存他们10年来在软件开发上的投资。 面对如此高的需求，作为测试工程师的John Gmitter和他的团队决心采用模块化的测试系统架构来构建他们的测试系统。软件策略上，基于NI的TestStand测试管理软件和LabVIEW应用开发软件，他们设计了标准的软件架构，很好的实现了资源分配、仪器锁定以及并行自动协调测试等功能，不仅保证了已有的软件投资，更为未来的扩展提供了足够的空间。在硬件方面，他们采用了具有良好灵活性和扩展性的PXI平台作为核心系统，集成了NI的数字化仪、音频分析仪、矢量信号分析仪等以及Aeroflex的信号发生器、Pickering的开关模块等PXI模块。同时该系统很好的兼容了传统的GPIB仪器，如Agilent的信号分析仪和Anritsu的RF功率计等，并可满足对USB和LXI仪器的扩展需求。这样的一个系统可谓是典型的集百家之长的混合测试系统，并通过模块化的软件架构配置和管理整个测试系统。
Harris开发的这套RF测试系统很好地完成了对RF发送机/接收机的测试任务，并大幅降低了测试成本和满足了可扩展的需求。作为主要开发人员的John Gmitter工程师还因此获得了Test & Measurement World杂志2006年度最佳测试工程师的殊荣。图4 Harris RF测试系统架构图及产品图片不只是Harris公司，更多行业内的公司都已经采用了以软件为核心的模块化的测试系统架构，证明了这种架构策略对于他们投资的回报。例如，微软公司基于NI LabVIEW和PXI模块化仪器，为Xbox 360控制器设计的测试系统的速度是前一代测试系统的两倍。Sanmina-SCI公司利用NI TestStand和PXI产品构建了FDA认可的药品设备测试系统，超出了他们每周测试83 000台设备的要求，达到他们产量要求的195% ……这样的自动化测试成功案例可谓是数不胜数。