自动测试系统的原理应用与发展.docx
《自动测试系统的原理应用与发展.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《自动测试系统的原理应用与发展.docx（26页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
自动测试系统的原理应用与发展
自动测试系统的原理、应用与发展
北京航空航天大学自动化学院测控系李行善于劲松
摘要自动测试系统（ATS）广泛应用于各类产品（器件、部件、电路板、设备或系统）从设计、生产到使用维护的各个阶段，对提高产品性能及生产率，降低生产成本及整个生命周期成本，起着重要作用。
对于飞机、导弹、舰船或武器系统，自动测试系统更是这些它们的综合保障设备的重要组成部分，对保障各类设备或武器系统的机动性和提高战斗力有重要意义。
本文介绍自动测试系统的工作原理及发展概况，自动测试设备（ATE）的类型及测试程序集（TPS）开发的主要内容，并对一些有代表性的通用自动测试系统进行了评述。
希望本文对国内从事这方面的研究工作的读者有所帮助。
1自动测试系统（ATS）的发展概况
1.1自动测试系统的概念与组成
一般意义的自动测试系统是对那些能自动完成激励、测量、数据处理并显示或输出测试结果的一类系统的统称。
通常这类系统是在标准的测控系统总线或仪器总线（CAMAC、GPIB、VXI、PXI等）的基础上组建而成的，并且具有高速度、高精度、多功能、多参数和宽测量范围等众多特点。
工程上的自动测试系统（AutomaticTestSystem，缩写为ATS）往往针对一定的应用领域和被测对象，并且常以应用对象命名，如飞机自动测试系统，发动机自动测试系统，雷达自动测试系统，印制电路板自动测试系统等，也可以按照应用场合来划分，例如可分为生产过程用自动测试系统，场站维护用自动测试系统等。
自动测试系统（ATS）由自动测试设备（AutomaticTestEquipment，ATE），测试程序集（TestProgramSet，TPS）和TPS软件开发工具所组成，如图1所示。
图1自动测试系统的组成
自动测试设备（ATE）是指用来完成测试任务的全部硬件和相应的操作系统软件。
ATE的心脏是计算机，该计算机用来控制复杂的测试仪器如数字多用表，波形分析仪，信号发生器及开关组件等。
这些设备在测试软件的控制下工作，通常是提供被测对象中的电路或部件所要求的激励，然后在不同的引脚、端口或连接点上测量被测对象的响应，确定该被测对象是否具有规范中规定的功能或性能。
ATE有着自己的操作系统，以实现内部事务的管理、跟踪维护要求及测试过程排序，并存储和检索相应的技术手册内容。
ATE的典型特征是它在功能上的灵活性，例如用一台ATE可以测试多种不同类型的电子设备。
从部件检测角度，ATE可用来实现对两类黑盒子的测试，也就是用来测试：
①现场可更换单元（LineReplaceableUnits，LRUs）或武器可更换组件（WeaponsReplaceableAssemblies，WRAs）；②车间可更换单元（ShopReplaceableUnits，SRUs）。
测试程序集（TPS）是与被测对象及其测试要求密切相关的。
测试程序集由三部分组成，①测试程序软件；②测试接口适配器，③测试被测对象所需的各种文件。
测试软件通常用标准测试语言如ATLAS写成。
对有些ATE，其测试软件是直接用通用计算机语言如C，Ada编写的。
被测对象（UnitUnderTest，UUT）有着各种不同的连接要求和输入/输出端口，因此UUT连到ATE通常要求有相应的接口设备，称为接口适配器，它完成UUT到ATE的正确、可靠的连接，并且为ATE中的各个信号点到UUT中的相应I/O引脚指定信号路径。
开发测试软件要求一系列的工具，这些工具统称为测试程序集软件开发工具，有时亦被称为TPS软件开发环境，它可包括：
①ATE和UUT仿真器，
ATE和UUT描述语言；
编程工具，如各种编译器等。
不同的自动测试系统所能提供的测试程序集软件开发工具会有所不同。
1.2自动测试系统的应用范围
自动测试系统主要应用在如下场合：
1.高速、高效率的功能、性能测试。
那些大批量生产并且测试项目多而且复杂的电子产品（如大规模集成电路，大批量生产的印制电路板或电路组件等），必须采用相应的自动测试系统。
2.快速检测、诊断/维护，提高装备的机动性。
飞机在飞行前和飞行后，导弹、鱼雷等武器在发射前，都需要快速检测与诊断，遇有故障则迅速定位与排除。
没有先进的自动测试系统支持根本不行。
3.高档复杂设备的综合检测及过程监视。
飞机设计过程中需要用一些自动测试系统来支持设计验证；在飞机生产/装配过程中，自动测试系统用来对并行作业的各个子系统的生产/装配过程进行测试和监视，实施协调和管理。
军用高档设备研制过程中，环境试验（高、低温，湿度，振动，过载等）主要目的是分辨或替代那些不能承受恶劣环境条件的部件。
由于处于环境试验中的被测对象复杂而贵重，测试项目多，而且要求在给定的很短时间内完成，也必须采用相应的自动测试设备才能完成。
1.3自动测试系统的发展概况
自动测试系统经历了从专用型向通用型发展的过程。
在早期，仅侧重于自动测试设备（ATE）本体的研制，近来，则着眼于建立整个自动测试系统体系结构，同时注重ATE研制和TPS的开发及可移植，以及人工智能在自动测试系统中的应用，正向着分布式的集成诊断测试系统发展。
1.3.1自动测试系统发展的三个阶段
自动测试系统的发展过程大体上可分为三个阶段：
1.第一代自动测试系统——专用型
专用型系统是针对具体测试要求而研制的，主要用于测试工作量很大的重复测试，高可靠性的复杂测试，用来提高测试速度或者用于人员难以进入的恶劣环境。
第一代自动测试系统至今仍在应用。
这类系统是从人工测试向自动测试迈出的重要的一步，是本质上的进步。
它在测试功能、性能、测试速度和效率，以及使用方便等方面明显优于人工测试。
第一代自动测试系统的缺点突出表现在接口及标准化方面，带来的突出问题是：
复杂的被测对象的所有功能、性能测试若全部采用专用型自动测试系统，则所需要的自动测试系统数目巨大，费用高昂，使保障设备的机动能力降低。
一旦被测对象退役，为其服务的一大批专用自动测试系统也随之报废。
2．第二代自动测试系统——台式仪器积木型
它是在标准的接口总线的基础上，以积木方式组建的系统。
系统中的各个设备（计算机、可程控仪器、可程控开关等）均为台式设备，每台设备都配有符合接口标准的接口电路。
组装系统时，用标准的接口总线电缆将系统所含的各台设备连在一起构成系统。
这种系统组建方便，组建者一般不需要自己设计接口电路。
积木式特点使得这类系统更改、增减测试内容很灵活，而且设备资源的复用性好。
系统中的通用仪器既可作为自动测试系统中的设备来用，亦可作为独立的仪器使用。
应用一些基本的通用智能仪器可以在不同时期，针对不同的要求，灵活地组建不同的自动测试系统。
组建这类自动测试系统普遍采用的接口总线为可程控仪器的通用接口总线GPIB（GeneralPurposeInterfaceBus），在美国亦称此总线为IEEE488，HP-IB。
在欧洲、日本常称之为IEC625。
在我国国内，人们常称之为GPIB或IEEE488，并已公布了相应的国家标准。
采用GPIB总线组建的自动测试系统特别适合于科学研究或武器装备研制过程中的各种试验、验证测试。
基于GPIB总线的自动测试系统的主要缺点表现为：
①总线的传输速率不够高（最大传输速率为1Mbytes/s），很难以此总线为基础组建高速、大数据吞吐量的自动测试系统。
②仪器的机箱、电源、面板、开关大部分都是重复配置的，它阻碍了系统的体积、重量的进一步降低，难以组建体积小、重量轻的自动测试系统。
3.第三代自动测试系统——模块化仪器集成型
这类系统基于VXI、PXI等测试总线，主要由模块化的仪器/设备所组成。
VXI总线（VMEbuseXtensionsforInstrumentation）是VME计算机总线向仪器/测试领域的扩展，具有高达40Mbytes/s的数据传输速率。
PXI总线是PCI总线（其中的CompactPCI总线）向仪器/测量领域的扩展，其中数据传输速率为132～264Mbytes/s。
以这两种总线为基础，可组建高速、大数据吞吐量的自动测试系统。
系统中，仪器、设备或嵌入计算机均以VXI（或PXI）总线的形式出现，众多模块化仪器/设备均插入带有VXI（或PXI）总线插座、插槽、电源的VXI（或PXI）总线机箱中，仪器的显示面板及操作，用统一的计算机显示屏以软面板的形式来实现，避免了系统中各仪器、设备在机箱、电源、面板、开关等方面的重复配置，大大降低了整个系统的体积、重量并能在一定程度上节约成本。
第三代自动测试系统具有数据传输速率高、数据吞吐量大、体积小、重量轻，系统组建灵活，扩展容易，资源复用性好，标准化程度高等众多优点，是当前先进的自动测试系统特别是军用自动测试系统的主流组建方案。
在组建这类系统中，VXI总线规范是其硬件标准，VXI即插即用规范（VXIPlug&Play）为其软件标准，以货架产品（COTS）形式提供的虚拟仪器开发环境（LabWindows/CVI、LabVIEW、VEE等）为研制测试软件可采用的基本软件开发工具。
目前，尚有一部分仪器不能以VXI（或PXI）总线模块的形式提供，因此，在以VXI总线系统为主的自动测试系统中，还可以用GPIB总线，灵活连接所需的GPIB总线台式仪器。
1.3.2军用自动测试系统的发展概况
军方的需求不仅促成了新的测试系统总线及新一代自动测试系统的诞生，并促使ATS/ATE的设计思想、开发策略发生重大变化。
早期的军用自动测试系统是针对具体武器型号和系列的，不同系统间互不兼容，不具有互操作性。
专用测试系统的维护保障费用高昂，美国仅80年代用于军用自动测试系统的开支就超过510亿美元。
从80年代中期开始，美国军方就着手研制针对多种武器平台和系统，由可重用的公共测试资源组成的通用自动测试系统。
在美国，军种内部通用的系列化自动测试系统已经形成，主要有：
海军的综合自动支持系统（CASS）；陆军的集成测试设备系列（IFTE）；空军的电子战综合测试系统（JSECST）；海军陆战队的第三梯队测试系统（TETS）。
其中以洛克希德·马丁公司为主承包商的海军CASS系统最为成功。
CASS系统于1986年开始设计，1990年投入生产，主要用于武器系统的中间级维护。
CASS系列基本型称为混合型，能够覆盖各种武器的一般测试项目，ATE采用DEC工作站为主控计算机，由5个机柜组成，包括：
控制子系统，通用低频仪器、数字测试单元，通信接口，功率电源，开关组件等，如图2所示。
在混合型基础上，CASS针对特殊用途扩展又形成射频、通信/导航/应答识别型、光电型等各类系统。
美军海军陆战队委托MANTEC公司研制的TETS测试系统（图3）是用于武器系统现场维护的便携式通用自动测试系统，具有良好的机动能力，能够对各种模拟、数字和射频电路进行诊断测试。
该系统包括4个便携式加固机箱，2个VXI总线仪器机箱，1个可编程电源机箱及1个固定电源机箱，主控计算机为加固型军用便携机，运行Windows/NT操作系统。
图3TETS测试系统
在国内，自动测试系统技术亦有极大发展，正处于专用自动测试系统向通用自动测试系统的转变过程中。
在通用ATE技术方面，按照模块化、系列化、标准化的要求，基于VXI、PXI和GPIB总线的在一定范围通用的各类自动测试系统正陆续推出，通用ATE平台技术的研究也正在开展。
进一步开展测试系统的仪器互换性、TPS开发技术和基于测试信息共享的集成诊断技术的研究是十分必要的。
2自动测试设备（ATE）和测试程序集（TPS）
2.1自动测试设备（ATE）
实际上，自动测试系统从第一代到第二代、第三代，从专用型到通用型的发展的历史，就是其相应的自动测试设备（ATE）从第一代向第二代、第三代发展的过程。
在早期，TPS的开发过程不是独立的研制过程，TPS产品往往是由ATE制造商连同所生产的ATE产品一起提供，在这一时期，人们所指的“ATE系统”与自动测试系统具有相同的含义。
采用自动测试设备最直接的目的是将产品的测试过程自动化，基本做法是将实现产品测试所需的资源集成到一个统一的系统之中，测试过程由系统中的控制器（计算机）通过执行测试软件来控制，如图4所示。
ATE中，控制器与信号源、测量仪器及开关系统之间的连接采用非标准的接口总线时，则构成第一代专用型ATE。
若ATE中，控制器、信号源、测量仪器等之间的连接是通过程控仪器的通用接口总线GPIB来实现，构成第二代ATE系统。
控制器、测量仪器、程控电源和开关系统在电气上都是具有GPIB接口的台式智能仪器，它们在电气上是通过标准的GPIB电缆串接，而在机械上是各个独立的仪器在ATE机柜中累叠安放。
当ATE中的信号源、测量仪器、矩阵开关/多路转换器等设备为VXI（或PXI）总线模块，系统组建以VXI（或PXI）总线为基础时，则为第三代ATE系统。
在这类系统中，其核心的测量仪器、信号源、开关组件等被集成到一个或几个VXI（或PXI）总线机箱中，其控制器可以是嵌入式的，这时它是一个模块化的计算机，直接插入VXI（或PXI）总线机箱中。
它对仪器、设备的控制直接通过VXI（或PXI）总线进行，传输速度最高。
控制器也可以是外置的通用计算机，这时控制器对VXI仪器等设备的控制需经过外总线GPIB或MXI-2（多系统接口总线）等来实现。
其传输速率低于内嵌控制器，但具有更好的配置灵活性且升级方便。
图5中的控制器为外置式通用工业控制计算机或台式计算机，它通过多系统扩展接口总线MXI-2（Multi-systemeXtensionInterfacebus）来控制一个或多个VXI机箱所拥有的所有VXI模块，具体采用的硬件是：
在外置式计算机中插入一块PC-MXI卡，每个VXI机箱的0槽（机箱最左端位置）插入具有VXI-MXI接口功能的VXI模块，然后通过标准的MXI-2总线电缆连接起来。
控制器也可以采用嵌入式PC机，这时它以VXI总线模块的形式出现，需插入VXI机箱的0槽。
为了实现多VXI机箱配置，需在含嵌入式PC机的VXI机箱中插入一块VXI-MXI接口模块，以实现与其它VXI机箱的扩展连接。
采用嵌入式控制器的主要优点是获得最高的传输速率，因为它对VXI仪器的控制是直接通过VXI总线进行的，具有40Mbytes/s的传输速率，其缺点是控制器的价格较高并且升级不甚方便。
对于传输速度要求不高的场合，可采用GPIB总线连接多VXI机箱，这种配置方案成本最低，具有经济方面的优点，但传输速率小于1Mbytes/s。
采用IEEE1394串行总线来控制的VXI总线机箱已经成为较为流行的一种。
IEEE1394总线有着高达400Mbps的位速率，用它组建的实际测试系统可达到约15Mbytes/s的传输速率，远高于采用GPIB总线的方案的传输速率，是一种较为经济实用的VXI系统组建方案（图7）。
ATE的与外界的接口部分需遵循一定的接口标准。
为了使得多种类型的接口适配器都能方便地接到同一台ATE，图7采用IEEE1394的它们与ATE的电气、机械连接可采用ICA（InterfaceConnectorVXI总线系统
Assembly，接口连接器组件，在ATE上）和ITA（InterfaceTest
Adapter，接口测试适配器模块，在接口适配器上）配对，以“接卡”方式快速地接入或拆卸。
采用ICA/ITA连接时，被测对象通过接口适配器与ATE相连的情形如图8所示。
2.2ATE的类型
常见的ATE系统都属于下列6种自动测试系统的范畴：
●半导体产品及器件自动测试系统
●电路板自动测试系统
●功能自动测试系统
●采用替换对比方法的自动测试系统
●采用参考对比方法的自动测试系统
●基于通用ATE的自动测试系统
2.2.1半导体产品及器件自动测试系统
实例
一些ATE用来测试数字器件，包括超大规模集成电路（VLSI）、存储器芯片和微处理器。
另一些ATE则专门用来测试模拟器件、分立器件。
2.2.2电路板自动测试系统
用来自动检测印制电路板（PCB）的一些重要参数如连接、短路和开路等，测量并检验一些板上所装器件的功能和性能。
利用电路板ATE能检测出不合格的印制电路板本身或不合格的已组装了元、器件的印制电路板。
被测的电路板要放入ATE的“针床”（bed-of-nails）夹具中，该夹具有着大量的弹簧接入引脚（有时多达300片）能可靠地连接被测电路板所希望接入的一些点。
夹具的部分引脚连到ATE的激励源，而用于测量的仪器可连接到被测集成电路的每个引脚来完成所要求的测量。
这类ATE软件的设备库中包含着大量的元、器件特性信息，利用用户提供的关于每个器件的型号，它们在电路板上的位置，器件间连接的信息以及其它描述被测电路板特征的信息，可以在设备库中建立起对该被测电路板的“印象”并存储之。
该“印象”的实质就是在数据库中预先放置着该电路板在给定输入条件下，一些关键测量点的允许数值范围。
在测试过程中，ATE每次隔离一个器件，其控制器控制给电路板的指定输入引脚加上合适的信号，在相应的测量点测量得到实际输出值，然后将该值与所存储的允许数值范围做比较，再通过执行一定的分析和推理算法，来判断该电路板是否工作正常，在电路板故障时进一步确定待隔离的部件是否故障。
这种方法对定位短路、开路、故障器件、错误或遗漏的连线以及其间的安装错误等十分有用。
2.2.3功能自动测试系统
功能自动测试系统涵盖着从板级到系统级十分宽广的对象范围。
功能自动测试系统通过在被测对象（即UUT，可以是各种电路板、组件、系统等）的一些输入端加各种激励，然后测量UUT的响应来实现所要求的检测。
功能自动测试系统中常用存储响应（storedresponse）法和特征分析（signatureanalysis）法来检查UUT对特定激励的响应。
2.2.4采用替换对比方法的自动测试系统
整个最终产品作为整体系统被置于ATE系统中进行维修。
维修者将一个好的单元从产品系统中抽出而插入相应的同型的被测单元（UUT）。
测试信号被加到系统并测量、记录相应的响应信号。
如果这时系统测试结果为“通过”，则所插入的UUT被推定为“好”的。
以这种检测方法为基础的ATE比较经济。
这种ATE系统对故障隔离的支持很少，采用这种检测方法有可能会漏掉被测单元中的某些疑难故障。
这种检测方法可成功地应用于小批量生产环境。
2.2.5采用参考对比方法的自动测试系统
基本检测思路是将被测单元与一个同型号的已知为好的参考单元在同时运行中进行比较。
ATE同时施加同样的信号到这两个单元，然后比较在该两个单元的输出端或其它节点的响应。
这种方法是用工作正常的真实参考单元来代替对各种“标准响应信号”的存储。
参考对比方法是一种经济的检测UUT的方法，采用这种方法而组建的自动测试系统是基于如下前提：
如果被测单元与参考单元对各种激励信号均呈现同样的响应，则判定该被测单元是“好”的。
2.2.6采用通用ATE的自动测试系统
通用ATE的基本研制思路是使所研制的ATE对一大类或多类测试需求具有通用性。
可采取两个方面的综合策略：
一种为“纵向”综合，表现为对某一类产品生命周期的不同阶段（设计阶段、生产阶段和现场维护阶段）或对某些复杂装备（如飞机、导弹、舰船）的系统、子系统、部件的测试需求采用共同的硬件及软件测试结构或平台。
另一种通用ATE是对不同测试需求的“横向”综合，表现为对不同型号或不同时期生产的某些类别的复杂产品（如雷达、通信装备、飞行控制系统等）的测试需求用共同的测试平台或测试结构来满足。
无论哪一种综合策略，其通用性主要表现在：
1.采用一种核心的测试结构作为通用的基本系统，该基本系统是面向测试应用环境，而不是针对具体的工程要求而设计的；
2.系统拥有足够的激励、测量和开关资源，并具有良好的资源复用性，其主要资源应为货架产品；
3.系统应是可重构的（reconfigurable）、开放的和扩展容易的，为此，系统组建应该遵循国际通用的测试硬件及软件标准；
4.系统的接口设计应遵循一定的标准或按所拟定的通用规范进行，应为相应的测试程序集（TPS）开发提供接口规范和测试程序的开发工具。
按被测对象的信号或功能特征，可将通用ATE规定为覆盖以下几类ATE之一、之二或全部：
（1）数字ATE。
主要用来检测数字设备，数字组件、数字电路板一类被测对象；
（2）低频ATE。
主要用来检测信号频率在100kHz以下的各类设备、组件、电路板等；
（3）IF及RF系统ATE。
主要用来检测各类中频及射频设备及组件；
（4）微波ATE。
主要用来检测各类微波设备及组件；
（5）传递函数ATE。
主要用来检测被测设备、部件、器件的传递函数，评估其动态品质。
按被测对象在其产品生命周期中所处的阶段，可将ATE划分为：
（1）在产品开发阶段所使用的ATE。
在此阶段，被测对象尚在研制之中，其测试需求尚未最终确定。
GPATE应是采用标准测控总线的、开放式、模块化的，应用虚拟仪器技术的可重构的小型ATE系统，资源的配置以够用为原则。
重要的特征是系统的可重构性及编程的简易性。
（2）产品生产过程使用的ATE。
这类ATE用来完成在产品生产过程中从部件到系统的一系列的测试任务。
生产过程用的GPATE宜是一种具有层次结构（hierarchy）的ATE系统，分为：
（ⅰ）准手动测试设备。
这类ATE拥有足够的由计算机控制的激励资源和仪器模块，操作者用键盘、鼠标借助仪器软面板来控制。
这种系统适合用来检测正处于制造中的小批量生产的产品。
（ⅱ）小型ATE。
这类系统只需要采用少量的激励和测量仪器模块，适合用来检测部件、子单元及其相关的电路板。
（ⅲ）多功能ATE。
这类ATE用来从功能上检测像整个飞机、导弹这一类完整的大系统，也可以用来检测其中的某些重要的子系统和关键部件，并且拥有一定的故障诊断能力。
这类系统能够完成很宽范围的各种测试任务，其信号频率范围从直流到微波。
这类系统要求较多的激励及测量仪器模块，其中多数资源与在准手动测试设备和小型ATE中所使用的资源相同。
（ⅳ）分布式ATE。
这类ATE系统是将前述3类ATE连到一个中央控制系统，它可提供如下能力：
（a）趋势分析；
（b）诊断/仿真；
（c）集中完成文档编制和硬拷贝；
（d）程序制备；
（e）程序的批量存储。
（3）现场维护用ATE。
这类ATE面临的被测对象的数量巨大、品种繁多，通用自动测试设备（GPATE）最适合在现场维护中使用。
因为它包含了很宽范围的不同性能的ATE的服务功能，解决了不同ATE之间的兼容性问题。
由于不同类型的被测对象的ATE都采用同样的基本系统，使用相同的标准总线及模块化结构以及相同的软件结构和软件工具，借助GPATE的可重构性能力，能使一台ATE支持对各种不同UUT的检测。
场站维护用ATE应是基地维修用ATE的一个子集。
基地维修用ATE宜是工厂中使用的多功能ATE的一个子集，这样做能较好地解决从工厂制造到现场维护阶段的产品ATE的兼容问题。
2.2.7军用ATE研制中所采用的新策略
一是采用模块化、开放式通用结构，以综合通用的ATE代替单一功能的产品专用检测设备，实现资源共享；采用共同的测试策略，统一规划机载设备的设计、制造用和维修检测用测试设备（ATE）的研制，采用共同的硬件及软件平台，从设计过程开始，采用“增殖开发”的方式使后一阶段测试设备的研制能利用前一阶段的开发成果。
另外就是开发先进的LRU、SRU故障诊断技术，采用非介入式（non-intrusive）方法，如采用热象、电磁、X射线等检测手段；在诊断技术中应用人工智能（专家系统、综合诊断技术等）及多传感器融合技术。
大大提高了ATE对LRU的诊断正确率并且降低了对操作人员的素质要求。
2.3测试程序集（TPS）
测试程序集（TPS）是与被测对象（UUT）及其测试要求密切有关的硬件与软件的集合，
升级会员 