摘要：
      在總結自動測試系統發展現狀的基礎上，以目前國際上正在開展的下一代自動測試系統的研究為背景，分析了下一代自動測試系統的體系結構與標準，重點討論了下一代自動測試系統開發所涉及的并行測試技術、合成儀器技術、儀器可互換技術、TPS可移植與互操作技術、智能測試診斷技術及測試診斷信息的表達等關鍵技術，希望以此能促進我國下一代通用自動測試系統的研制與開發。
關鍵詞：自動測試系統，體系結構，關鍵技術；
1 引言
      隨著科學技術的飛速發展，航空航天設備、軍用武器系統等高技術產品的復雜程度日益提高，傳統的人工檢測維護手段已經無法滿足現代化裝備的支持保障要求，自動測試系統（ATS）正逐步成為復雜系統與設備可靠運行的必要保證。目前自動測試系統已經廣泛應用于從產品研制、生產、存儲到使用維護的各個環節，在航空、航天、國防、交通、能源等重要領域發揮著關鍵的支持保障作用。
      由于高技術復雜設備與系統往往可靠性要求高、使用壽命長、還可能需要不斷改型與升級，相應的測試系統設計、開發與維護的難度大、費用高昂。從上世紀八十年代中后期開始以美國為代表的西方主要發達國家就開始致力于自動測試系統的通用化，并逐步形成了軍用測試系統以軍種為單位的通用化標準系列。但目前通用自動測試系統依然存在應用范圍有限，開發和維護成本高，系統間缺乏互操作性，測試診斷新技術難以融入已有系統等諸多不足。從上世紀九十年代中后期開始在美國國防部自動測試系統執行局（DoD ATS EAO）的統一協調下，美國陸、海、空、海軍陸戰隊與工業界聯合開展命名為“NxTest”的下一代自動測試系統的研究工作，并于1996年提出了下一代自動測試系統的開放式體系結構[1]，同時進行了名為“敏捷快速全球作戰支持”（ARGCS）的演示驗證系統的開發工作[2]。本文以此為背景著重分析了下一代通用自動測試系統的體系結構及涉及的主要關鍵技術。
2 下一代自動測試系統的體系結構
   2.1 下一代自動測試系統的研制背景
     美國軍方從上世紀八十年代中期開始研制針對多種武器平臺和系統，由可重用公共測試資源組成的通用自動測試系統，并形成了四大標準測試系統系列（海軍的CASS、陸軍的IFTE、海軍陸戰隊的TETS和電子戰設備標準測試系統JSECST），但現有以軍種為單位的通用測試系統仍然存在以下不足：
（1）生命周期內使用、維護費用較高
       現有通用測試系統廣泛采用商業貨架產品（COTS），以CASS系統為例，其采用的商業成件總量超過85%，商業產品更新換代快（典型周期為5年），而武器系統的使用壽命往往超過二十年，隨著測試系統硬件的過時，系統的維護費用將不斷攀升。
（2）應用范圍有限、適應能力不足
       現有通用測試系統以各軍種為單位，針對不同的武器維護級別（現場、中間、基地），缺乏系統間的互操作性，無法適應現代多兵種聯合作戰對多武器系統、多級維護的需要。
（3）故障診斷的效率和準確性有待提高
       現有的自動測試程序中，診斷軟件是以預定義的故障字典或故障樹為依據的，被測對象的內置測試數據、維修人員的經驗、維修履歷資料、被測對象的設計知識等相關測試診斷信息與知識無法得到充分的利用，測試控制計算機強大的計算、存儲能力也遠未得到充分的發揮，不僅不能適應復雜故障的診斷需要，而且測試診斷的效率較低。
      針對現有通用自動測試系統的不足，特別是上世紀90年代初投入使用的CASS、IFTE等標準測試系統到2006年左右面臨升級換代，已不能適應新的武器裝備的維護保障需要。1996年美國國防部自動測試系統執行局召集陸、海、空軍、海軍陸戰隊及工業部門聯合開發新一代自動測試系統，其最終目的是：（1）顯著降低自動測試系統的維護和使用費用（2）通過提高測試系統的互操作能力，使最終用戶獲得最大限度的測試靈活性。(3)實現被測對象全壽命周期中各個階段測試診斷信息的共享和重用，提高測試診斷效率和準確性。
下一代自動測試系統研制將達到的主要目標包括[3]：
（1）改善測試系統儀器的互換性；
（2）提高測試系統配置的靈活性，滿足不同測試用戶需要；
（3）提高自動測試系統新技術的注入能力；
（4）改善測試程序集（TPS）的可移植性和互操作能力；
（5）實現基于模型的測試軟件開發；
（6）推動測試軟件開發環境的發展；
（7）確定便于驗證、核查的TPS性能指標；
（8）進一步擴大商用貨架產品在自動測試系統中的應用；
（9）綜合運用被測對象的設計和維護信息，提高測試診斷的有效性；
（10）促進基于知識的測試診斷軟件的開發；
（11）明確定義測試系統與集成診斷框架的接口，便于實現集成測試診斷。
2.2 下一代自動測試系統體系結構
      現有的自動測試系統大多是自成一體的封閉結構體系，主要表現在：（1）測試系統軟/硬件結構缺乏通用性和標準化，這樣不僅增加了使用和維護費用，而且降低了測試系統間的互操作性；（2）無法有效地與外部環境實現測試診斷信息的交互，阻礙了診斷信息的共享和重用，使得診斷效率和準確性低下。美國國防部自動測試系統執行局與工業界聯合成立了多個技術工作組分析了自動測試系統（包括：TPS 測試程序集、ATE自動測試設備）及UUT（被測對象）中影響測試系統互操作性和使用維護費用的24個關鍵接口，并以此為基礎建立了下一代自動測試系統開放式體系結構，[8]。目前24個關鍵接口中已有7個確定了相應的國際標準，其余17個接口的標準也在制定過程中。
       下一代自動測試系統體系結構首先是信息共享和交互的結構，能夠滿足測試系統內部各組件間、不同測試系統之間、測試系統與外部環境間信息的共享與無縫交互能力。該結構以VXI Plug&Play（VPP，即插即用）確定的“系統接口”和IEEE P1226（ABBET，A Broad-Based Environment for Test廣域測試環境）確定的“信息框架”為主體，其它關鍵接口均以上述兩個核心接口為基礎，如：診斷信息系統方面遵循IEEE P1232標準（AI-ESTATE，適用于所有測試環境的人工智能信息交換與服務），在構成分布式綜合測試診斷系統時，則遵循TCP/IP網絡傳輸協議。
3 下一代自動測試系統涉及的主要關鍵技術
       伴隨著測試診斷技術迅猛發展，下一代自動測試系統中將采用的主要關鍵技術包括：
●并行測試技術（Parallel Test）
       現有通用自動測試系統雖然能夠覆蓋多種被測對象的測試需求，但受測試接口容量和測試軟件運行模式的限制，大多沿用串行測試工作模式，不能同時對多臺（套）UUT進行測試，所以測試吞吐量并不比專用測試系統高，在強調測試保障效率的場合，現有的通用自動測試系統往往無法真正替代多臺專用測試系統的工作。
為提高測試吞吐量，在自動測試平臺上實現并行測試非常必要，目前并行測試主要包括軟/硬件實現兩種方式：
1．硬件實現：采用多通道同時并行模擬測試技術（Multiple Simultaneous Parallel Analog Test），代表產品如Teradyne公司的Ai7，在C尺寸單槽VXI模塊上同時集成了32路并行測試通道，而每個測試通道又可根據需要獨立地配置成數字萬用表、函數發生器、任意波形發生器、數字化儀、邏輯電平測試和計數器等6種不同的儀器，這樣就極大地提高測試系統的集成度和測試吞吐量，目前配置了三塊Ai7模塊的CASS升級系統已經能夠滿足原來專用測試系統才能實現的F/A18飛機的測試任務需要[1]。
2．軟件實現：在測試資源和信號接口容量滿足要求的前提下，NI公司的TestStand、TYX公司的TestBase等軟件采用多線程技術來實現測試資源的動態分配與優化調度，可以滿足多UUT并行測試需要。在現有測試系統的基礎上采用大容量的信號開關系統、大容量的信號接口和足夠的電源容量，改變軟件開發與運行模式來實現并行測試也是今后自動測試系統發展的一個熱點。
●合成儀器技術（Synthetic Instruments）
       傳統測試儀器往往是一些功能單一的專用儀器，隨著數字信號處理技術的日臻成熟，近年來出現了以軟件控制的、以功能組合方式實現的合成儀器技術，其基本做法是：以高速A/D、D/A和DSP芯片為基礎組成通用的測試儀器硬件系統，而測試/測量任務的實現以及系統升級完全依靠軟件來實現。合成儀器技術是測試測量技術的革命性進步，下一代自動測試系統中將大量采用合成儀器，目前美國海軍CASS測試系統升級過程中已將頻譜分析儀、射頻功率計、波形分析儀、時間/頻率測試儀和AC/DC電壓測量等七種儀器的功能由一個VXI總線合成儀器模塊來實現，而美國陸軍的IFTE、海軍陸戰隊的TETS系統也將進行相應的升級改造。合成儀器技術進一步推進了軟件就是儀器的虛擬儀器技術的發展。
●公共測試接口（Common Test Interface）
      測試系統接口的標準化和統一是TPS可移植和互操作的基礎，目前各類通用自動測試系統都定義了嚴格的機械、電氣標準的信號接口規范。為滿足下一代自動測試系統的研制需要，美國國防部正著手制定SATS[4]（Standard Automatic Test System，標準自動測試系統）硬件接口標準，該標準將實現測試系統內部VXI儀器前面板、功率模塊接口、開關矩陣模塊接口、信號接卡器與測試夾具等硬件接口的標準化。1999年RFI（Receiver Fixture Interface，接卡器與測試夾具接口）聯盟制定了測試系統信號接口標準IEEE P1505[5]，實現了信號接口裝置電氣和機械連接的標準化。
●先進測試軟件開發技術
（1）軟件體系結構與ABBET標準（廣域測試環境）
       從下一代自動測試系統體系結構的規劃可以看出，未來通用測試系統軟件體系結構將以IEEE制定的ABBET標準為基礎實現測試診斷信息的共享和重用。ABBET標準由IEEE P1226.3 ~12等一整套測試領域信息接口標準組成，覆蓋與測試信息相關的產品設計、生產到維護的各個環節[9]。采用ABBET標準將實現產品設計和測試維護信息的共享和重用，實現測試儀器的可互換、TPS的可移植與互操作，使集成診斷測試系統的開發更方便、快捷。ABBET標準定義了基于框架的模塊化測試軟件結構，支持軟件資源的重用。ABBET標準的核心思想是：將測試軟件合理分層配置，實現測試軟件與測試系統硬件、軟件運行平臺的無關性，滿足測試軟件可移植、重用與互操作的要求。
（2）儀器可互換技術與IVI（可互換虛擬儀器）系列規范
       為了降低開發成本、縮短研制周期，自動測試系統中大量采用商業貨架產品，而商用產品更新換代快，為了延長測試系統的使用壽命，儀器更換往往是不可避免的。另一方面，隨著通用測試系統應用范圍的擴大，為適應被測對象測試需求的變化，也要求測試儀器能夠方便地升級換代。由于儀器型號、種類和產生廠商的不同將給儀器更換帶來一系列兼容性問題，儀器可互換技術就是要最大限度地屏蔽儀器間差異，為用戶提供靈活的儀器互換機制。
       IVI規范作為美國國防部公布的下一代自動測試系統的關鍵技術，是實現真正意義的儀器可互換的關鍵。IVI-C、IVI-COM提供了同類儀器的互換機制，實現了同類儀器驅動器函數形式和參數的完全統一，使最終用戶不再被束縛于特定廠家的特定型號的儀器設備。1999年HP公司（現為Agilent公司）提出了IVI-MSS（IVI測量激勵子系統）規范，在儀器驅動與測試應用之間加入了中間層，形成針對特定應用的新的編程接口。而中間層又提供了插入特定代碼的位置，用來補償因儀器互換造成的測試結果的差異，這樣就實現了“魯棒性”的儀器互換機制，并能夠支持不同類儀器的互換及多儀器組合成互換，還可實現面向應用的復雜測試/激勵模型的重用。新的IVI-Signal Interface（IVI信號接口）規范[6]除提供魯棒性的儀器互換能力外，又規范了信號驅動器組件的定義，IVI信號接口與面向信號的組件庫ATLAS 2000相結合則構成未來通用測試軟件體系結構的基礎。
（3）TPS（測試程序集）可移植與互操作技術
      TPS可移植和互操作技術是實現測試軟件可重用，擴大測試系統的應用范圍，提高開發效率和降低測試開發成本的關鍵。
實現測試軟件可移植與互操作的兩個基本條件是：
1）測試系統信號接口的標準化
2）測試程序與具體測試資源硬件的無關
測試軟件從結構上可分為：面向儀器、面向應用和面向信號三種形式，而面向信號的開發是測試軟件互操作的前提。面向信號的開發使測試需求反映為針對UUT端口的測量/激勵信號要求，TPS中不包含任何針對真實物理資源的控制操作。當測試資源模型也是圍繞“信號”而建立時，則只要通過建立虛擬信號資源向真實信號資源的映射機制，就可以實現TPS在不同配置的測試系統上運行。目前軍用和航空測試領域廣泛采用面向信號的ATLAS語言進行測試開發，而隨著面向信號的組件庫ATLAS 2000的制定，最終用戶的測試開發語言將不再局限于ATLAS語言。
（4）AI-ESTATE標準（適用于所有測試環境的人工智能信息交換與服務）與ATML（自動測試標注語言）
      隨著被測對象的日益復雜，以數據處理為基礎的傳統測試診斷制方法已經無法適應復雜設備的維護需要，應用以知識處理為基礎的人工智能技術將是自動測試系統發展的必然趨勢，IEEE制定AI-ESTATE標準的目的正是為了規范智能測試診斷系統的知識表達與服務，確保診斷推理系統相互兼容且獨立于測試過程，測試診斷知識可移植和重用[7]。在美國軍方的資助下，Hamilton軟件公司已于1999年開始研制基于AI-ESTATE標準的智能診斷測試軟件，并初步實現了在分布環境下的機載武器系統板級智能診斷測試[10]。
      正在制定的ATML標準[11]是XML（可擴展標注語言）的一個子集，采用ATML表達測試診斷信息，將實現分布開放環境中測試診斷信息的無縫交互。ATML繼承了XML適用于多種運行環境，便于與各種編程語言交互的優點，是目前最適合描述AI-ESTATE標準定義的各種測試診斷知識模型的語言。采用ATML表示測試診斷知識，將實現測試診斷知識與測試過程的分離，便于測試診斷知識的共享和可移植。而在測試執行過程中，還可以根據測試診斷知識來動態地調度測試運行步驟，實現更有效的故障定位，從而縮短診斷排故時間。
4 結束語
      鑒于目前國內軍用自動測試系統的開發尚無統一的規劃和標準，以武器系統的研制方為主進行分散開發，已經無法適應現代化戰爭環境對武器裝備支持保障的要求，為全面發展我國的自動測試系統技術，縮小與國際先進水平的差距，跟蹤和借鑒國際自動測試系統的發展方向，深入開展下一代自動測試系統所涉及的關鍵技術的研究是十分必要的。作者：于勁松, 李行善
參考文獻：
[1] William A. Ross. The Impact of Next Generation Test Technology on Aviation Maintenance [A]. IEEE AUTOTESTCON [C]. 2003: 2－9.
[2] Bill Ross. ARGCS Update, 21 September 2003. http://proceedings.ndia.org/311C/
[3] Bill Ross. NxTest: DoD Nest Step in Automatic Testing, 10 March 1999. http://www.acq.osd.mil.
[4] M.J.Stora. Standard automatic test system (SATS) hardware interface standards for SATS frameworks, VXI instrument front panels, power module interface, augmentation module interface, receiver fixture interface, pin map configuration [A] IEEE AUTOTESTCON [C]. 1998: 627－638.
[5] M.J.Stora. IEEE P1505 receiver fixture interface(RFI) system standard update 6.0 [A]. IEEE AUTOTESTCON [C]. 1999: 27－33.
[6] Narayanan Ramachandran, Roger P.Oblad. The role of a signal interface in supporting instrument interchangeability [A]. IEEE AUTOTESTCON [C]. 2000: 403-416.
[7] IEEE Std 1232-1995, IEEE Trial-Use Standard for Artificial Intelligence and Expert System Tie to Automatic Test Equipment (AI-ESTATE): Overview and Architecture, 1995.
[8] Bill Ross. DoD Automatic Test Systems Strategy Refresh. IEEE AUTOTESTCON [C]. 2004: Plenary session presentation. http://www.acq.osd.mil/ats.
[9] IEEE Standard 1226-1998, IEEE Trial-Use Standard for A Broad Based Environment for Test (ABBET), Overview and Architecture, 1998.
[10] Amanda Jane Giarla. Implementing AI-ESTATE in a component based architecture phase-Ⅰ[A]. IEEE AUTOTESTCON [C]. 1999: 438¬—449.
[11] Requirements Document for Automatic Test Markup Language Diagnostic Schemata Specification. Draft 0.1 March 10, 2004. http://atml.org/project.htm.