設(shè)計(jì)下一代自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)

測(cè)試管理人員和工程師們?yōu)榱吮ＷC產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性，從設(shè)計(jì)驗(yàn)證，生產(chǎn)線測(cè)試到設(shè)備維修診斷，從簡(jiǎn)單的通過(guò)／失敗測(cè)試應(yīng)用，到執(zhí)行全套的產(chǎn)品特性測(cè)試，都離不開(kāi)自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與構(gòu)建。本文要討論的下一代自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)正是基于測(cè)試測(cè)量行業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)和工程師團(tuán)隊(duì)所面臨的挑戰(zhàn)，通過(guò)構(gòu)建以軟件為核心的模塊化系統(tǒng)架構(gòu)幫助工程師們以創(chuàng)新的思維提高測(cè)試效率，滿足用戶自定義的需求。

自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)面臨的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

隨著客戶需求的不斷提高和產(chǎn)品的日新月異，測(cè)試工程師們正面臨著前所未有的設(shè)計(jì)壓力，概括來(lái)看，測(cè)試測(cè)量行業(yè)正呈現(xiàn)著以下兩大發(fā)展趨勢(shì)。

1 可自定義的系統(tǒng)需求

現(xiàn)在的客戶對(duì)于測(cè)試系統(tǒng)的靈活性和可定制性的要求已經(jīng)變得越來(lái)越高?？勺远x的系統(tǒng)需求包括為了適應(yīng)復(fù)雜測(cè)試需求的系統(tǒng)配置的可自定義性，為了實(shí)現(xiàn)特定分析要求的數(shù)據(jù)處理的可自定義性，以及為了實(shí)現(xiàn)更好人機(jī)交互體驗(yàn)的用戶界面的可自定義性等。總而言之，用戶需要對(duì)測(cè)試系統(tǒng)擁有更大的控制權(quán)和定制權(quán)，這不僅體現(xiàn)在硬件系統(tǒng)配置上，更體現(xiàn)在對(duì)于原始測(cè)量數(shù)據(jù)的獲取和分析上。

2 復(fù)雜系統(tǒng)的模塊化解決之道

如今的產(chǎn)品設(shè)計(jì)變得日益復(fù)雜，層出不窮的標(biāo)準(zhǔn)（如射頻標(biāo)準(zhǔn)）更是煩擾著測(cè)試工程師們。測(cè)試系統(tǒng)為了達(dá)到更好的靈活性和可升級(jí)性，正逐漸朝著模塊化、小體積的方向發(fā)展，就是將復(fù)雜的測(cè)試系統(tǒng)簡(jiǎn)化成模塊化的硬件和軟件去逐一實(shí)現(xiàn)，需要增加測(cè)試項(xiàng)目時(shí)只需增加相應(yīng)的功能模塊即可滿足未來(lái)的升級(jí)需求。被認(rèn)為是最保守客戶之一的美國(guó)國(guó)防部也在2002年向國(guó)會(huì)提交的報(bào)告中強(qiáng)調(diào)下一代測(cè)試系統(tǒng)（NxTest）必須是基于現(xiàn)成可用商業(yè)技術(shù)（COTS）的模塊化的軟硬件，以便于設(shè)備的互換和升級(jí)。

在發(fā)展的大趨勢(shì)下，廣大測(cè)試工程師對(duì)下一代自動(dòng)化測(cè)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(kuò)展至多種應(yīng)用、業(yè)務(wù)部門，以及產(chǎn)品研發(fā)和生產(chǎn)的各個(gè)階段。

● 高性能的架構(gòu)：可以顯著提高系統(tǒng)的吞吐量和測(cè)試質(zhì)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(hù)成本，同時(shí)提高設(shè)備的利用率。

● 更長(zhǎng)的系統(tǒng)壽命：基于廣泛采納的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，允許技術(shù)升級(jí)來(lái)改進(jìn)性能并滿足將來(lái)的測(cè)試需求。

解決方案：以軟件為核心的模塊化系統(tǒng)架構(gòu)

應(yīng)對(duì)上述挑戰(zhàn)的最好的方式就是有一個(gè)系統(tǒng)的解決方案：一個(gè)以軟件為核心的模塊化的系統(tǒng)架構(gòu)，使得工程師們能夠從原始的測(cè)量數(shù)據(jù)中獲取自定義的結(jié)果。

通過(guò)突出軟件的核心地位，可以滿足用戶對(duì)自定義的系統(tǒng)需求，通過(guò)軟件來(lái)定義模塊化硬件的功能，同樣一塊數(shù)字化儀可以實(shí)現(xiàn)示波器、頻譜分析儀和視頻分析儀等不同的功能；通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)自定義的數(shù)據(jù)分析，例如，基于模塊化的RF硬件通過(guò)設(shè)計(jì)不同的調(diào)制解調(diào)方式就可以滿足最新射頻標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試需求；通過(guò)軟件還可以創(chuàng)建自定義的用戶界面，確保人機(jī)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(cè)試結(jié)果”的呈現(xiàn)，模塊化的儀器技術(shù)能夠賦予用戶更多自定義的測(cè)量功能，基于商業(yè)的高速總線確保了大量原始數(shù)據(jù)的傳輸，一旦獲取了原始數(shù)據(jù)，就能發(fā)揮軟件的強(qiáng)大功能，獲取準(zhǔn)確而可靠的測(cè)試結(jié)果。

具體而言，一個(gè)細(xì)化的以軟件為核心的模塊化測(cè)試系統(tǒng)架構(gòu)可以如圖1所示?；谶@樣架構(gòu)設(shè)計(jì)的自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)，可以滿足用戶對(duì)靈活性、高性能、低成本和長(zhǎng)期使用性等一系列的需求。該架構(gòu)共分為系統(tǒng)管理軟件、應(yīng)用開(kāi)發(fā)軟件、系統(tǒng)服務(wù)和驅(qū)動(dòng)、處理總線平臺(tái)以及儀器和設(shè)備I/O五個(gè)層次，下面將逐一介紹各層次的功能和特點(diǎn)。

圖1 以軟件為核心的模塊化測(cè)試系統(tǒng)架構(gòu)

結(jié)構(gòu)層次五：系統(tǒng)管理軟件

讓我們先來(lái)看一下作為模塊化測(cè)試軟件架構(gòu)最高層的系統(tǒng)管理軟件層。

對(duì)于一個(gè)自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)，有些測(cè)試任務(wù)會(huì)根據(jù)待測(cè)設(shè)備（DUT）的不同而不同，如儀器的配置、結(jié)果的分析等；而有些對(duì)于所有的待測(cè)設(shè)備則是通用的，如測(cè)試流程的管理、測(cè)試報(bào)告的生成等。為了提升測(cè)試效率和降低軟件維護(hù)的成本，將DUT級(jí)別的任務(wù)與系統(tǒng)級(jí)別的任務(wù)相分離的測(cè)試策略顯得尤為重要。通過(guò)快速創(chuàng)建測(cè)試流程、集成報(bào)告生成和數(shù)據(jù)庫(kù)管理功能以及建立不同級(jí)別用戶的人機(jī)界面，測(cè)試管理軟件能夠幫助工程師大幅縮短軟件開(kāi)發(fā)時(shí)間，并可以在整個(gè)開(kāi)發(fā)周期中迅速地重用、修改和維護(hù)測(cè)試程序（或者模塊）來(lái)滿足從DUT測(cè)試到整個(gè)ATE系統(tǒng)測(cè)試等不同的需求。

為了達(dá)到生產(chǎn)效率的最大化，工程團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)該利用商業(yè)可用的測(cè)試管理軟件，例如NI TestStand軟件等，來(lái)快速構(gòu)建可擴(kuò)展的測(cè)試框架和進(jìn)行系統(tǒng)管理。TestStand作為行業(yè)領(lǐng)先的測(cè)試管理軟件，不僅可以調(diào)用多種語(yǔ)言編寫(xiě)的測(cè)試模塊，擁有豐富的測(cè)試流程配置功能，而且內(nèi)建的并行和自動(dòng)協(xié)調(diào)測(cè)試工具可以幫助用戶大幅提升測(cè)試效率，增加系統(tǒng)的吞吐率。

結(jié)構(gòu)層次四：應(yīng)用開(kāi)發(fā)軟件

應(yīng)用開(kāi)發(fā)軟件（ADE）在測(cè)試軟件架構(gòu)中扮演著很關(guān)鍵的承上啟下的作用。系統(tǒng)開(kāi)發(fā)者在進(jìn)行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與組合時(shí)，需要借助ADE實(shí)現(xiàn)具體的測(cè)量應(yīng)用程序、向最終用戶顯示必要的信息以及連接其他應(yīng)用程序等多項(xiàng)功能；同時(shí)ADE需要與系統(tǒng)服務(wù)和驅(qū)動(dòng)層緊密集成，而系統(tǒng)服務(wù)和驅(qū)動(dòng)則與最終的I/O設(shè)備連接。不僅如此，用于開(kāi)發(fā)測(cè)量和自動(dòng)化應(yīng)用的ADE，需要為各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域提供易于使用的設(shè)計(jì)模型、編譯性能和應(yīng)用層的編程靈活性。

隨著軟件在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中重要性的不斷提高，開(kāi)發(fā)者會(huì)花費(fèi)大部分的時(shí)間在應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)上。因此，一個(gè)應(yīng)用開(kāi)發(fā)軟件的好壞直接影響著整個(gè)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的成功與否，下面列出的因素都是選擇應(yīng)用開(kāi)發(fā)軟件時(shí)所必須要考慮的：

● 功能強(qiáng)大，且兼?zhèn)湟子眯院挽`活性

● 與系統(tǒng)服務(wù)和驅(qū)動(dòng)的良好集成性

● 集成強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析和再現(xiàn)功能

● 廣受業(yè)界采用，具有長(zhǎng)生命周期的主流軟件

基于工程師所熟悉的數(shù)據(jù)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(cè)試測(cè)量應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)工具，配合無(wú)縫連接的NI設(shè)備驅(qū)動(dòng)和內(nèi)建強(qiáng)大的信號(hào)處理算法，用戶可以從儀器I/O獲取原始的測(cè)量數(shù)據(jù)，通過(guò)應(yīng)用分析函數(shù)獲取準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果。同樣，對(duì)于習(xí)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(cuò)的選擇。

結(jié)構(gòu)層次三：系統(tǒng)服務(wù)和驅(qū)動(dòng)

系統(tǒng)服務(wù)和驅(qū)動(dòng)層是連接軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境和硬件設(shè)備的紐帶。除了起到設(shè)備驅(qū)動(dòng)的作用，應(yīng)該有更多關(guān)于硬件配置管理、診斷測(cè)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(wù)和驅(qū)動(dòng)層的原因。例如，NI Measurement and Automation Explorer(MAX) 軟件可以幫助開(kāi)發(fā)者對(duì)所有的NI硬件和眾多傳統(tǒng)儀器（通過(guò)總線相連）進(jìn)行統(tǒng)一的自動(dòng)檢測(cè)和配置，其集成的診斷測(cè)試功能保證了設(shè)備的正常運(yùn)作，而測(cè)試面板為開(kāi)發(fā)者在開(kāi)始編程前檢查硬件的功能提供了快捷的方法。

常見(jiàn)的系統(tǒng)服務(wù)和驅(qū)動(dòng)包括NI-DAQ、虛擬儀器軟件架構(gòu)(VISA)、NI LabVIEW即插即用驅(qū)動(dòng)、可互換虛擬儀器(IVI)驅(qū)動(dòng)等，它們都提供了模塊化的硬件接口，幫助用戶進(jìn)行測(cè)試的配置和編程。

系統(tǒng)服務(wù)和驅(qū)動(dòng)還通過(guò)應(yīng)用編程接口（API）提供了對(duì)應(yīng)用開(kāi)發(fā)軟件層的集成，這樣開(kāi)發(fā)者可以很容易的實(shí)現(xiàn)設(shè)備的編程。實(shí)際上，硬件驅(qū)動(dòng)程序、應(yīng)用編程接口和配置管理器等都必須無(wú)縫的集成到ADE中，從而使得性能最大化，提高開(kāi)發(fā)效率，減少維護(hù)成本。

圖2 系統(tǒng)服務(wù)和驅(qū)動(dòng)層連接了ADE和硬件設(shè)備

結(jié)構(gòu)層次二：處理總線平臺(tái)

談到總線平臺(tái)，往往會(huì)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(cè)試應(yīng)用，例如，GPIB總線目前還是最常見(jiàn)的臺(tái)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(yīng)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(biāo)（見(jiàn)圖3）?？梢?jiàn)，為了發(fā)揮不同總線的優(yōu)勢(shì)，達(dá)到系統(tǒng)性能的最優(yōu)化，未來(lái)的測(cè)試系統(tǒng)會(huì)是一個(gè)混合總線的測(cè)試系統(tǒng)。

作為一個(gè)開(kāi)放的、基于PC的測(cè)試測(cè)量和控制平臺(tái)，PXI和PXI Express提供了業(yè)界最好的數(shù)據(jù)帶寬性能和背板集成的定時(shí)和同步功能，它同時(shí)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(cè)試平臺(tái)的核心，更是成為了全世界成千上萬(wàn)家公司首選的自動(dòng)化測(cè)試平臺(tái)。

結(jié)構(gòu)層次一：儀器和設(shè)備I/O

作為系統(tǒng)架構(gòu)的最底層，儀器和設(shè)備I/O層將直接接觸到實(shí)際的物理信號(hào)，完成信號(hào)調(diào)理、A/D和D/A轉(zhuǎn)換等信號(hào)數(shù)字化的工作。由于我們?cè)谔幚砜偩€平臺(tái)層提到下一代的測(cè)試系統(tǒng)將會(huì)是一個(gè)混合總線的測(cè)試系統(tǒng)，因此儀器和設(shè)備I/O層也會(huì)分為模塊化的I/O和外部?jī)x器控制兩個(gè)部分來(lái)介紹。

模塊化的I/O主要是基于PXI和PXI Express總線的儀器，通過(guò)軟件定義模塊化測(cè)量硬件的功能，用戶可以進(jìn)行完全自定義的測(cè)量，并根據(jù)測(cè)試需求的改變而隨時(shí)更新測(cè)試系統(tǒng)。模塊化儀器提供的靈活性、用戶自定義性與可擴(kuò)展性，配合軟件的強(qiáng)大能動(dòng)作用，體現(xiàn)出了傳統(tǒng)儀器所無(wú)法比擬的巨大優(yōu)勢(shì)?，F(xiàn)在，有超過(guò)70家的PXI系統(tǒng)聯(lián)盟（PXISA）的成員提供超過(guò)1500種的PXI模塊化儀器，其中包括Agilent、Rhode Schwarz、Keithley和NI在內(nèi)的眾多知名公司，產(chǎn)品覆蓋從數(shù)字化儀、信號(hào)發(fā)生、RF、電源到開(kāi)關(guān)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(jù)明顯的優(yōu)勢(shì)

基于模塊化的軟件架構(gòu)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(duì)原有投資的重復(fù)利用和對(duì)特定測(cè)試任務(wù)的需求。像ni.com/idnet上提供的超過(guò)5000種的儀器驅(qū)動(dòng)下載更可以幫助用戶快速高效的將傳統(tǒng)測(cè)試儀器集成到現(xiàn)有的系統(tǒng)中。

案例分析：數(shù)字戰(zhàn)場(chǎng)上的RF測(cè)試系統(tǒng)―Harris RF Communications

國(guó)際著名的通信和信息科技公司Harris需要開(kāi)發(fā)一套下一代的RF測(cè)試系統(tǒng)，這套系統(tǒng)用于Falcon II系列數(shù)字戰(zhàn)場(chǎng)通信系統(tǒng)（包括基站、車載和手持式）的測(cè)試。測(cè)試系統(tǒng)面臨的最大挑戰(zhàn)就是要改善可擴(kuò)展性和靈活性，同時(shí)要滿足測(cè)試設(shè)備數(shù)量的隨時(shí)擴(kuò)展。同時(shí)，他們還要兼容最新的調(diào)制解調(diào)方式和擴(kuò)展至更高的頻段（目前的Falcon II為512MHz，未來(lái)的Falcon III要高達(dá)2GHz）。更重要的是，他們需要開(kāi)發(fā)一個(gè)小體積、低成本的測(cè)試系統(tǒng)以替換原有陳舊的儀器，同時(shí)要保存他們10年來(lái)在軟件開(kāi)發(fā)上的投資。

面對(duì)如此高的需求，作為測(cè)試工程師的John Gmitter和他的團(tuán)隊(duì)決心采用模塊化的測(cè)試系統(tǒng)架構(gòu)來(lái)構(gòu)建他們的測(cè)試系統(tǒng)。軟件策略上，基于NI的TestStand測(cè)試管理軟件和LabVIEW應(yīng)用開(kāi)發(fā)軟件，他們?cè)O(shè)計(jì)了標(biāo)準(zhǔn)的軟件架構(gòu)，很好的實(shí)現(xiàn)了資源分配、儀器鎖定以及并行自動(dòng)協(xié)調(diào)測(cè)試等功能，不僅保證了已有的軟件投資，更為未來(lái)的擴(kuò)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(kuò)展性的PXI平臺(tái)作為核心系統(tǒng)，集成了NI的數(shù)字化儀、音頻分析儀、矢量信號(hào)分析儀等以及Aeroflex的信號(hào)發(fā)生器、Pickering的開(kāi)關(guān)模塊等PXI模塊。同時(shí)該系統(tǒng)很好的兼容了傳統(tǒng)的GPIB儀器，如Agilent的信號(hào)分析儀和Anritsu的RF功率計(jì)等，并可滿足對(duì)USB和LXI儀器的擴(kuò)展需求。這樣的一個(gè)系統(tǒng)可謂是典型的集百家之長(zhǎng)的混合測(cè)試系統(tǒng)，并通過(guò)模塊化的軟件架構(gòu)配置和管理整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)。

Harris開(kāi)發(fā)的這套R(shí)F測(cè)試系統(tǒng)很好地完成了對(duì)RF發(fā)送機(jī)/接收機(jī)的測(cè)試任務(wù)，并大幅降低了測(cè)試成本和滿足了可擴(kuò)展的需求。作為主要開(kāi)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(cè)試工程師的殊榮（http://www.tmworld.com/article/CA6418015.html）。

圖4 Harris RF測(cè)試系統(tǒng)架構(gòu)圖及產(chǎn)品圖片

不只是Harris公司，更多行業(yè)內(nèi)的公司都已經(jīng)采用了以軟件為核心的模塊化的測(cè)試系統(tǒng)架構(gòu)，證明了這種架構(gòu)策略對(duì)于他們投資的回報(bào)。例如，微軟公司基于NI LabVIEW和PXI模塊化儀器，為Xbox 360控制器設(shè)計(jì)的測(cè)試系統(tǒng)的速度是前一代測(cè)試系統(tǒng)的兩倍。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(cè)試系統(tǒng)，超出了他們每周測(cè)試 83 000臺(tái)設(shè)備的要求，達(dá)到他們產(chǎn)量要求的195% ……這樣的自動(dòng)化測(cè)試成功案例可謂是數(shù)不勝數(shù)。