测试领域新技术的发展及应用

摘  要：随着测试需求的提高，在测试领域中新的技术得到了快速的发展，追踪研究这些新技术，对于我国研制新的先进的测试系统具有一定的借鉴作用。本文首先详细介绍了近年来在测试领域中出现的新技术，包括测试仪器及先进的测试总线技术，自动化测试及综合测试技术和故障诊断及综合保障技术的发展状况及其应用。着重介绍了合成仪器技术，LXI总线技术，柔性测试技术和智能测试诊断技术。最后指出测试新技术为我国测试领域的发展带来了机遇和挑战，为测试系统的发展指明了新的方向。　　

关键词：
合成仪器  LXI  柔性测试  机内测试　　

中图分类号：
TB 336    文献标识码：A　　

Advances in and application of new test technologies 　　

(1. .Department of Electronic Engineering of NAEI, Yantai 26400；
1.92 NO.92601 Troops of PLA, Zhanjiang 52400)　　

Abstract: With the increasing of the testing requirement, the new technology in testing domain has got fast developing. Following and studying these new technologies is of some reference effect for our country developing new advanced test system. The paper detailed introduces the advances and application of the new technologies that have appeared in the testing domain in recent years firstly, including test instrument & advanced test bus technique, the automatic test & synthetical testing technique and fault diagnosis & integrated support technique, focusing on the synthetic instrument technology, LXI technology, flexible testing technique and intelligent diagnosis test technology. At last it pointed that the new test technology brings opportunity and challenge to the development of testing domain, and shows the new direction of test system for our country. 　　

Key words:  Synthetic Instrument   LXI   Flexible Test   Built-in Test　　

1 引言　　

随着科学技术的飞速发展，现代电子设备已广泛运用了分布处理的系统结构、智能化信息处理、大规模和超大规模集成电路器件，以及高性能计算机等先进技术。这些突出的变化使得对电子设备的测试测量难度加大，从而对传统测试系统提出了更高、更严的要求。为了适应不断提高的测试需求，近年来在测试领域中新的技术得到了快速的发展：如各种新型的仪器总线的相继推出和应用，小型化、合成化和综合化的仪器不断涌现，综合的、通用化的自动化测试系统和测试与诊断一体化系统的蓬勃发展，远程测试与维修诊断技术、内装自测试技术、综合测试与诊断软件平台技术等在不断地完善和应用[1]。追踪研究这些新技术，对于我国研制新的先进的测试系统具有一定的借鉴作用。　　

2测试仪器及先进的测试总线技术　　

2.1 合成仪器的基本概念　　

测试仪器及由各种测试仪器组成的测试系统则是测试技术的最终体现。测试测量仪器历经了模拟、数字、智能化、虚拟仪器等形式。

在过去60年内研制出针对商业和军事市场测试测量信号的各种各样的COTS(Commercial Off-The-Shelf Equipment)仪器。但由COTS构建的自动测试系统ATS(Automatic Test System)，由于测试需求不同，彼此互不兼容，也没有互操作性；
同时由于军工行业系统研制周期和认证周期相对较长，系统维护和需要支持的周期通常在10年至20年，而民用科技的发展日新月异，流行商用仪器的更新速度越来越快，一些COTS产品在军工行业被大规模全面使用之前就已废型和停产，对于已定型的测试系统的维护和支持成为军工客户面临的最大问题。为此美国国防部下一代自动测量系统(NxTest)综合生产小组(IPT) 考虑利用先进的军用民用测试技术来开发一种新的仪器结构框架，达到自动测试能够在各军兵种中具有互操作性，合成仪器SI(Synthetic Instrument)概念从而提出[2]。合成仪器是通过标准化的接口将一系列基本的硬件和软件部件进行连接的重复配置系统，利用数字处理技术来产生信号和进行测量。其核心思想是将传统仪器分割成为一些基本功能模块，通过外部处理器及软件的聚合和标准接口连接，取代专用高端仪器并实现标定、校正等功能，完成不同的测量任务。合成仪器目标是试图通过分析仪器的基本功能要素，出一个通用的仪器结构[4]。　　

2.2 合成仪器的特点　　

在传统仪器中，除了这些仪器前端的通用性外，很难看到激励/测量技术的再用。硬件的上层是嵌入式软件层(通常连接到原来设计的目标嵌入式控制器)，嵌入式软件的上层是应用软件，其大多数的部分功能如同图像用户接口(GUI)或已定标/换算/转换数据的显示。SI的结构则恰好与之相反，合成硬件结构由标准硬件(信号调理、上变频器、下变频器、DAC、ADC)组成，标准硬件与不受限制的DSP软件结合工作。这种硬件减少，使系统定标的要求和成本最小，系统定标容易受SI激励和测量通路中每个功能块所具有的检查方法和控制性的影响，。　　

相对传统仪器，合成仪器(Synthetic Instrument)具有以下五大特点：(1)非常长的产品和系统支持周期，应用软件将不再依赖于特定的硬件。(2)很小的系统体积，仪器不包含多余的显示、输入和其它美学设计部分。(3)应用清晰明确，仪器界面一致，升级快捷方便。(4)系统生命周期与产品生命周期保持一致。(5)供应商独立，测量硬件与测量技术没有直接联系。　　

合成仪器与软件定义无线电有相似之处，但是后者也只有合成功能，欠缺测量和分析能力[5-7]。合成仪器与虚拟仪器更为相近(实质上虚拟仪器属于合成仪器的超集)，前者比后者的内容更完善。所有合成仪器都是虚拟仪器，同样具有虚拟面板，由软件映射和扩展硬件的功能，由PC管理数据流、分析和表现结果。但是虚拟仪器的硬件来自自然仪器，而合成仪器的硬件来自基本仪器模块，软件起着更大的作用。　　

2.3 LXI总线概念及特点　　

测试系统的组成离不开测试总线，总线本身亦成为测试系统的主要组成部分，根据总线结构功能和性质的不同可以将测试总线分成内部总线和外部总线。业内流行的内部测试总线主要有VXI和PXI两种总线，它们分别在VME和PCI两种计算机总线的基础上发展起来。外部总线有GPIB、USB、1394等。　　

采用以上几种总线的COTS构建测试系统可以极大地降低整个系统的组建、开发、维护、替换和升级的成本，但是有2个问题摆在测试工程师面前：一是异地测试系统间的通信；
二是GPIB和VXI是测试领域专用接口总线，计算机是通用的工业产品，而通用的计算机发展快，价格低，测试专用总线发展慢，成本高，在发展上两者无法匹配。为此， Agilent公司和VXI公司总结装架式和堆叠式仪器的测量技术经验，整合GPIB和VXI的成果，基于著名的工业标准以太网(Ethernet)技术，扩展了仪器需要的语言、命令和协议等内容，构成了一种适用于自动测试系统的新一代模块化仪器平台标准LXI (LAN extensions for Instrumentation)，被认为是第一款真正意义上的外部仪器总线，它分为A、B、C三个级别，A级别要求最高，可以满足精确时钟同步和同步触发的功能要求，在分布式和大规模的测试系统中有独到的应用空间，为测试技术的应用开辟了另一片天地[7-8]。　　

相对先前总线仪器，LXI总线仪器具有以下5个特点：　　

(1)开放式工业标准：LAN和AC电源是业界性能最稳定和生命周期最长的开放式工业标准；
　　

(2)向后兼容性：因为LAN模块只占l/2的标准机柜宽度，体积比大型卡式(VXI/PXI)仪器更小。同时，升级现有的ATS不需重新配置，并允许扩展为VXI/PXI系统；
　　

(3)成本低廉：在满足军用和民用客户要求的同时，保持现存台式仪器的核心技术，结合最新科技，保证新的LAN模块成本低于相应的台式仪器和VXI/PXI仪器；
　　

(4)互操作性：作为综合仪器(SI)系统模块，只需30～40种左右的通用模块即可解决军用客户的主要测试需求。如此相对较少的模块种类，提高了系统的机动性和灵活性；
　　

(5)新技术及时方便地引入：这些模块具备完备的I/O定义文档(由军标定义)。　　

NxTest计划中的SI总线，需要定义硬件和软件模块之间的接口、定时同步、编程语言、机箱尺寸、模块尺寸、电磁干扰和环境条件等；
同时要考虑到尽量降低系统的支持经费，模块的热插拔，系统能够容易升级，具有30年的使用寿命等等。目前流行的ATS总线都不能满足SI总线制定的目标要求，使得SI总线的制定迟迟未能完成。Agilent公司作为国防部/工业界联合工作组的副组长，一直推介新一代的仪器接口LXI作为SI总线的最佳候选对象。Agilent公司对以太网的数据传送引入IEEEI588网络定时协议，提高了LXI总线的时钟同步能力，增大了LXI总线在SI总线选型中的比重。　　

2.4 合成仪器与LXI总线的应用　　

目前，合成仪器主要用户是国防/航天部门，设备主要是微波/RF频段的自动测试系统(SI-ATS)，由于起点比较高，能够供应这些设备的测试测量仪器公司还不多。主要有三种代表性的合成仪器ATS系统，第一是安捷伦(Agilent)公司的SI仪器系列，如N　8201A　数字下变频器SI模块，N　8211A　模拟上变频器SI模块，N　8212A　矢量上变频器SI模块，N　8221A　中频数字化仪SI模块，N　8241A　任意波形发生器SI模块，N　8242A　任意波形发生器SI模块等等。第二是艾法斯(Aeroflet)公司的SMARTE系列，如高性能合成测试环境SMARTE5000(合成多功能的自适应可重配置测试环境)。第三是国家仪器(NI)/相位矩阵(Phase Matrix)/BAE系统三家公司合作开发的PXI合成仪器系列。Agilent公司对于LXI在远程分布式测试的应用研究正在展开，并取得了实际的成果。　　

美国海军CASS测试系统升级过程中已将频谱分析仪、射频功率计、波形分析仪、时间/频率测试仪和AC/DC电压测量等7种仪器的功能由一个VXI总线合成仪器模块来实现，而美国陆军的IFTE、海军陆战队的TETS系统也将进行相应的升级改造[9]。　　

3 自动化测试及综合测试技术　　

伴随着世界新技术的发展，信息化技术和信息化装备的应用已成为提升装备能力的关键途径，无论是民用还是军用领域的水陆空装备、通信系统、自动化生产装置等等，其电磁探测、自动化控制、数据分析、数据传输、网络通信等一系列功能在不断地增加，所承载的电子设备也在不断地增加，为保证装备的正常工作，对这些先进而复杂的电子设备的测试和故障诊断就显得格外之重要，面对这样测试及诊断任务越来越繁重和复杂的局面，多年来，业内在注重单项测试技术突破的同时，力求使测试设备实现自动化、通用化和综合化，以满足通用的模拟、数字、射频和光电等系统的全面测试能力。　　

传统的测试系统供应商将多个台式仪器或特定的仪器模块组合在一起，然后在这些仪器和产品之间使用相应的互连缆线和连接器将它们堆砌起来。然后，供应商添加软件，用这些软件调用嵌入在这些仪器中的可用功能。在测试系统的发展过程中，这种方式通常被称为“堆砌式”测试。通用化的测试系统本身的特点体现在测试仪器的通用、软件平台的通用和接口适配器的通用上。为了满足这些特点，必须采用与“堆砌式”测试不同的测试系统构建方式—即NxTest中提出的综合测试技术或者说合成测试技术。　　

　2008年2月28日　，泛华测控正式宣布推出的“柔性测试”就是一种面向应用和系统、实现完整测试解决方案的综合测试技术。　　

柔性测试，其核心思想是在不同的环境下运用不同的技术手段就能达到不同的效果，而最终表现出来的形式也是多种多样的。看似多变，却宗旨不变，即为客户提供最为完善的解决方案，保证系统最佳性。其所关注的目标是测试系统，或者测试应用的需求，它所研究的对象是满足这种需求的手段。它是一种技术，不是一个系统或者一个产品。它研究的是过程，而不是结果；
研究的是手段，而不是产品。它整合了虚拟仪器、测试测量、机电一体化、网络通信及软件等技术，既面向应用，又专注于测试系统的创建和发展，是满足复杂、多样化测试测量需求的系统化技术[3]。　　

提出柔性测试的概念，其目标是为了保障客户能够得到更为可靠、更为灵活、更为适应性强的系统。因此泛华测控的人员在研究整个“柔性测试”技术的过程中，归纳了它优于一般测试系统的特性：　　

(1)适用性：满足多种测试环境要求，提供多种测试性能，融合多种信号测试能力；
　　

(2)灵活性：发挥模块化、插件化、分布式设计的灵活性，根据客户需求改变测试系统的功能及性能；
　　

(3)可扩展性：跟进相关技术进展，实现测试能力的不断提升。　　

利用“柔性测试”技术只研究产品本身，使成本在批量生产时下降而可靠性上升，客户系统具有可升级性，从而相对减少了客户长期维护的成本。　　

研究柔性测试技术，消化吸收NxTest体系结构设计思想，为实现装备全寿命周期测试及跨平台测试的要求，实现信息与系统的资源共享、互连、互换、互操作、可扩展以及满足纵向集成测试等通用化测试的需求提供了方向。　　

4故障诊断及综合保障技术　　

在综合保障技术体系中，包括了可靠性技术、测试技术和现场维修技术。其中的可靠性、可测试性和可维修性等跟产品的设计过程息息相关，而为可靠性建模、可靠性分析以及维修性建模提供基本数据的又是测试和诊断，同时，在可靠性分配、可靠性预计和维修性预计上又会对测试和诊断提出要求。因此，处理好它们之间的关系就非常重要，为满足产品全寿命周期的综合保障的需要，一些机构在可靠性、可测性和可维性的设计方面，在试验与评估技术方面，已实现了从定性向定量分析的过渡，并推出了大量的保障性设计分析与评估的工具软件，并以数字化设计平台为基础来实现装备研制过程保障性与性能的有机结合，以多学科设计优化技术为基础来实现各种设计特性的综合。在维修技术方面，利用信息技术、先进的传感器技术、自动测试技术、故障诊断和预测技术、人工智能技术等手段发展电子维修、虚拟维修和仿真等技术，进行综合检测、预测与评估，以提高维修的快速性和精确性。在测试与诊断技术方面，进一步发展和完善了综合测试与故障诊断一体化技术，建立起规范的综合诊断与维修保障系统的体系结构，兼容IEEE-1445标准，应用更为有效的故障建模、推理诊断方法、测试诊断与信息融合等基础技术，为系统级、板级和芯片级的故障诊断提供技术手段，为装备综合维修保障提供更加完善的技术和产品支持。随着信息技术的发展，模糊理论、神经网络、遗传算法、小波变换的最新理论都先后应用到故障诊断领域，并取得了一定的成效；
另外，模糊故障树、模糊神经网络、基于模糊规则的专家系统和基于遗传算法的诊断方法等等均在深入研究之中。在维修设备产品方面，多家单位运用专家系统、人工智能方法开发了板级和系统级的故障综合诊断系统产品并得到应用，典型的设备有泰瑞达公司的LASER系统，法宇航的ATECSeries6系统，以色列的ARIS2000系统和航天测控公司的“华佗电子诊所”HTEDS8000系统等[1]。　　

新一代装备由于具有高度智能化、数字化、总线化的特点，传统的外部测试和诊断逐步由内部BIT功能所替代，这已成为当前测试技术发展的重要趋势。说起BIT技术可以追溯到上世纪五十年代初，美国就开始研究BIT测试技术，并于五十年代末在机载雷达上成功地装备了常规的BIT装置。随后又在其战机F/A-18上应用；
为改善和提高BIT性能，国外将人工智能技术、计算机技术和半导体技术综合应用于元器件、电路板和系统等各个BIT层次之中；
八十年代后期，出现了基于边界扫描技术(BST)的新型BIT技术，并逐步成为新型航空电子设备BIT的主要测试和测试性设计技术，在F-22、RAH-66、波音777等系统中得到成功应用。90年代中期，测试领域又推出了分级BIT技术，这是一种新型的系统级的测试设计技术，或称为第4代测试设计技术，是边缘扫描技术的一种延伸，在功能板级HIBIT利用IEEE 1149.1边缘扫描技术进行测试，而系统和分系统级的测试则通过IEEE 1149.5测试与维修总线来进行。新型BIT技术主要以IEEE-1149系列标准为基础，其中主要包括定义了板级、模块级网络化测试和维修总线，可实现数字和模拟电路的板级和子系统级(单元设备)的BIT。目前，一些仪器公司(如NI、Corelis等)也已经开发出符合IEEE Std1149标准相关的开发工具软件和系统，国内的很多科研单位也在开展这方面的工作，取得了一定的成果并推出了一些软硬件的产品。　　

5结语　　　

测试领域的需求和应用非常之广泛，所应用的技术从模拟到数字、从低频到高频/微波、从测试到诊断、从维修到保障，方方面面都在快速发展。在新一代测试系统的研制中，要高度重视吸取国外相关的经验教训，跟踪和借鉴国际测试领域新技术的发展方向，加快新技术的导入、新测试理论的研究和采纳国际通用标准的步伐，将测试系统设计成为一体化测试、维护与保障系统，促使测试向综合化、智能化、网络化和虚拟现实方向发展，从而提高我国测试系统的技术水平。　　

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