設(shè)計(jì)下一代自動化測試系統(tǒng)

測試管理人員和工程師們?yōu)榱吮ＷC產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性，從設(shè)計(jì)驗(yàn)證，生產(chǎn)線測試到設(shè)備維修診斷，從簡單的通過／失敗測試應(yīng)用，到執(zhí)行全套的產(chǎn)品特性測試，都離不開自動化測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與構(gòu)建。本文要討論的下一代自動化測試系統(tǒng)正是基于測試測量行業(yè)發(fā)展的趨勢和工程師團(tuán)隊(duì)所面臨的挑戰(zhàn)，通過構(gòu)建以軟件為核心的模塊化系統(tǒng)架構(gòu)幫助工程師們以創(chuàng)新的思維提高測試效率，滿足用戶自定義的需求。

自動化測試系統(tǒng)面臨的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

隨著客戶需求的不斷提高和產(chǎn)品的日新月異，測試工程師們正面臨著前所未有的設(shè)計(jì)壓力，概括來看，測試測量行業(yè)正呈現(xiàn)著以下兩大發(fā)展趨勢。

1 可自定義的系統(tǒng)需求

現(xiàn)在的客戶對于測試系統(tǒng)的靈活性和可定制性的要求已經(jīng)變得越來越高?？勺远x的系統(tǒng)需求包括為了適應(yīng)復(fù)雜測試需求的系統(tǒng)配置的可自定義性，為了實(shí)現(xiàn)特定分析要求的數(shù)據(jù)處理的可自定義性，以及為了實(shí)現(xiàn)更好人機(jī)交互體驗(yàn)的用戶界面的可自定義性等。總而言之，用戶需要對測試系統(tǒng)擁有更大的控制權(quán)和定制權(quán)，這不僅體現(xiàn)在硬件系統(tǒng)配置上，更體現(xiàn)在對于原始測量數(shù)據(jù)的獲取和分析上。

2 復(fù)雜系統(tǒng)的模塊化解決之道

如今的產(chǎn)品設(shè)計(jì)變得日益復(fù)雜，層出不窮的標(biāo)準(zhǔn)（如射頻標(biāo)準(zhǔn)）更是煩擾著測試工程師們。測試系統(tǒng)為了達(dá)到更好的靈活性和可升級性，正逐漸朝著模塊化、小體積的方向發(fā)展，就是將復(fù)雜的測試系統(tǒng)簡化成模塊化的硬件和軟件去逐一實(shí)現(xiàn)，需要增加測試項(xiàng)目時只需增加相應(yīng)的功能模塊即可滿足未來的升級需求。被認(rèn)為是最保守客戶之一的美國國防部也在2002年向國會提交的報(bào)告中強(qiáng)調(diào)下一代測試系統(tǒng)（NxTest）必須是基于現(xiàn)成可用商業(yè)技術(shù)（COTS）的模塊化的軟硬件，以便于設(shè)備的互換和升級。

在發(fā)展的大趨勢下，廣大測試工程師對下一代自動化測試系統(tǒng)提出了一系列更具體的需求：

● 更高的系統(tǒng)靈活性：可擴(kuò)展至多種應(yīng)用、業(yè)務(wù)部門，以及產(chǎn)品研發(fā)和生產(chǎn)的各個階段。

● 高性能的架構(gòu)：可以顯著提高系統(tǒng)的吞吐量和測試質(zhì)量，并提供與不同儀器廠商之間的密切聯(lián)系和集成。

● 更低的系統(tǒng)投資：保存現(xiàn)有的資本投資和降低維護(hù)成本，同時提高設(shè)備的利用率。

● 更長的系統(tǒng)壽命：基于廣泛采納的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，允許技術(shù)升級來改進(jìn)性能并滿足將來的測試需求。

解決方案：以軟件為核心的模塊化系統(tǒng)架構(gòu)

應(yīng)對上述挑戰(zhàn)的最好的方式就是有一個系統(tǒng)的解決方案：一個以軟件為核心的模塊化的系統(tǒng)架構(gòu)，使得工程師們能夠從原始的測量數(shù)據(jù)中獲取自定義的結(jié)果。

通過突出軟件的核心地位，可以滿足用戶對自定義的系統(tǒng)需求，通過軟件來定義模塊化硬件的功能，同樣一塊數(shù)字化儀可以實(shí)現(xiàn)示波器、頻譜分析儀和視頻分析儀等不同的功能；通過軟件來實(shí)現(xiàn)自定義的數(shù)據(jù)分析，例如，基于模塊化的RF硬件通過設(shè)計(jì)不同的調(diào)制解調(diào)方式就可以滿足最新射頻標(biāo)準(zhǔn)的測試需求；通過軟件還可以創(chuàng)建自定義的用戶界面，確保人機(jī)交互的友好性。

相比于傳統(tǒng)儀器固定的功能配置和只是“測試結(jié)果”的呈現(xiàn)，模塊化的儀器技術(shù)能夠賦予用戶更多自定義的測量功能，基于商業(yè)的高速總線確保了大量原始數(shù)據(jù)的傳輸，一旦獲取了原始數(shù)據(jù)，就能發(fā)揮軟件的強(qiáng)大功能，獲取準(zhǔn)確而可靠的測試結(jié)果。

具體而言，一個細(xì)化的以軟件為核心的模塊化測試系統(tǒng)架構(gòu)可以如圖1所示?；谶@樣架構(gòu)設(shè)計(jì)的自動化測試系統(tǒng)，可以滿足用戶對靈活性、高性能、低成本和長期使用性等一系列的需求。該架構(gòu)共分為系統(tǒng)管理軟件、應(yīng)用開發(fā)軟件、系統(tǒng)服務(wù)和驅(qū)動、處理總線平臺以及儀器和設(shè)備I/O五個層次，下面將逐一介紹各層次的功能和特點(diǎn)。

圖1 以軟件為核心的模塊化測試系統(tǒng)架構(gòu)

結(jié)構(gòu)層次五：系統(tǒng)管理軟件

讓我們先來看一下作為模塊化測試軟件架構(gòu)最高層的系統(tǒng)管理軟件層。

對于一個自動化測試系統(tǒng)，有些測試任務(wù)會根據(jù)待測設(shè)備（DUT）的不同而不同，如儀器的配置、結(jié)果的分析等；而有些對于所有的待測設(shè)備則是通用的，如測試流程的管理、測試報(bào)告的生成等。為了提升測試效率和降低軟件維護(hù)的成本，將DUT級別的任務(wù)與系統(tǒng)級別的任務(wù)相分離的測試策略顯得尤為重要。通過快速創(chuàng)建測試流程、集成報(bào)告生成和數(shù)據(jù)庫管理功能以及建立不同級別用戶的人機(jī)界面，測試管理軟件能夠幫助工程師大幅縮短軟件開發(fā)時間，并可以在整個開發(fā)周期中迅速地重用、修改和維護(hù)測試程序（或者模塊）來滿足從DUT測試到整個ATE系統(tǒng)測試等不同的需求。

為了達(dá)到生產(chǎn)效率的最大化，工程團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)該利用商業(yè)可用的測試管理軟件，例如NI TestStand軟件等，來快速構(gòu)建可擴(kuò)展的測試框架和進(jìn)行系統(tǒng)管理。TestStand作為行業(yè)領(lǐng)先的測試管理軟件，不僅可以調(diào)用多種語言編寫的測試模塊，擁有豐富的測試流程配置功能，而且內(nèi)建的并行和自動協(xié)調(diào)測試工具可以幫助用戶大幅提升測試效率，增加系統(tǒng)的吞吐率。

結(jié)構(gòu)層次四：應(yīng)用開發(fā)軟件

應(yīng)用開發(fā)軟件（ADE）在測試軟件架構(gòu)中扮演著很關(guān)鍵的承上啟下的作用。系統(tǒng)開發(fā)者在進(jìn)行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與組合時，需要借助ADE實(shí)現(xiàn)具體的測量應(yīng)用程序、向最終用戶顯示必要的信息以及連接其他應(yīng)用程序等多項(xiàng)功能；同時ADE需要與系統(tǒng)服務(wù)和驅(qū)動層緊密集成，而系統(tǒng)服務(wù)和驅(qū)動則與最終的I/O設(shè)備連接。不僅如此，用于開發(fā)測量和自動化應(yīng)用的ADE，需要為各個應(yīng)用領(lǐng)域提供易于使用的設(shè)計(jì)模型、編譯性能和應(yīng)用層的編程靈活性。

隨著軟件在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中重要性的不斷提高，開發(fā)者會花費(fèi)大部分的時間在應(yīng)用程序的開發(fā)上。因此，一個應(yīng)用開發(fā)軟件的好壞直接影響著整個系統(tǒng)開發(fā)的成功與否，下面列出的因素都是選擇應(yīng)用開發(fā)軟件時所必須要考慮的：

● 功能強(qiáng)大，且兼?zhèn)湟子眯院挽`活性

● 與系統(tǒng)服務(wù)和驅(qū)動的良好集成性

● 集成強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析和再現(xiàn)功能

● 廣受業(yè)界采用，具有長生命周期的主流軟件

基于工程師所熟悉的數(shù)據(jù)流的編程模式，圖形化的編程軟件LabVIEW為用戶提供了高效而直觀的測試測量應(yīng)用程序開發(fā)工具，配合無縫連接的NI設(shè)備驅(qū)動和內(nèi)建強(qiáng)大的信號處理算法，用戶可以從儀器I/O獲取原始的測量數(shù)據(jù)，通過應(yīng)用分析函數(shù)獲取準(zhǔn)確的測量結(jié)果。同樣，對于習(xí)慣于文本編程的用戶，基于ANSI C的LabWindows/CVI和基于Microsoft Visual Studio的Measurement Studio也是不錯的選擇。

結(jié)構(gòu)層次三：系統(tǒng)服務(wù)和驅(qū)動

系統(tǒng)服務(wù)和驅(qū)動層是連接軟件開發(fā)環(huán)境和硬件設(shè)備的紐帶。除了起到設(shè)備驅(qū)動的作用，應(yīng)該有更多關(guān)于硬件配置管理、診斷測試等功能涵蓋在在這一層中，這也是我們稱之為系統(tǒng)服務(wù)和驅(qū)動層的原因。例如，NI Measurement and Automation Explorer(MAX) 軟件可以幫助開發(fā)者對所有的NI硬件和眾多傳統(tǒng)儀器（通過總線相連）進(jìn)行統(tǒng)一的自動檢測和配置，其集成的診斷測試功能保證了設(shè)備的正常運(yùn)作，而測試面板為開發(fā)者在開始編程前檢查硬件的功能提供了快捷的方法。

常見的系統(tǒng)服務(wù)和驅(qū)動包括NI-DAQ、虛擬儀器軟件架構(gòu)(VISA)、NI LabVIEW即插即用驅(qū)動、可互換虛擬儀器(IVI)驅(qū)動等，它們都提供了模塊化的硬件接口，幫助用戶進(jìn)行測試的配置和編程。

 
系統(tǒng)服務(wù)和驅(qū)動還通過應(yīng)用編程接口（API）提供了對應(yīng)用開發(fā)軟件層的集成，這樣開發(fā)者可以很容易的實(shí)現(xiàn)設(shè)備的編程。實(shí)際上，硬件驅(qū)動程序、應(yīng)用編程接口和配置管理器等都必須無縫的集成到ADE中，從而使得性能最大化，提高開發(fā)效率，減少維護(hù)成本。

圖2 系統(tǒng)服務(wù)和驅(qū)動層連接了ADE和硬件設(shè)備

結(jié)構(gòu)層次二：處理總線平臺

談到總線平臺，往往會讓人聯(lián)想到GPIB、USB、LAN/LXI、PXI和PXI Express等儀器總線。每一種儀器總線都有其適合的測試應(yīng)用，例如，GPIB總線目前還是最常見的臺式儀器控制總線；USB總線源于其即插即用性和較高的吞吐量，目前得到了廣泛的應(yīng)用；LAN/LXI總線特別適合于分布式的系統(tǒng)；PXI和PXI Express在帶寬和傳輸延遲方面均提供了最高的性能指標(biāo)（見圖3）?？梢?，為了發(fā)揮不同總線的優(yōu)勢，達(dá)到系統(tǒng)性能的最優(yōu)化，未來的測試系統(tǒng)會是一個混合總線的測試系統(tǒng)。

作為一個開放的、基于PC的測試測量和控制平臺，PXI和PXI Express提供了業(yè)界最好的數(shù)據(jù)帶寬性能和背板集成的定時和同步功能，它同時擁有和多種其他總線互聯(lián)的軟硬件接口支持，使得PXI和PXI Express成為最理想的混合總線測試平臺的核心，更是成為了全世界成千上萬家公司首選的自動化測試平臺。

結(jié)構(gòu)層次一：儀器和設(shè)備I/O

作為系統(tǒng)架構(gòu)的最底層，儀器和設(shè)備I/O層將直接接觸到實(shí)際的物理信號，完成信號調(diào)理、A/D和D/A轉(zhuǎn)換等信號數(shù)字化的工作。由于我們在處理總線平臺層提到下一代的測試系統(tǒng)將會是一個混合總線的測試系統(tǒng)，因此儀器和設(shè)備I/O層也會分為模塊化的I/O和外部儀器控制兩個部分來介紹。

模塊化的I/O主要是基于PXI和PXI Express總線的儀器，通過軟件定義模塊化測量硬件的功能，用戶可以進(jìn)行完全自定義的測量，并根據(jù)測試需求的改變而隨時更新測試系統(tǒng)。模塊化儀器提供的靈活性、用戶自定義性與可擴(kuò)展性，配合軟件的強(qiáng)大能動作用，體現(xiàn)出了傳統(tǒng)儀器所無法比擬的巨大優(yōu)勢。現(xiàn)在，有超過70家的PXI系統(tǒng)聯(lián)盟（PXISA）的成員提供超過1500種的PXI模塊化儀器，其中包括Agilent、Rhode & Schwarz、Keithley和NI在內(nèi)的眾多知名公司，產(chǎn)品覆蓋從數(shù)字化儀、信號發(fā)生、RF、電源到開關(guān)模塊等各種I/O模塊。

圖3 PXI和PXI Express總線在帶寬和傳輸延遲上占據(jù)明顯的優(yōu)勢

基于模塊化的軟件架構(gòu)和PXI/PXI Express為核心的控制模塊，用戶可以輕松的集成基于GPIB、USB、LAN/LXI、串口等的傳統(tǒng)儀器，滿足用戶對原有投資的重復(fù)利用和對特定測試任務(wù)的需求。像ni.com/idnet上提供的超過5000種的儀器驅(qū)動下載更可以幫助用戶快速高效的將傳統(tǒng)測試儀器集成到現(xiàn)有的系統(tǒng)中。

案例分析：數(shù)字戰(zhàn)場上的RF測試系統(tǒng)—Harris RF Communications

國際著名的通信和信息科技公司Harris需要開發(fā)一套下一代的RF測試系統(tǒng)，這套系統(tǒng)用于Falcon II系列數(shù)字戰(zhàn)場通信系統(tǒng)（包括基站、車載和手持式）的測試。測試系統(tǒng)面臨的最大挑戰(zhàn)就是要改善可擴(kuò)展性和靈活性，同時要滿足測試設(shè)備數(shù)量的隨時擴(kuò)展。同時，他們還要兼容最新的調(diào)制解調(diào)方式和擴(kuò)展至更高的頻段（目前的Falcon II為512MHz，未來的Falcon III要高達(dá)2GHz）。更重要的是，他們需要開發(fā)一個小體積、低成本的測試系統(tǒng)以替換原有陳舊的儀器，同時要保存他們10年來在軟件開發(fā)上的投資。

面對如此高的需求，作為測試工程師的John Gmitter和他的團(tuán)隊(duì)決心采用模塊化的測試系統(tǒng)架構(gòu)來構(gòu)建他們的測試系統(tǒng)。軟件策略上，基于NI的TestStand測試管理軟件和LabVIEW應(yīng)用開發(fā)軟件，他們設(shè)計(jì)了標(biāo)準(zhǔn)的軟件架構(gòu)，很好的實(shí)現(xiàn)了資源分配、儀器鎖定以及并行自動協(xié)調(diào)測試等功能，不僅保證了已有的軟件投資，更為未來的擴(kuò)展提供了足夠的空間。在硬件方面，他們采用了具有良好靈活性和擴(kuò)展性的PXI平臺作為核心系統(tǒng)，集成了NI的數(shù)字化儀、音頻分析儀、矢量信號分析儀等以及Aeroflex的信號發(fā)生器、Pickering的開關(guān)模塊等PXI模塊。同時該系統(tǒng)很好的兼容了傳統(tǒng)的GPIB儀器，如Agilent的信號分析儀和Anritsu的RF功率計(jì)等，并可滿足對USB和LXI儀器的擴(kuò)展需求。這樣的一個系統(tǒng)可謂是典型的集百家之長的混合測試系統(tǒng)，并通過模塊化的軟件架構(gòu)配置和管理整個測試系統(tǒng)。

Harris開發(fā)的這套RF測試系統(tǒng)很好地完成了對RF發(fā)送機(jī)/接收機(jī)的測試任務(wù)，并大幅降低了測試成本和滿足了可擴(kuò)展的需求。作為主要開發(fā)人員的John Gmitter工程師還因此獲得了Test & Measurement World雜志2006年度最佳測試工程師的殊榮（http://www.tmworld.com/article/CA6418015.html）。

圖4 Harris RF測試系統(tǒng)架構(gòu)圖及產(chǎn)品圖片

不只是Harris公司，更多行業(yè)內(nèi)的公司都已經(jīng)采用了以軟件為核心的模塊化的測試系統(tǒng)架構(gòu)，證明了這種架構(gòu)策略對于他們投資的回報(bào)。例如，微軟公司基于NI LabVIEW和PXI模塊化儀器，為Xbox 360控制器設(shè)計(jì)的測試系統(tǒng)的速度是前一代測試系統(tǒng)的兩倍。Sanmina-SCI公司利用NI TestStand和PXI產(chǎn)品構(gòu)建了FDA認(rèn)可的藥品設(shè)備測試系統(tǒng)，超出了他們每周測試    83 000臺設(shè)備的要求，達(dá)到他們產(chǎn)量要求的195% ……這樣的自動化測試成功案例可謂是數(shù)不勝數(shù)。