設計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產品的質量和可靠性，從設計驗證，生產線測試到設備維修診斷，從簡單的通過／失敗測試應用，到執(zhí)行全套的產品特性測試，都離不開自動化測試系統(tǒng)的設計與構建。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隊所面臨的挑戰(zhàn)，通過構建以軟件為核心的模塊化系統(tǒng)架構幫助工程師們以創(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)面臨的設計挑戰(zhàn)

隨著客戶需求的不斷提高和產品的日新月異，測試工程師們正面臨著前所未有的設計壓力，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變得越來越高。可自定義的系統(tǒng)需求包括為了適應復雜測試需求的系統(tǒng)配置的可自定義性，為了實現(xiàn)特定分析要求的數據處理的可自定義性，以及為了實現(xiàn)更好人機交互體驗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)擁有更大的控制權和定制權，這不僅體現(xiàn)在硬件系統(tǒng)配置上，更體現(xiàn)在對于原始測量數據的獲取和分析上。

2 復雜系統(tǒng)的模塊化解決之道

如今的產品設計變得日益復雜，層出不窮的標準（如射頻標準）更是煩擾著測試工程師們。測試系統(tǒng)為了達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，就是將復雜的測試系統(tǒng)簡化成模塊化的硬件和軟件去逐一實現(xiàn)，需要增加測試項目時只需增加相應的功能模塊即可滿足未來的升級需求。被認為是最保守客戶之一的美國國防部也在2002年向國會提交的報告中強調下一代測試系統(tǒng)（NxTest）必須是基于現(xiàn)成可用商業(yè)技術（COTS）的模塊化的軟硬件，以便于設備的互換和升級。

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：可擴展至多種應用、業(yè)務部門，以及產品研發(fā)和生產的各個階段。

● 高性能的架構：可以顯著提高系統(tǒng)的吞吐量和測試質量，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成本，同時提高設備的利用率。

● 更長的系統(tǒng)壽命：基于廣泛采納的工業(yè)標準，允許技術升級來改進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

應對上述挑戰(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，使得工程師們能夠從原始的測量數據中獲取自定義的結果。

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，同樣一塊數字化儀可以實現(xiàn)示波器、頻譜分析儀和視頻分析儀等不同的功能；通過軟件來實現(xiàn)自定義的數據分析，例如，基于模塊化的RF硬件通過設計不同的調制解調方式就可以滿足最新射頻標準的測試需求；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“測試結果”的呈現(xiàn)，模塊化的儀器技術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據的傳輸，一旦獲取了原始數據，就能發(fā)揮軟件的強大功能，獲取準確而可靠的測試結果。

具體而言，一個細化的以軟件為核心的模塊化測試系統(tǒng)架構可以如圖1所示?；谶@樣架構設計的自動化測試系統(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。該架構共分為系統(tǒng)管理軟件、應用開發(fā)軟件、系統(tǒng)服務和驅動、處理總線平臺以及儀器和設備I/O五個層次，下面將逐一介紹各層次的功能和特點。

圖1 以軟件為核心的模塊化測試系統(tǒng)架構

結構層次五：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)，有些測試任務會根據待測設備（DUT）的不同而不同，如儀器的配置、結果的分析等；而有些對于所有的待測設備則是通用的，如測試流程的管理、測試報告的生成等。為了提升測試效率和降低軟件維護的成本，將DUT級別的任務與系統(tǒng)級別的任務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、集成報告生成和數據庫管理功能以及建立不同級別用戶的人機界面，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。

為了達到生產效率的最大化，工程團隊應該利用商業(yè)可用的測試管理軟件，例如NI TestStand軟件等，來快速構建可擴展的測試框架和進行系統(tǒng)管理。TestStand作為行業(yè)領先的測試管理軟件，不僅可以調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，而且內建的并行和自動協(xié)調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。

結構層次四：應用開發(fā)軟件

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

隨著軟件在系統(tǒng)實現(xiàn)中重要性的不斷提高，開發(fā)者會花費大部分的時間在應用程序的開發(fā)上。因此，一個應用開發(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用開發(fā)軟件時所必須要考慮的：

● 功能強大，且兼?zhèn)湟子眯院挽`活性

● 與系統(tǒng)服務和驅動的良好集成性

● 集成強大的數據分析和再現(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據流的編程模式，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用程序開發(fā)工具，配合無縫連接的NI設備驅動和內建強大的信號處理算法，用戶可以從儀器I/O獲取原始的測量數據，通過應用分析函數獲取準確的測量結果。同樣，對于習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。

結構層次三：系統(tǒng)服務和驅動

系統(tǒng)服務和驅動層是連接軟件開發(fā)環(huán)境和硬件設備的紐帶。除了起到設備驅動的作用，應該有更多關于硬件配置管理、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)服務和驅動層的原因。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備的正常運作，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)服務和驅動包括NI-DAQ、虛擬儀器軟件架構(VISA)、NI LabVIEW即插即用驅動、可互換虛擬儀器(IVI)驅動等，它們都提供了模塊化的硬件接口，幫助用戶進行測試的配置和編程。

系統(tǒng)服務和驅動還通過應用編程接口（API）提供了對應用開發(fā)軟件層的集成，這樣開發(fā)者可以很容易的實現(xiàn)設備的編程。實際上，硬件驅動程序、應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，減少維護成本。

圖2 系統(tǒng)服務和驅動層連接了ADE和硬件設備

結構層次二：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（見圖3）。可見，為了發(fā)揮不同總線的優(yōu)勢，達到系統(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)界最好的數據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。

結構層次一：儀器和設備I/O

作為系統(tǒng)架構的最底層，儀器和設備I/O層將直接接觸到實際的物理信號，完成信號調理、A/D和D/A轉換等信號數字化的工作。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，用戶可以進行完全自定義的測量，并根據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展性，配合軟件的強大能動作用，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在內的眾多知名公司，產品覆蓋從數字化儀、信號發(fā)生、RF、電源到開關模塊等各種I/O模塊。

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

基于模塊化的軟件架構和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利用和對特定測試任務的需求。像ni.com/idnet上提供的超過5000種的儀器驅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)就是要改善可擴展性和靈活性，同時要滿足測試設備數量的隨時擴展。同時，他們還要兼容最新的調制解調方式和擴展至更高的頻段（目前的Falcon II為512MHz，未來的Falcon III要高達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和他的團隊決心采用模塊化的測試系統(tǒng)架構來構建他們的測試系統(tǒng)。軟件策略上，基于NI的TestStand測試管理軟件和LabVIEW應用開發(fā)軟件，他們設計了標準的軟件架構，很好的實現(xiàn)了資源分配、儀器鎖定以及并行自動協(xié)調測試等功能，不僅保證了已有的軟件投資，更為未來的擴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展性的PXI平臺作為核心系統(tǒng)，集成了NI的數字化儀、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功率計等，并可滿足對USB和LXI儀器的擴展需求。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/接收機的測試任務，并大幅降低了測試成本和滿足了可擴展的需求。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)架構圖及產品圖片

不只是Harris公司，更多行業(yè)內的公司都已經采用了以軟件為核心的模塊化的測試系統(tǒng)架構，證明了這種架構策略對于他們投資的回報。例如，微軟公司基于NI LabVIEW和PXI模塊化儀器，為Xbox 360控制器設計的測試系統(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產品構建了FDA認可的藥品設備測試系統(tǒng)，超出了他們每周測試 83 000臺設備的要求，達到他們產量要求的195% ……這樣的自動化測試成功案例可謂是數不勝數。