机载计算机通用自动测试平台设计

    随着自动测试技术的飞速发展，以及军事领域强有力的需求牵引，自动测试设备(AutomaticTestEquipment，ATE)已成为机载计算机产品测试、使用和维护的必要手段。由于对复杂机载计算机的测试要求越来越高，具有较强的通用性和扩展性已成为测试设备性能的主要指标。
    ATE通用性的实现涉及到接口与适配器的标准化、硬件平台的模块化、测试程序集与仪器资源的无关性设计等许多方面的内容。本文提出了一种以PXI总线为基础，采用虚拟仪器技术、故障诊断技术的设计方法，从而实现机载计算机的通用测试平台。

1 硬件结构设计
    通用测试平台以主控计算机为控制核心，由PXI测试设备构成主要测试资源，接口适配器及开关网络组成信号分配和变换单元，辅以测量仪器和供电设备。
    主控计算机采用配置先进的PC机。PXI测试设备内部采用PXI标准总线，根据测试的最大需求，选用标准的测试模块进行集成。测量仪器包括：示波器、万用表。供电设备包括：可调电压信号源、115 V供电电源和28 V供电电源。
    测试平台与PC机之间采用网卡通讯，PXI测试设备与示波器、万用表和电源之间采用GPIB接口进行通讯。测试平台原理如图1所示.

1．1 PXI测试系统
    PXI测试设备由零槽控制器、模拟量激励／采集模块、离散量输入／输出模块、继电器模块、模拟量电阻模块、电源开关模块、CPIB接口卡组成。采用PXI结构的模块，具有体积小，稳定可靠和便于维护的优点。
    在机箱中的各功能模块都是PXI总线的标准模块，通过PXI机箱的背板相互连接。PXI机箱中的测试模块包括：零槽控制器(PXI-PCI-8355)模拟量激励模块(NI6704)、模拟量采集模块(NI6031E)、离散量输入／输出模块(NI6527)、多路继电器模块(NI2503)、通用继电器模块(NI25 65)、模拟量电阻模块(Pickering290)、电源开关模块(Pickering150)和GPIB接口卡(PXI—GPIB)。
1．2 接口适配器及开关网络
    接口适配器是测试平台和UUT之间的桥梁，将仪器资源分配给UUT的各个管脚，完成对其施加激励和进行测量的工作。接口适配器TUA(Test Unit Adapter)主要由前面板端口、箱体和接口测试适配器ITA(Interface Test Adapter)构成。
    适配器设计采用无源器件，能够防止环境影响，减少测试结果的不确定因素。在测试资源满足测试要求的前提下，适配器以直接连线为主，选择高质量的线缆和连接器，尽量不使用开关器件。因为开关器件会降低资源利用率，而且多余的开关器件和连接线缆，也会影响测试结果的真实性，引起信号频带损失、引入电磁干扰等问题。
    开关网络担负着控制信号流向的任务，是实现UUT与系统资源间的信号转接、分配与组合的关键。在ATE中，开关系统一般分为功率开关、矩阵开关、微波开关。功率开关常用于对系统的电源进行切换，矩阵开关和微波开关主要用于信号切换，根据UUT的实际需求，灵活分配测试资源。
    本平台采用矩阵开关对接的方式组成开关网络，比如4×16、4×32、4×64型矩阵开关可以把各自的4路信号挂接在总线上，形成任意两路可互达的开关网络结构，测试平台的连接能力大幅增强。测试资源和UUT的任意两路信号可以互达，而测试平台的资源由最大测试资源需求的UUT决定。开关网络把适配器的信号切换功能以测试资源的形式融入到平台中，增强了系统的通用性。
1．3 通用性的实现
    对于ATE，信号分配单元、测试资源和主控计算机部分是通用的，不随UUT的变化而改变，这也是测试平台通用性的硬件基础。在测试时，只需根据不同的UUT更换适配器就可实现平台的重构，完成相应测试，满足了机载计算机型号多、信号复杂、输入输出管脚数量多、接口各异的测试需求。
    测试平台同时具备良好的扩展机制。通过开关网络，可根据具体的测试需求连接相应的测试资源，例如：可以连接波形发生器或其他具备GPIB接口的测量仪器等，作为扩展模块接入AIE，方便平台的升级、扩展。

2 软件平台设计
2．1 软件的通用性设计原则
    对基于虚拟仪器技术的通用平台来说，软件是整个测试平台的关键。因此，软件系统构建的好坏直接影响测试平台的整体性能。通用是一个相对概念，通用平台的设计应遵循以下原则：(1)开放式、标准化的软件体系结构。(2)基于IVI技术实现测试仪器的可互换性。(3)TPS(测试程序集)具备可移植性。
    可交换虚拟仪器技术规范(IVI)是1998年在VXI即插即用软件技术规范(VPP)的基础上发展而来的一项技术规范，它在扩展VPP标准的同时，增加了仪器的可互换性、仿真和状态缓存等特点。IVI由类驱动器、具体仪器驱动器、引擎和配置文件组成。当仪器更换后，只需修改配置文件中的信息，使测试程序指向新的IVI仪器和仪器驱动器即可，从而实现仪器设备的可互换性。[page]
    测试程序开发模式存在两种：一是面向仪器的测试；二是面向信号的测试。面向仪器的测试由测试程序直接控制仪器动作来完成测试；面向信号的测试将对测试资源的需求映射成对信号激励／采集的需求，通过内部服务机制解释、定位和驱动测试仪器完成测试任务。前者的缺点是系统往往不能涵盖所有仪器和新的功能，从而使TPS的可移植性和仪器互换性受到限制。而信号的类型是有限的，理论上可以涵盖所有仪器，这是后者的优势所在。
    IVI技术可以从硬件兼容的层面上解决仪器的互操作问题，但不足以解决仪器内部由于工作原理不同而造成测试结果差异。IVI—MSS(Me asurement StimulusSubsystem)规范可以为TPS可移植性的实现建立一定技术基础。通过设计具有复位、建立、变化和捕捉等基本信号操作功能的IVI—MSS信号接口，可以实现测试程序对测量信号的控制和调用。利用IVI信号接口调用虚拟仪器资源完成对UUT的测试，既使测试软件独立于测试平台，又具有良好的可移植性。

2．2 软件结构设计
    测试软件根据需求设计其测试策略，描述测试数据及故障诊断知识，针对测试策略开发面向信号、针对产品的测试程序，同时根据硬件资源配置进行测试仪器资源描述、测试通道配置描述、适配器信号映射关系描述，由编译器编译后形成可以直接运行的测试模块。测试软件通过用户界面，由测试信息管理程序调用测试模块及故障诊断组件，完成测试及故障诊断过程。主测试程序在LabView软件平台上编写，用于完成数据库读写、仪器驱动程序的调用等功能。测试流程和结果数据由TestStand以及Microsoft Access管理，所有测试参数、程控指令、测试结果都放在数据库中，主程序依次读取其中的相应记录进行分析处理，执行相应操作完成测试任务。
    针对不同的UUT，测试软件只是流程和任务数据不同，而软件框架中的其它部分不变。在软件设计中，通过建立通用软件框架，满足各UUT测试程序的设计要求。通用功能接口通过调用仪器驱动程序，对各种仪器资源的功能进行标准化定义和封装，以实现测试程序中要求的测量与激励功能标准化对接，避免了操作系统和测试程序直接控制仪器，实现了仪器的互换性。采用上述结构实现的软件应用于另一个UUT时，软件基本不必重新编写，只需修改数据库中的内容即可。

3 故障诊断及定位
    故障诊断是根据UUT的正常特征信号、异常信号和其它诊断信息，查明导致UUT发生故障的部件或联系，并找到其初始原因。通用测试平台结合故障诊断技术和专家系统，对故障的部位、产生原因、性质和程度进行判断。故障诊断系统以专家系统为主要诊断依据，由测试数据入口、故障信息库、系统知识库和推理机制组成，其系统结构如图3所示。

    故障信息库用于记录检测过程中的各种故障信息，依据故障树模型，建立相应的数据关联，为故障定位存储数据资料。专家知识库用于根据操作中遇到的故障和专家系统，为故障定位和推理机制提供参考信息。采用与推理机制相互独立的平台式结构，便于专家知识的扩充与完善。
    推理机制内部包含3个推理引擎：模糊逻辑推理引擎、专家规则推理引擎和神经网络推理引擎。利用规则推理的方法，对故障信息库和系统知识库进行数据融合和分析推理，并为解释程序提供推理机制。当读取UUT测试数据后，推理引擎根据专家知识、故障信息库资料与测试数据进行并行诊断，其中基于相互关联的系统采用模糊推理算法，基于规则的系统采用规则转换算法，基于事件的系统采用神经网络算法。

    测试平台的故障定位主要是采用故障决策树方法。故障树以征兆或测试结果作为起始点，紧接着是一组由活动及决策组成的分叉决策树，最终实现故障定位并获得维修建议。故障树的基本结构如图4所示。

4 结束语
    对机载计算机自动测试设备进行了介绍，提出了一种基于PXI总线的通用测试平台。该平台具有资源高度共享、仪器设备可互换、测试程序可移植、接口和适配器标准化设计的特点，是一种通用性测试系统。PXI模块资源丰富，结合面向信号的测试软件，可以根据UUT的不同和用户的需求扩充其测试功能和项目。因此，可用于各类机载计算机产品的自动测试和故障检测。