机载计算机通用自动测试平台设计

摘要 针对目前自动测试设备的通用性设计，提出了一种基于PXI总线的测试平台。文中对PXI测试系统、接口适配器和开关网络进行了说明；介绍了测试软件和故障诊断系统的设计；分析了该系统设计过程中面临的通用性、故障诊断与定位等问题。其设计思想和方案对于机载计算机通用测试平台的研制具有一定指导意义。
关键词 自动测试设备；通用平台；PXI；IVI；故障诊断

    随着自动测试技术的飞速发展，以及军事领域强有力的需求牵引，自动测试设备(AutomaticTestEquipment，ATE)已成为机载计算机产品测试、使用和维护的必要手段。由于对复杂机载计算机的测试要求越来越高，具有较强的通用性和扩展性已成为测试设备性能的主要指标。
    ATE通用性的实现涉及到接口与适配器的标准化、硬件平台的模块化、测试程序集与仪器资源的无关性设计等许多方面的内容。本文提出了一种以PXI总线为基础，采用虚拟仪器技术、故障诊断技术的设计方法，从而实现机载计算机的通用测试平台。

1 硬件结构设计
    通用测试平台以主控计算机为控制核心，由PXI测试设备构成主要测试资源，接口适配器及开关网络组成信号分配和变换单元，辅以测量仪器和供电设备。
    主控计算机采用配置先进的PC机。PXI测试设备内部采用PXI标准总线，根据测试的最大需求，选用标准的测试模块进行集成。测量仪器包括：示波器、万用表。供电设备包括：可调电压信号源、115 V供电电源和28 V供电电源。
    测试平台与PC机之间采用网卡通讯，PXI测试设备与示波器、万用表和电源之间采用GPIB接口进行通讯。测试平台原理如图1所示。

1．1 PXI测试系统
    PXI测试设备由零槽控制器、模拟量激励／采集模块、离散量输入／输出模块、继电器模块、模拟量电阻模块、电源开关模块、CPIB接口卡组成。采用PXI结构的模块，具有体积小，稳定可靠和便于维护的优点。
    在机箱中的各功能模块都是PXI总线的标准模块，通过PXI机箱的背板相互连接。PXI机箱中的测试模块包括：零槽控制器(PXI-PCI-8355)模拟量激励模块(NI6704)、模拟量采集模块(NI6031E)、离散量输入／输出模块(NI6527)、多路继电器模块(NI2503)、通用继电器模块(NI25 65)、模拟量电阻模块(Pickering290)、电源开关模块(Pickering150)和GPIB接口卡(PXI—GPIB)。
1．2 接口适配器及开关网络
    接口适配器是测试平台和UUT之间的桥梁，将仪器资源分配给UUT的各个管脚，完成对其施加激励和进行测量的工作。接口适配器TUA(Test Unit Adapter)主要由前面板端口、箱体和接口测试适配器ITA(Interface Test Adapter)构成。
    适配器设计采用无源器件，能够防止环境影响，减少测试结果的不确定因素。在测试资源满足测试要求的前提下，适配器以直接连线为主，选择高质量的线缆和连接器，尽量不使用开关器件。因为开关器件会降低资源利用率，而且多余的开关器件和连接线缆，也会影响测试结果的真实性，引起信号频带损失、引入电磁干扰等问题。
    开关网络担负着控制信号流向的任务，是实现UUT与系统资源间的信号转接、分配与组合的关键。在ATE中，开关系统一般分为功率开关、矩阵开关、微波开关。功率开关常用于对系统的电源进行切换，矩阵开关和微波开关主要用于信号切换，根据UUT的实际需求，灵活分配测试资源。
    本平台采用矩阵开关对接的方式组成开关网络，比如4×16、4×32、4×64型矩阵开关可以把各自的4路信号挂接在总线上，形成任意两路可互达的开关网络结构，测试平台的连接能力大幅增强。测试资源和UUT的任意两路信号可以互达，而测试平台的资源由最大测试资源需求的UUT决定。开关网络把适配器的信号切换功能以测试资源的形式融入到平台中，增强了系统的通用性。
1．3 通用性的实现
    对于ATE，信号分配单元、测试资源和主控计算机部分是通用的，不随UUT的变化而改变，这也是测试平台通用性的硬件基础。在测试时，只需根据不同的UUT更换适配器就可实现平台的重构，完成相应测试，满足了机载计算机型号多、信号复杂、输入输出管脚数量多、接口各异的测试需求。
    测试平台同时具备良好的扩展机制。通过开关网络，可根据具体的测试需求连接相应的测试资源，例如：可以连接波形发生器或其他具备GPIB接口的测量仪器等，作为扩展模块接入AIE，方便平台的升级、扩展。

2 软件平台设计
2．1 软件的通用性设计原则
    对基于虚拟仪器技术的通用平台来说，软件是整个测试平台的关键。因此，软件系统构建的好坏直接影响测试平台的整体性能。通用是一个相对概念，通用平台的设计应遵循以下原则：(1)开放式、标准化的软件体系结构。(2)基于IVI技术实现测试仪器的可互换性。(3)TPS(测试程序集)具备可移植性。
    可交换虚拟仪器技术规范(IVI)是1998年在VXI即插即用软件技术规范(VPP)的基础上发展而来的一项技术规范，它在扩展VPP标准的同时，增加了仪器的可互换性、仿真和状态缓存等特点。IVI由类驱动器、具体仪器驱动器、引擎和配置文件组成。当仪器更换后，只需修改配置文件中的信息，使测试程序指向新的IVI仪器和仪器驱动器即可，从而实现仪器设备的可互换性。
    测试程序开发模式存在两种：一是面向仪器的测试；二是面向信号的测试。面向仪器的测试由测试程序直接控制仪器动作来完成测试；面向信号的测试将对测试资源的需求映射成对信号激励／采集的需求，通过内部服务机制解释、定位和驱动测试仪器完成测试任务。前者的缺点是系统往往不能涵盖所有仪器和新的功能，从而使TPS的可移植性和仪器互换性受到限制。而信号的类型是有限的，理论上可以涵盖所有仪器，这是后者的优势所在。
    IVI技术可以从硬件兼容的层面上解决仪器的互操作问题，但不足以解决仪器内部由于工作原理不同而造成测试结果差异。IVI—MSS(Me asurement StimulusSubsystem)规范可以为TPS可移植性的实现建立一定技术基础，其结构如图2所示。通过设计具有复位、建立、变化和捕捉等基本信号操作功能的IVI—MSS信号接口，可以实现测试程序对测量信号的控制和调用。利用IVI信号接口调用虚拟仪器资源完成对UUT的测试，既使测试软件独立于测试平台，又具有良好的可移植性。

 
2．2 软件结构设计
    测试软件根据需求设计其测试策略，描述测试数据及故障诊断知识，针对测试策略开发面向信号、针对产品的测试程序，同时根据硬件资源配置进行测试仪器资源描述、测试通道配置描述、适配器信号映射关系描述，由编译器编译后形成可以直接运行的测试模块。测试软件通过用户界面，由测试信息管理程序调用测试模块及故障诊断组件，完成测试及故障诊断过程。主测试程序在LabView软件平台上编写，用于完成数据库读写、仪器驱动程序的调用等功能。测试流程和结果数据由TestStand以及Microsoft Access管理，所有测试参数、程控指令、测试结果都放在数据库中，主程序依次读取其中的相应记录进行分析处理，执行相应操作完成测试任务。
    针对不同的UUT，测试软件只是流程和任务数据不同，而软件框架中的其它部分不变。在软件设计中，通过建立通用软件框架，满足各UUT测试程序的设计要求。通用功能接口通过调用仪器驱动程序，对各种仪器资源的功能进行标准化定义和封装，以实现测试程序中要求的测量与激励功能标准化对接，避免了操作系统和测试程序直接控制仪器，实现了仪器的互换性。采用上述结构实现的软件应用于另一个UUT时，软件基本不必重新编写，只需修改数据库中的内容即可。

3 故障诊断及定位
    故障诊断是根据UUT的正常特征信号、异常信号和其它诊断信息，查明导致UUT发生故障的部件或联系，并找到其初始原因。通用测试平台结合故障诊断技术和专家系统，对故障的部位、产生原因、性质和程度进行判断。故障诊断系统以专家系统为主要诊断依据，由测试数据入口、故障信息库、系统知识库和推理机制组成，其系统结构如图3所示。

    故障信息库用于记录检测过程中的各种故障信息，依据故障树模型，建立相应的数据关联，为故障定位存储数据资料。专家知识库用于根据操作中遇到的故障和专家系统，为故障定位和推理机制提供参考信息。采用与推理机制相互独立的平台式结构，便于专家知识的扩充与完善。
    推理机制内部包含3个推理引擎：模糊逻辑推理引擎、专家规则推理引擎和神经网络推理引擎。利用规则推理的方法，对故障信息库和系统知识库进行数据融合和分析推理，并为解释程序提供推理机制。当读取UUT测试数据后，推理引擎根据专家知识、故障信息库资料与测试数据进行并行诊断，其中基于相互关联的系统采用模糊推理算法，基于规则的系统采用规则转换算法，基于事件的系统采用神经网络算法。

    测试平台的故障定位主要是采用故障决策树方法。故障树以征兆或测试结果作为起始点，紧接着是一组由活动及决策组成的分叉决策树，最终实现故障定位并获得维修建议。故障树的基本结构如图4所示。

4 结束语
    对机载计算机自动测试设备进行了介绍，提出了一种基于PXI总线的通用测试平台。该平台具有资源高度共享、仪器设备可互换、测试程序可移植、接口和适配器标准化设计的特点，是一种通用性测试系统。PXI模块资源丰富，结合面向信号的测试软件，可以根据UUT的不同和用户的需求扩充其测试功能和项目。因此，可用于各类机载计算机产品的自动测试和故障检测。