構(gòu)建以軟件為中心的下一代自動(dòng)化測試系統(tǒng)

1. 緒論：自動(dòng)化測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

測試管理人員和工程師們?yōu)榱吮ＷC交付到客戶手中的產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性，在各種應(yīng)用領(lǐng)域 (從設(shè)計(jì)驗(yàn)證，經(jīng)終端產(chǎn)品測試，到設(shè)備維修診斷) 都采用自動(dòng)化測試系統(tǒng)。他們使用自動(dòng)測試系統(tǒng)執(zhí)行簡單的“通過”或“失敗”測試，或者通過它執(zhí)行一整套的產(chǎn)品特性測試。由于設(shè)計(jì)周期后期產(chǎn)品瑕疵檢測的成本呈上升趨勢，自動(dòng)化測試系統(tǒng)迅速地成為產(chǎn)品開發(fā)流程中一個(gè)重要的部分。這篇“設(shè)計(jì)下一代自動(dòng)化測試”的文章描述了一些迫使工程團(tuán)隊(duì)減少測試成本和時(shí)間的挑戰(zhàn)。這篇文章還深刻地洞察了測試管理人員和工程師們?nèi)绾瓮ㄟ^建立模塊化軟件定義型測試系統(tǒng)來克服這些挑戰(zhàn)。這種測試系統(tǒng)在減少總體成本的同時(shí)，顯著地增加了測試系統(tǒng)的吞吐量和靈活性。

如今的測試工程師們面臨著一系列新的壓力。他們所面臨的產(chǎn)品開發(fā)環(huán)境情況如下：

產(chǎn)品設(shè)計(jì)比前幾代更為復(fù)雜

為了保持競爭力并滿足客戶要求，開發(fā)周期要求越來越短

產(chǎn)品測試成本越來越高，而預(yù)算越來越少

不斷提高的設(shè)計(jì)復(fù)雜性

如今，測試測量的最明顯趨勢是器件復(fù)雜性不斷增加。例如，消費(fèi)電子、通信和半導(dǎo)體工業(yè)持續(xù)要求將數(shù)字圖象/視頻、高保真音頻、無線通信和因特網(wǎng)互聯(lián)性集成到一個(gè)單獨(dú)產(chǎn)品中。甚至在汽車中都集成了復(fù)雜的汽車娛樂和信息系統(tǒng)、安全和早期預(yù)警系統(tǒng)，以及車身和發(fā)動(dòng)機(jī)上的控制電子裝備。測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不僅需要足夠靈活地支持對不同產(chǎn)品模型進(jìn)行廣泛的測試，還需要能夠進(jìn)行升級以提供新測試功能所需的更多測試點(diǎn)。

更短的產(chǎn)品開發(fā)周期

由于希望不斷提高新產(chǎn)品和技術(shù)，擁有市場第一個(gè)占有率的競爭天性，設(shè)計(jì)和測試工程團(tuán)隊(duì)只能不斷的縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。為此，工程團(tuán)隊(duì)必須設(shè)計(jì)出新的測試策略來減少測試時(shí)間，并提高從設(shè)計(jì)到生產(chǎn)的測試效率。

日益增加的測試成本和日益減少的測試預(yù)算

增加設(shè)備功能通常會(huì)導(dǎo)致測試流程更昂貴、費(fèi)時(shí)。然而，構(gòu)建每個(gè)功能的成本卻是降低的，這就迫使工程部門要減少成本和預(yù)算，如圖1所示。工程師們必須改進(jìn)測試策略，通過增加測試系統(tǒng)的吞吐量、減少維護(hù)和升級成本和必需的資本投資來降低總成本。

圖1. 來自SIA的數(shù)據(jù)表明：隨著時(shí)間推移,硅(或者器件功能)的成本在降低，但測試成本卻在持續(xù)增加。

2. 日益增加的測試成本和日益減少的測試預(yù)算

為了應(yīng)對器件復(fù)雜性增加、開發(fā)周期縮短和預(yù)算減少的挑戰(zhàn)，測試管理人員和工程師們被迫放棄傳統(tǒng)的測試設(shè)計(jì)策略，即基于傳統(tǒng)箱式儀器或“大鐵塊”式的私有ATE系統(tǒng)。這些獨(dú)立的儀器缺少軟件處理所必需的靈活性，而且用戶接口是由廠商定義的，只能由廠商通過固件更新。這樣，儀器固件中沒有定義的測試以及新標(biāo)準(zhǔn)的測試就難以執(zhí)行;或者當(dāng)要求變化時(shí)，也難以對系統(tǒng)進(jìn)行修改。由于這些器件最初就是作為獨(dú)立儀器而設(shè)計(jì)，他們?nèi)鄙俦匾募赡芰?，譬如?shù)據(jù)流和同步功能。私有的ATE系統(tǒng)(例如高度集成產(chǎn)品芯片測試儀)能提供所需性能，但成本相當(dāng)昂貴，可能會(huì)使工程團(tuán)隊(duì)被廢棄，過早地進(jìn)行系統(tǒng)再設(shè)計(jì)。

針對這些情況，測試管理人員和工程師們正在實(shí)現(xiàn)模塊化軟件定義型測試結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)基于廣泛采納的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，可以提供：

更高的測試系統(tǒng)靈活性：可擴(kuò)展至多種應(yīng)用、業(yè)務(wù)部門，以及各個(gè)產(chǎn)品階段

高性能的結(jié)構(gòu)：可以顯著提高測試系統(tǒng)吞吐量，并提供與不同儀器廠商之間的密切聯(lián)系和集成，包括精密直流信號、高速模擬和數(shù)字信號和射頻信號的生成與

分析。

更低的測試系統(tǒng)投資：減少最初資本投資和維護(hù)成本，同時(shí)增加多種測試要求中的設(shè)備使用率

更長的測試系統(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

NI公司作為自動(dòng)化測試領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者，致力于為產(chǎn)品工程師們提供設(shè)計(jì)新一代自動(dòng)化測試系統(tǒng)所需的硬件和軟件。這本深入的開發(fā)者指南包含了設(shè)計(jì)新一代自動(dòng)化測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)所需要的信息。緒論部分描述了一個(gè)如圖2所示的測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，為工程師們提供了相關(guān)策略，以應(yīng)對器件復(fù)雜性的增加、開發(fā)周期的縮短、預(yù)算的降低等一系列挑戰(zhàn)。

圖2. NI公司提供了一套完整的、用于設(shè)計(jì)自動(dòng)化測試系統(tǒng)的軟硬件解決方案

3. 層次結(jié)構(gòu)五：自動(dòng)化測試系統(tǒng)管理軟件

自動(dòng)化的測試系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)多種任務(wù)和測量功能：這些任務(wù)和功能中，一些與待測設(shè)備(DUT)相關(guān)的，而另一些對于每個(gè)待測設(shè)備是通用的。為了把維護(hù)費(fèi)用降至最小，并且保證測試系統(tǒng)的壽命，實(shí)現(xiàn)DUT級別的任務(wù)與系統(tǒng)級別的任務(wù)相分離的測試策略是十分重要的，這樣工程師們在整個(gè)開發(fā)周期中可以迅速地重用、維護(hù)并修改測試程序(或者模塊)來滿足特定的測試需求。

在所有的測試系統(tǒng)中，都存在著根據(jù)待測設(shè)備不同的不同操作，也存在著對于所有待測設(shè)備都通用的操作，例如系統(tǒng)級別的任務(wù)等。

對于每個(gè)設(shè)備不同的操作

• 儀器配置

• 測量

• 數(shù)據(jù)采集

• 結(jié)果分析

• 校準(zhǔn)

• 測試模塊對于每個(gè)設(shè)備通用的操作

• 操作界面

• 用戶管理

• DUT跟蹤

• 測試流程控制

• 存儲結(jié)果

• 測試報(bào)告

一些公司已經(jīng)編寫了自己的測試執(zhí)行器，并且分配了寶貴的工程資源來從頭開始開發(fā)測試管理軟件。這通常會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)率下降并且為了維護(hù)軟件而長時(shí)間占用資源。為了使生產(chǎn)效率達(dá)到最大化，工程團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)該利用商業(yè)上可用的測試管理軟件，例如NI TestStand軟件等，來減少對于每個(gè)設(shè)備的通用操作的開發(fā)。通過利用這個(gè)軟件，工程師們可以專注于對各設(shè)備的專有操作的開發(fā)。需要更多信息，請查閱《Developing a Modular Software Architecture》白皮書。

4. 結(jié)構(gòu)層次四：應(yīng)用開發(fā)軟件

在測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，應(yīng)用開發(fā)環(huán)境(ADE)，例如NI公司的LabVIEW和LabWindows/CVI等，扮演了關(guān)鍵角色。利用這些工具，測試系統(tǒng)開發(fā)者可以與各種各樣的儀器通信、集成測量、顯示信息、與其它應(yīng)用連接等等……理想的用于開發(fā)測試和測量應(yīng)用的ADE需要提供易用性、高效編譯性能、與多種I/O集成以及編程靈活性等一系列的應(yīng)用要求。易用性不僅在于可以多么迅速地上手和使用。利用易于使用的ADE ，開發(fā)者可以容易地把處理例程和多種測量設(shè)備集成在一起，創(chuàng)建復(fù)雜的用戶接口，部署和維護(hù)應(yīng)用程序，并且在產(chǎn)品設(shè)計(jì)改良和系統(tǒng)需要擴(kuò)展時(shí)修改應(yīng)用程序。

如需更多信息，請查閱《Choosing the Right Software Application Development Environment》白皮書。

5. 結(jié)構(gòu)層次三：測量和控制服務(wù)

測量和控制服務(wù)提供了對系統(tǒng)中各種硬件資源的連接、系統(tǒng)配置和診斷工具等，至關(guān)重要。例如，NI Measurement and Automation Explorer (MAX)可以對硬件資源進(jìn)行自動(dòng)檢測，包括數(shù)據(jù)采集、信號調(diào)節(jié)硬件;GPIB、USB和局域網(wǎng)控制型儀器;PXI系統(tǒng)、VXI設(shè)備;模塊化儀器……，因此開發(fā)者可以在一個(gè)地方對它們進(jìn)行配置。集成診斷測試保證了設(shè)備功能正常，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。測量和控制服務(wù)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)者可以容易的對他們的設(shè)備進(jìn)行編程。實(shí)際上，這種服務(wù)軟件的部件——硬件驅(qū)動(dòng)程序，應(yīng)用編程接口(API)和配置管理器必須無縫集成到ADE中，從而使得性能最大化、提高開發(fā)生產(chǎn)率，減少總維護(hù)成本。

6. 結(jié)構(gòu)層次二：計(jì)算和測量總線

每個(gè)自動(dòng)化測試系統(tǒng)的核心部件都是計(jì)算機(jī)(形式有臺式個(gè)人計(jì)算機(jī)、服務(wù)器工作站、便攜式電腦或者嵌入式計(jì)算機(jī)等不同與PXI和VXI配合使用)。使用計(jì)算式平臺的一個(gè)重要方面就是可以與測試系統(tǒng)中各種各樣的儀器進(jìn)行連接(和通信)。現(xiàn)在有多種不同的儀器總線用于單獨(dú)或模塊化儀器，包括GPIB、USB、LAN、PCI和PCI Express等。這些總線有著不同的能力，對于特定應(yīng)用來說，一些總線比另一些更加合適。例如，GPIB總線在儀器控制中有著廣泛的應(yīng)用，對于儀器來說有著廣泛的可用性;USB總線提供了廣泛的可用性、易于連接性和高吞吐量;局域網(wǎng)總線對于分布式系統(tǒng)十分合適，而PCI Express總線則提供了最高效的性能。

個(gè)人電腦的廣泛使用促成了高性能內(nèi)部總線的不斷進(jìn)步，其中包括PCI和PCI Express總線，它們具有最低的延時(shí)和最高的數(shù)據(jù)吞吐量或帶寬。PCI總線提供了高達(dá)132MB/s的總線帶寬，而PCI Express總線作為PCI總線的進(jìn)化版，可提供4GB/s的帶寬，來滿足不斷增長的帶寬需求，同時(shí)在軟件上對PCI總線完全兼容。圖3 解釋了最流行的儀器控制總線的延時(shí)和帶寬性能。

圖3 對于各種儀器控制總線的比較。PCI和PCI Express總線提供了較好的帶寬和延時(shí)，即較好的總吞吐性能。

7. 結(jié)構(gòu)層次一：測量和設(shè)備I/O

從根本上講，目前有兩種類型的儀器構(gòu)架——傳統(tǒng)儀器和虛擬儀器。圖4解釋了這兩種架構(gòu)的相似性。兩種都具有測量硬件、機(jī)箱、電源、總線、處理器、操作系統(tǒng)和用戶接口。

圖4 傳統(tǒng)儀器和虛擬儀器的構(gòu)架擁有相似的硬件部分;兩個(gè)構(gòu)架間最主要的區(qū)別是軟件存在于哪里以及用戶是否能訪問到它

從硬件的角度上講，最明顯的區(qū)別在于部件是如何組織的。對于每個(gè)分離的儀器，傳統(tǒng)的或者獨(dú)立的儀器把所有的部件都放在同一個(gè)箱子里。測量功能、分析、顯示以及對儀器的控制都是由供應(yīng)商定義的。

相反的是，模塊化軟件定義型虛擬儀器集成了通用的測量硬件來幫助用戶除了使用標(biāo)準(zhǔn)功能外，還可以在軟件中定義自己的測量和用戶接口。利用模塊化的方法，工程師們可以定義測試系統(tǒng)的測量功能，并且構(gòu)建可擴(kuò)展的系統(tǒng)來滿足將來的需求。通過模塊化的、軟件定義的方法，用戶可以進(jìn)行自定義測量、為新興的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測量或者當(dāng)需求改變(例如，添加儀器、通道或者新型測量)時(shí)修改系統(tǒng)。這種靈活的、用戶定義型軟件與可擴(kuò)展的硬件組合是模塊化儀器的核心。

8. 總結(jié)：設(shè)計(jì)新一代自動(dòng)化測試系統(tǒng)

設(shè)備復(fù)雜性增加、開發(fā)周期縮短和預(yù)算降低使工程團(tuán)隊(duì)有機(jī)會(huì)重新評估現(xiàn)有的自動(dòng)測試策略，并且尋找出提高效率減少成本的方法。在設(shè)計(jì)新一代自動(dòng)化測試系統(tǒng)時(shí)，加入可以增加系統(tǒng)靈活性、提供更高測量和吞吐量性能、降低測試系統(tǒng)成本并且延長壽命的策略是非常重要的。模塊化的軟件定義型自動(dòng)測試系統(tǒng)克服了以往的基于獨(dú)立式儀器或成本高昂的私有ATE系統(tǒng)解決方案的不足之處。模塊化的硬件平臺基于廣泛采用的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)平臺，諸如PXI等，允許工程師們開發(fā)可擴(kuò)展的測試系統(tǒng)，將各個(gè)儀器供應(yīng)商提供的功能緊密地集成到一起。另外，它還允許工程團(tuán)隊(duì)集成現(xiàn)有的設(shè)備投資來降低實(shí)現(xiàn)的初始成本。利用最新PC技術(shù)(諸如多核處理器和PCI Express總線)的軟件定義型測量，新一代自動(dòng)化測試系統(tǒng)可以顯著提高吞吐量性能，并且可擴(kuò)展以滿足不同產(chǎn)品階段和業(yè)務(wù)部門的需求。

許多公司已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了模塊化軟件定義型測試系統(tǒng)策略，而且證明了這種策略對他們投資的回報(bào)。例如，微軟公司在NI LabVIEW和PXI模塊化儀器的基礎(chǔ)上，為Xbox 360控制器設(shè)計(jì)的測試系統(tǒng)是前一代的測試系統(tǒng)速度的兩倍。美國空軍(The U.S. Air Force)開發(fā)測試構(gòu)架為他們的高級戰(zhàn)斗機(jī)提供支持。利用基于PC機(jī)的軟件和硬件構(gòu)架，他們降低了成本，并且把測試系統(tǒng)的尺寸減小了一半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，并且超出了他們產(chǎn)量要求的95%。

9. NI公司相關(guān)產(chǎn)品和白皮書

NI公司作為自動(dòng)化測試領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者，致力于為產(chǎn)品工程師們提供用于設(shè)計(jì)新一代自動(dòng)化測試系統(tǒng)所需的硬件和軟件。

軟件：

•NI TestStand測試管理框架

•LabVIEW圖形化編程語言

•LabVIEW SignalExpress交互式測量軟件

硬件：

• 模塊化儀器(示波器、萬用表、射頻模塊、開關(guān)等)

• 多功能數(shù)據(jù)采集

• PXI系統(tǒng)部件(機(jī)箱和控制器)

• 儀器控制(GPIB總線、USB總線和局域網(wǎng))

技術(shù)白皮書

NI公司提供了《設(shè)計(jì)新一代自動(dòng)化測試系統(tǒng)開發(fā)者指南》。這篇指南是集合了各類白皮書，是用來幫助開發(fā)測試系統(tǒng)，降低成本、提高測試吞吐量，可擴(kuò)展以適應(yīng)未來的需求。