工程師們如何設計新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交付到客戶手中的產品質量和可靠性，在各種應用領域(從設計驗證，經終端產品測試，到設備維修診斷)都采用自動化測試系統(tǒng)。他們使用自動測試系統(tǒng)執(zhí)行簡單的“通過”或“失敗”測試，或者通過它執(zhí)行一整套的產品特性測試。由于設計周期后期產品瑕疵檢測的成本呈上升趨勢，自動化測試系統(tǒng)迅速地成為產品開發(fā)流程中一個重要的部分。這篇“設計下一代自動化測試”的文章描述了一些迫使工程團隊減少測試成本和時間的挑戰(zhàn)。這篇文章還深刻地洞察了測試管理人員和工程師們如何通過建立模塊化軟件定義型測試系統(tǒng)來克服這些挑戰(zhàn)。這種測試系統(tǒng)在減少總體成本的同時，顯著地增加了測試系統(tǒng)的吞吐量和靈活性。

　　如今的測試工程師們面臨著一系列新的壓力。他們所面臨的產品開發(fā)環(huán)境情況如下：
1. 產品設計比前幾代更為復雜；
2. 為了保持競爭力并滿足客戶要求，開發(fā)周期要求越來越短；
3. 產品測試成本越來越高，而預算越來越少。

　　不斷提高的設計復雜性

　　如今，測試測量的最明顯趨勢是器件復雜性不斷增加。例如，消費電子、通信和半導體工業(yè)持續(xù)要求將數字圖象/視頻、高保真音頻、無線通信和因特網互聯(lián)性集成到一個單獨產品中。甚至在汽車中都集成了復雜的汽車娛樂和信息系統(tǒng)、安全和早期預警系統(tǒng)，以及車身和發(fā)動機上的控制電子裝備。測試系統(tǒng)的設計不僅需要足夠靈活地支持對不同產品模型進行廣泛的測試，還需要能夠進行升級以提供新測試功能所需的更多測試點。

　　更短的產品開發(fā)周期

　　由于希望不斷提高新產品和技術，擁有市場第一個占有率的競爭天性，設計和測試工程團隊只能不斷的縮短產品開發(fā)周期。為此，工程團隊必須設計出新的測試策略來減少測試時間，并提高從設計到生產的測試效率。

　　日益增加的測試成本和日益減少的測試預算

　　增加設備功能通常會導致測試流程更昂貴、費時。然而，構建每個功能的成本卻是降低的，這就迫使工程部門要減少成本和預算，如圖1所示。工程師們必須改進測試策略，通過增加測試系統(tǒng)的吞吐量、減少維護和升級成本和必需的資本投資來降低總成本。

圖1：來自SIA的數據表明：隨著時間推移,硅(或者器件功能)的成本在降低，但測試成本卻在持續(xù)增加。

　　日益增加的測試成本和日益減少的測試預算

　　為了應對器件復雜性增加、開發(fā)周期縮短和預算減少的挑戰(zhàn)，測試管理人員和工程師們被迫放棄傳統(tǒng)的測試設計策略，即基于傳統(tǒng)箱式儀器或“大鐵塊”式的私有ATE系統(tǒng)。這些獨立的儀器缺少軟件處理所必需的靈活性，而且用戶接口是由廠商定義的，只能由廠商通過固件更新。這樣，儀器固件中沒有定義的測試以及新標準的測試就難以執(zhí)行；或者當要求變化時，也難以對系統(tǒng)進行修改。由于這些器件最初就是作為獨立儀器而設計，他們缺少必要的集成能力，譬如數據流和同步功能。私有的ATE系統(tǒng)(例如高度集成產品芯片測試儀)能提供所需性能，但成本相當昂貴，可能會使工程團隊被廢棄，過早地進行系統(tǒng)再設計。

　　針對這些情況，測試管理人員和工程師們正在實現(xiàn)模塊化軟件定義型測試結構。這種結構基于廣泛采納的工業(yè)標準，可以提供：
1. 更高的測試系統(tǒng)靈活性：可擴展至多種應用、業(yè)務部門，以及各個產品階段。
2. 高性能的結構：可以顯著提高測試系統(tǒng)吞吐量，并提供與不同儀器廠商之間的密切聯(lián)系和集成，包括精密直流信號、高速模擬和數字信號和射頻信號的生成與分析。
3. 更低的測試系統(tǒng)投資：減少最初資本投資和維護成本，同時增加多種測試要求中的設備使用率。
4. 更長的測試系統(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。

　　NI公司作為自動化測試領域的領導者，致力于為產品工程師們提供設計新一代自動化測試系統(tǒng)所需的硬件和軟件。這本深入的開發(fā)者指南包含了設計新一代自動化測試系統(tǒng)結構所需要的信息。緒論部分描述了一個如圖2所示的測試系統(tǒng)結構，為工程師們提供了相關策略，以應對器件復雜性的增加、開發(fā)周期的縮短、預算的降低等一系列挑戰(zhàn)。

圖2：NI公司提供了一套完整的、用于設計自動化測試系統(tǒng)的軟硬件解決方案。

　　層次結構五：自動化測試系統(tǒng)管理軟件

　　自動化的測試系統(tǒng)需要實現(xiàn)多種任務和測量功能：這些任務和功能中，一些與待測設備(DUT)相關的，而另一些對于每個待測設備是通用的。為了把維護費用降至最小，并且保證測試系統(tǒng)的壽命，實現(xiàn)DUT級別的任務與系統(tǒng)級別的任務相分離的測試策略是十分重要的，這樣工程師們在整個開發(fā)周期中可以迅速地重用、維護并修改測試程序(或者模塊)來滿足特定的測試需求。

　　在所有的測試系統(tǒng)中，都存在著根據待測設備不同的不同操作，也存在著對于所有待測設備都通用的操作，例如系統(tǒng)級別的任務等。

　　對于每個設備不同的操作：儀器配置；測量；數據采集；結果分析；校準；測試模塊。

　　對于每個設備通用的操作：操作界面；用戶管理；DUT跟蹤；測試流程控制；存儲結果；測試報告。

　　一些公司已經編寫了自己的測試執(zhí)行器，并且分配了寶貴的工程資源來從頭開始開發(fā)測試管理軟件。這通常會導致生產率下降并且為了維護軟件而長時間占用資源。為了使生產效率達到最大化，工程團隊應該利用商業(yè)上可用的測試管理軟件，例如NI TestStand軟件等，來減少對于每個設備的通用操作的開發(fā)。通過利用這個軟件，工程師們可以專注于對各設備的專有操作的開發(fā)。需要更多信息，請查閱《Developing a Modular Software Architecture》白皮書。

　　結構層次四：應用開發(fā)軟件

　　在測試系統(tǒng)結構中，應用開發(fā)環(huán)境(ADE)，例如NI公司的LabVIEW和LabWindows/CVI等，扮演了關鍵角色。利用這些工具，測試系統(tǒng)開發(fā)者可以與各種各樣的儀器通信、集成測量、顯示信息、與其它應用連接等等......理想的用于開發(fā)測試和測量應用的ADE需要提供易用性、高效編譯性能、與多種I/O集成以及編程靈活性等一系列的應用要求。易用性不僅在于可以多么迅速地上手和使用。利用易于使用的ADE，開發(fā)者可以容易地把處理例程和多種測量設備集成在一起，創(chuàng)建復雜的用戶接口，部署和維護應用程序，并且在產品設計改良和系統(tǒng)需要擴展時修改應用程序。

　　如需更多信息，請查閱《Choosing the Right Software Application Development Environment》白皮書。

　　結構層次三：測量和控制服務

　　測量和控制服務提供了對系統(tǒng)中各種硬件資源的連接、系統(tǒng)配置和診斷工具等，至關重要。例如，NI Measurement and Automation Explorer (MAX)可以對硬件資源進行自動檢測，包括數據采集、信號調節(jié)硬件；GPIB、USB和局域網控制型儀器；PXI系統(tǒng)、VXI設備；模塊化儀器......，因此開發(fā)者可以在一個地方對它們進行配置。集成診斷測試保證了設備功能正常，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。測量和控制服務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)者可以容易的對他們的設備進行編程。實際上，這種服務軟件的部件--硬件驅動程序，應用編程接口(API)和配置管理器必須無縫集成到ADE中，從而使得性能最大化、提高開發(fā)生產率，減少總維護成本。

　　需要更多信息，請查閱Developing a Modular Software Architecturewhitepaper.

　　結構層次二：計算和測量總線

　　每個自動化測試系統(tǒng)的核心部件都是計算機(形式有臺式個人計算機、服務器工作站、便攜式電腦或者嵌入式計算機等不同與PXI和VXI配合使用)。使用計算式平臺的一個重要方面就是可以與測試系統(tǒng)中各種各樣的儀器進行連接(和通信)?，F(xiàn)在有多種不同的儀器總線用于單獨或模塊化儀器，包括GPIB、USB、LAN、PCI和PCI Express等。這些總線有著不同的能力，對于特定應用來說，一些總線比另一些更加合適。例如，GPIB總線在儀器控制中有著廣泛的應用，對于儀器來說有著廣泛的可用性；USB總線提供了廣泛的可用性、易于連接性和高吞吐量；局域網總線對于分布式系統(tǒng)十分合適，而PCI Express總線則提供了最高效的性能。

　　個人電腦的廣泛使用促成了高性能內部總線的不斷進步，其中包括PCI和PCI Express總線，它們具有最低的延時和最高的數據吞吐量或帶寬。PCI總線提供了高達132MB/s的總線帶寬，而PCI Express總線作為PCI總線的進化版，可提供4GB/s的帶寬，來滿足不斷增長的帶寬需求，同時在軟件上對PCI總線完全兼容。圖3解釋了最流行的儀器控制總線的延時和帶寬性能。

圖3：對于各種儀器控制總線的比較。PCI和PCI Express總線提供了較好的帶寬和延時，即較好的總吞吐性能。

　　需要更多信息，請查閱《Hybrid Systems: Integrating Your Multi-Vendor, Multi-Platform Test Equipment》白皮書和《Instrument Bus Performance: Making Sense of Competing Bus Technologies for Instrument Control》白皮書。

　　結構層次一：測量和設備I/O

　　從根本上講，目前有兩種類型的儀器構架--傳統(tǒng)儀器和虛擬儀器。圖4解釋了這兩種架構的相似性。兩種都具有測量硬件、機箱、電源、總線、處理器、操作系統(tǒng)和用戶接口。

圖4：傳統(tǒng)儀器和虛擬儀器的構架擁有相似的硬件部分；兩個構架間最主要的區(qū)別是軟件存在于哪里以及用戶是否能訪問到它。

　　從硬件的角度上講，最明顯的區(qū)別在于部件是如何組織的。對于每個分離的儀器，傳統(tǒng)的或者獨立的儀器把所有的部件都放在同一個箱子里。測量功能、分析、顯示以及對儀器的控制都是由供應商定義的。

　　相反的是，模塊化軟件定義型虛擬儀器集成了通用的測量硬件來幫助用戶除了使用標準功能外，還可以在軟件中定義自己的測量和用戶接口。利用模塊化的方法，工程師們可以定義測試系統(tǒng)的測量功能，并且構建可擴展的系統(tǒng)來滿足將來的需求。通過模塊化的、軟件定義的方法，用戶可以進行自定義測量、為新興的標準進行測量或者當需求改變(例如，添加儀器、通道或者新型測量)時修改系統(tǒng)。這種靈活的、用戶定義型軟件與可擴展的硬件組合是模塊化儀器的核心。

　　需要更多信息，請查閱《Understanding a Modular Instrumentation System for Automated Test 》白皮書和《PXI: The Industry Standard Platform for Instrumentation》白皮書。

　　總結：設計新一代自動化測試系統(tǒng)

　　設備復雜性增加、開發(fā)周期縮短和預算降低使工程團隊有機會重新評估現(xiàn)有的自動測試策略，并且尋找出提高效率減少成本的方法。在設計新一代自動化測試系統(tǒng)時，加入可以增加系統(tǒng)靈活性、提供更高測量和吞吐量性能、降低測試系統(tǒng)成本并且延長壽命的策略是非常重要的。模塊化的軟件定義型自動測試系統(tǒng)克服了以往的基于獨立式儀器或成本高昂的私有ATE系統(tǒng)解決方案的不足之處。模塊化的硬件平臺基于廣泛采用的工業(yè)標準平臺，諸如PXI等，允許工程師們開發(fā)可擴展的測試系統(tǒng)，將各個儀器供應商提供的功能緊密地集成到一起。另外，它還允許工程團隊集成現(xiàn)有的設備投資來降低實現(xiàn)的初始成本。利用最新PC技術(諸如多核處理器和PCI Express總線)的軟件定義型測量，新一代自動化測試系統(tǒng)可以顯著提高吞吐量性能，并且可擴展以滿足不同產品階段和業(yè)務部門的需求。

　　許多公司已經實現(xiàn)了模塊化軟件定義型測試系統(tǒng)策略，而且證明了這種策略對他們投資的回報。例如，微軟公司在NI LabVIEW和PXI模塊化儀器的基礎上，為Xbox 360控制器設計的測試系統(tǒng)是前一代的測試系統(tǒng)速度的兩倍。美國空軍(The U.S. Air Force)開發(fā)測試構架為他們的高級戰(zhàn)斗機提供支持。利用基于PC機的軟件和硬件構架，他們降低了成本，并且把測試系統(tǒng)的尺寸減小了一半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，并且超出了他們產量要求的95%。

　　NI公司相關產品和白皮書

　　NI公司作為自動化測試領域的領導者，致力于為產品工程師們提供用于設計新一代自動化測試系統(tǒng)所需的硬件和軟件。

軟件：
1. NI TestStand測試管理框架；
2. LabVIEW圖形化編程語言；
3. LabVIEW SignalExpress交互式測量軟件。

硬件：
1. 模塊化儀器(示波器、萬用表、射頻模塊、開關等)；
2. 多功能數據采集；
3. PXI系統(tǒng)部件(機箱和控制器)；
4. 儀器控制(GPIB總線、USB總線和局域網)。