以軟件為核心的測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如今，伴隨著新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)和各行業(yè)新需求的不斷增加，更多差異化產(chǎn)品投放市場的步伐也在不斷加快，這些產(chǎn)品不但集成了更多功能，而且還必須縮減開發(fā)周期，以便在與同類產(chǎn)品的競爭中獲得優(yōu)勢。與此同時(shí)，各企業(yè)也都面臨著更加嚴(yán)峻的成本控制要求，并且對于測試速度的要求也變得更高。這些都需要快速開發(fā)高效、靈活的測試系統(tǒng)。

以軟件為核心的模塊化系統(tǒng)架構(gòu)，是針對上述測試挑戰(zhàn)的一種創(chuàng)新型解決方案。測試工程師可以利用簡單易用，結(jié)構(gòu)清晰的軟件工具和靈活的模塊化硬件，來創(chuàng)建完全用戶定義的測試系統(tǒng)。作為在測試測量領(lǐng)域具有三十多年經(jīng)驗(yàn)的專業(yè)公司，NI公司為世界各地用戶構(gòu)建自動(dòng)化系統(tǒng)，提供了高效的平臺(tái)和工具。設(shè)計(jì)涉及電子產(chǎn)品、半導(dǎo)體、汽車、國防與航空航天等行業(yè)，并積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。

本文將從模塊化的硬件平臺(tái)和提高開發(fā)效率的軟件工具兩個(gè)方面，來詳細(xì)探討如何構(gòu)建一個(gè)以軟件為核心的模塊化測試系統(tǒng)。

模塊化硬件I/O

如今產(chǎn)品設(shè)計(jì)正變得日益復(fù)雜。層出不窮的新標(biāo)準(zhǔn)、新協(xié)議(比如：射頻通信協(xié)議)，更是為測試工作帶來了很多新的挑戰(zhàn)。因此，測試系統(tǒng)為了達(dá)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，也就是將復(fù)雜的測試系統(tǒng)簡化成模塊化的硬件I/O來逐一實(shí)現(xiàn)：在需要增加測試項(xiàng)目時(shí)，只需增加相應(yīng)的功能模塊，即可滿足未來的升級需求。被認(rèn)為最保守客戶之一的美國國防部，也早在2002年向國會(huì)提交的報(bào)告中強(qiáng)調(diào)：下一代測試系統(tǒng)必須是基于現(xiàn)成可用商業(yè)技術(shù)的模塊化硬件，以便對設(shè)備互換和升級。

一個(gè)完整的自動(dòng)化測試系統(tǒng)的構(gòu)建，應(yīng)該遵循圖1所示的五層架構(gòu)。模塊化I/O位于整個(gè)自動(dòng)化測試系統(tǒng)五層架構(gòu)中的最底層，它將直接接觸到實(shí)際物理信號，完成信號調(diào)理以及信號數(shù)字化等工作。這些模塊化I/O主要是基于PXI或者PCI總線的儀器。借力于半導(dǎo)體技術(shù)的快速發(fā)展，可以在非常小的體積內(nèi)，以較低的成本完成高性能的測試測量工作。圖2顯示了模塊化數(shù)字化儀與傳統(tǒng)儀器的性能比較。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)出傳統(tǒng)儀器所無法比擬的巨大優(yōu)勢。

圖1：以軟件為核心的模塊化測試系統(tǒng)的五層架構(gòu)。

圖2：模塊化I/O與傳統(tǒng)儀器的性能比較。

每個(gè)自動(dòng)化測試系統(tǒng)的核心部件都是計(jì)算機(jī)(種類包括臺(tái)式計(jì)算機(jī)，服務(wù)器工作站，便攜式電腦或者嵌入式計(jì)算機(jī)等)。PC機(jī)的廣泛使用，促成了高性能內(nèi)部總線的不斷進(jìn)步。其中的PCI和PCI Express總線，具有最低的延時(shí)和最高的數(shù)據(jù)吞吐量或者帶寬。而PCI Express總線進(jìn)一步擴(kuò)展了PCI總線的帶寬，以滿足不斷增長的帶寬需求，同時(shí)，它也在軟件上與PCI總線完全兼容，如圖3所示。

圖3：各種工業(yè)總線數(shù)據(jù)帶寬和延遲比較。

PXI(PCI eXtensions for Instrumentation，面向儀器系統(tǒng)的PCI擴(kuò)展)標(biāo)準(zhǔn)，將CompactPCI標(biāo)準(zhǔn)與專用同步總線和軟件特性結(jié)合在一起，為基于PC機(jī)的自動(dòng)化測試測量與控制系統(tǒng)架構(gòu)，添加了集成的定時(shí)和同步功能，工業(yè)級的堅(jiān)固設(shè)計(jì)，以及更多的通道數(shù)。

事實(shí)上，PXI已成為了主流的模塊化架構(gòu)測試系統(tǒng)。現(xiàn)在有超過70家的PXI系統(tǒng)聯(lián)盟(PXISA)提供超過1500種的PXI模塊化儀器，其中包括NI、Agilent、ADLINK和Pickering在內(nèi)的眾多知名公司，產(chǎn)品覆蓋從數(shù)字化儀、信號發(fā)生、RF、電源到開關(guān)模塊等各種I/O模塊。

開放的PXI/PXI Express平臺(tái)也提供了用于與VXI系統(tǒng)或分立儀器進(jìn)行通信的標(biāo)準(zhǔn)硬件和軟件，包括GPIB、USB、LAN、串口等接口(圖4)。事實(shí)上，許多實(shí)際的測試系統(tǒng)都不是基于單一總線的系統(tǒng)，而是一個(gè)混合總線系統(tǒng)，比如：既有PXI設(shè)備，又有基于GPIB的傳統(tǒng)儀器，但是PXI則更適合作為這種混合總線系統(tǒng)的核心。一方面，作為一種內(nèi)部總線，PXI具有最大的數(shù)據(jù)傳輸速率和最低的延時(shí)，從而保證其不會(huì)成為整個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠款i；另一方面，PXI平臺(tái)的硬件基于標(biāo)準(zhǔn)的PC技術(shù)(如PCI/PCI Express總線，通用的CPU和外圍設(shè)備，同時(shí)，主流的Windows軟件構(gòu)架對用戶來說也非常熟悉)?；赑XI系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)化測試系統(tǒng)的開發(fā)和操作，就像使用標(biāo)準(zhǔn)的基于Windows的PC機(jī)一樣方便，而且也便于維護(hù)和升級。

圖4：以PXI為核心構(gòu)建的自動(dòng)化測試系統(tǒng)。

可快速開發(fā)的軟件工具

以軟件為核心的自動(dòng)化測試系統(tǒng)的軟件定義，對于構(gòu)建整個(gè)測試系統(tǒng)的作用和地位不言而喻。相比于傳統(tǒng)儀器固定的功能配置和只有“測試結(jié)果”的呈現(xiàn)，軟件定義可以滿足用戶對測試系統(tǒng)的完全自定義。通過軟件來定義模塊化硬件的功能，同一塊數(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功能；另外，可以通過軟件來實(shí)現(xiàn)自定義的數(shù)據(jù)分析，例如：基于模塊化的RF硬件通過設(shè)計(jì)不同的調(diào)制解調(diào)方式，就可以滿足多種射頻標(biāo)準(zhǔn)的測試需求；通過軟件還可以創(chuàng)建自定義的用戶界面，來確保人機(jī)交互的友好性。

可以看出，軟件定義貫穿于構(gòu)建整個(gè)自動(dòng)化測試系統(tǒng)的始終。使用結(jié)構(gòu)清晰、靈活易用的軟件工具可以加速整個(gè)開發(fā)過程，縮短開發(fā)周期。如圖1所示，構(gòu)建以軟件為核心的自動(dòng)化測試系統(tǒng)的架構(gòu)包含了三個(gè)層次。

系統(tǒng)服務(wù)和驅(qū)動(dòng)層是連接軟件開發(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，這一層還包含了硬件設(shè)備管理和診斷測試等功能。例如：NI的測量與自動(dòng)化瀏覽器(Measurement and Automation Explorer，MAX)軟件，可以幫助開發(fā)者對所有的NI硬件和眾多通過儀器總線連接的傳統(tǒng)儀器，進(jìn)行統(tǒng)一的自動(dòng)檢測和配置管理。其集成的診斷測試功能，可以幫助開發(fā)者將軟件和硬件分離進(jìn)行調(diào)試，迅速找到問題的癥結(jié)。同時(shí)，測試面板則可以幫助用戶快速檢查硬件功能。系統(tǒng)服務(wù)和驅(qū)動(dòng)還通過應(yīng)用編程接口(API)，提供了對測試應(yīng)用開發(fā)軟件層的集成。這樣，開發(fā)者可以很容易地實(shí)現(xiàn)針對設(shè)備的編程，從而提高開發(fā)效率，減少維護(hù)成本。

測試應(yīng)用開發(fā)軟件(ADE)在測試軟件架構(gòu)中扮演著承上啟下的作用。系統(tǒng)開發(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，從而實(shí)現(xiàn)與硬件無縫連接。不僅如此，用于開發(fā)測量和自動(dòng)化應(yīng)用的ADE，需要為各應(yīng)用領(lǐng)域提供易于使用的設(shè)計(jì)模型和現(xiàn)成的處理算法，從而進(jìn)一步提高開發(fā)者效率。

隨著軟件在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中的重要性不斷提高，開發(fā)者會(huì)花費(fèi)大部分時(shí)間在應(yīng)用程序的開發(fā)上。因此，一個(gè)應(yīng)用開發(fā)軟件工具的好壞，直接影響著整個(gè)系統(tǒng)開發(fā)的成功與否。NI圖形化編程軟件LabVIEW，為用戶提供了高效而直觀的測試測量應(yīng)用程序開發(fā)工具，結(jié)合無縫連接的NI設(shè)備驅(qū)動(dòng)和內(nèi)置信號處理算法，用戶可以從儀器I/O獲取原始的測量數(shù)據(jù)，通過各種現(xiàn)成可用的分析函數(shù)工具包得到測量結(jié)果。此外，對于習(xí)慣文本編程的用戶，可以選擇基于ANSI C的NI LabWindows/CVI或基于Microsoft可視化工作室(Visual Studio)的NI測量工作室(Measurement Studio)軟件。另外，針對具體應(yīng)用，NI也提供了一些基于配置的開發(fā)軟件，以加速用戶開發(fā)的過程。比如，針對視頻測試的NI VideoMASTER，針對實(shí)時(shí)測試與硬件在環(huán)仿真的NI VeriStand，針對自動(dòng)檢測的NI視覺生成器(Vision Builder for Automated Inspection)等?；谶@些軟件工具，用戶可以無需編程而實(shí)現(xiàn)快速開發(fā)，也可以結(jié)合LabVIEW進(jìn)行更加深入的自定義。NI不僅提供了這些軟件的開發(fā)環(huán)境，而且針對不同的應(yīng)用，提供了加速開發(fā)的現(xiàn)成算法IP，從而進(jìn)一步加速工程應(yīng)用的開發(fā)。此外，基于NI開放的軟件平臺(tái)，也可以使用各種第三方軟件環(huán)境開發(fā)的現(xiàn)成算法。

系統(tǒng)管理軟件層位于軟件架構(gòu)層次中的最頂層。對于一個(gè)自動(dòng)化測試系統(tǒng)，有些測試任務(wù)會(huì)根據(jù)被測設(shè)備(DUT)的不同而不同，例如：儀器的配置，結(jié)果的分析等；而有些測試任務(wù)則為通用，例如：測試流程的管理，測試報(bào)告的生成等。為了進(jìn)一步提升測試效率，降低軟件維護(hù)的成本，將DUT級別的任務(wù)與系統(tǒng)級別的任務(wù)相分離的測試策略就顯得尤為關(guān)鍵。通過快速創(chuàng)建測試流程，集成報(bào)告生成和數(shù)據(jù)庫管理功能，以及建立不同級別用戶的人機(jī)界面，測試管理軟件能夠幫助用戶大幅縮短軟件的開發(fā)時(shí)間，并可以在整個(gè)開發(fā)周期中迅速地重用、修改和維護(hù)測試程序(或者模塊)，來滿足從DUT測試到整個(gè)ATE系統(tǒng)測試等不同的需求。專業(yè)測試管理軟件(如：NI TestStand)除提供上述功能，其內(nèi)置的并行和自動(dòng)協(xié)調(diào)測試工具，還可以幫助用戶大幅提升測試效率和增加系統(tǒng)吞吐量。

本文小結(jié)

如今，數(shù)以萬計(jì)的公司采用以軟件為核心的自動(dòng)化測試系統(tǒng)獲得了成功。比如：霍尼韋爾公司基于NI PXI和LabVIEW開發(fā)的新型FCT系統(tǒng)，大幅降低了測試儀器成本，系統(tǒng)尺寸和工程師的負(fù)擔(dān)；微軟公司基于LabVIEW和模塊化儀器，為Xbox 360控制器設(shè)計(jì)的測試系統(tǒng)的速度，是前一代測試系統(tǒng)的兩倍；華錄松下使用NI TestStand，NI LabVIEW和模塊化儀器，為新型DVD刻錄機(jī)開發(fā)了完整的自動(dòng)化測試系統(tǒng)，極大提高了測試效率。以軟件為核心的模塊化自動(dòng)測試系統(tǒng)克服了以往基于獨(dú)立臺(tái)式儀器或成本高昂的私有ATE系統(tǒng)解決方案的不足之處，允許工程師開發(fā)可擴(kuò)展的測試系統(tǒng)，將各種總線的儀器緊密集成在一起。另外，它還允許工程師集成現(xiàn)有設(shè)備投資，來降低實(shí)現(xiàn)的初始成本，而且基于該架構(gòu)，還能將最新的商業(yè)技術(shù)引入到測試系統(tǒng)，開創(chuàng)新的應(yīng)用。這些應(yīng)用包括基于多核處理器的并行測試，基于FPGA的自定義儀器設(shè)計(jì)，基于PXI Express總線和磁盤陣列技術(shù)的測試數(shù)據(jù)高速流盤，等等。相信以軟件為核心的模塊化架構(gòu)的未來，仍將是測試技術(shù)的主流，并能夠不斷深入每個(gè)測試領(lǐng)域，拓展新的應(yīng)用方向。