一種自動化測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

顏士博

（上海鐵路通信有限公司，上海 200071）

自動測試系統(tǒng)（Automatic Test System，ATS）主要是指采用計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動化測試的設(shè)備或系統(tǒng)。從系統(tǒng)構(gòu)成上看，通常主要包括：測試條件發(fā)生-信號輸入、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、顯示-輸出等幾部分，實(shí)際應(yīng)用中也包括報(bào)表生成、故障統(tǒng)計(jì)等功能。從軟硬件構(gòu)成的角度講，可分為測試設(shè)備和測試程序集兩部分：前者主要指各種儀器儀表和相關(guān)的硬件設(shè)備。后者主要指各種軟件，包括底層的儀器儀表設(shè)備驅(qū)動軟件、各個(gè)業(yè)務(wù)測試項(xiàng)目軟件和應(yīng)用軟件，其中業(yè)務(wù)軟件主要的實(shí)現(xiàn)方法是通過軟件定義對象和過程，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)自動完成對被測對象的建模、輸入/輸出控制、狀態(tài)控制、收集對象和過程數(shù)據(jù)，然后根據(jù)需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，最后形成測試結(jié)果或測試報(bào)告。

自動化測試與人工測試相比較，通常具備速度快、精度準(zhǔn)、錯誤少、效率高、存儲和查詢方便快捷等優(yōu)勢，特別是對產(chǎn)能大、重復(fù)性高、參量多和測量范圍廣等場合非常適用。近年來，隨著智能化、自動化和信息化技術(shù)的深入發(fā)展，自動化測試裝備、測試技術(shù)已經(jīng)成為研發(fā)和生產(chǎn)企業(yè)投入的一個(gè)重要領(lǐng)域和研究方向。

1 項(xiàng)目背景

本文介紹的測試系統(tǒng)是為某公司所生產(chǎn)的一款相對復(fù)雜的產(chǎn)品系統(tǒng)開發(fā)的。該產(chǎn)品系統(tǒng)在研發(fā)階段與生產(chǎn)初期，已經(jīng)分別購置了幾套昂貴、獨(dú)立式的專業(yè)儀器儀表，用于各階段各種需求項(xiàng)指標(biāo)的測試。這個(gè)階段的各項(xiàng)測試主要是通過技術(shù)人員手動操作各類儀器儀表，通過人工讀取并記錄測試結(jié)果和數(shù)據(jù)，最終完成測試。由于被測試系統(tǒng)的構(gòu)成相對復(fù)雜，由十幾個(gè)單板級的板卡構(gòu)成，如電源板、發(fā)送板、解碼板、接收板、MVB通信板、記錄板、射頻單元等。對該系統(tǒng)的測試，共涉及十幾款儀器儀表的使用操作，如不同程式的程控電源、示波器、信號發(fā)生器、網(wǎng)絡(luò)分析儀、頻譜分析儀、功率計(jì)、萬用表等。在全人工測試的模式下，無法滿足生產(chǎn)測試需求。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

由于前期已投入不少資源在儀器儀表等設(shè)備購置上，為充分利用此類資產(chǎn)，減少投資浪費(fèi)，優(yōu)先利用已有的儀器儀表，通過軟件集成的方案實(shí)現(xiàn)。

按照這一思路，系統(tǒng)所采用的儀表都具備通信能力，提供不同形式的通信接口，如常用的以太網(wǎng)口、GPIB口、USB口和串口等。有網(wǎng)口的通過交換機(jī)連接到測試平臺計(jì)算機(jī)，GPIB口、USB口或串口設(shè)備則通過直連的方式連接到測試平臺計(jì)算機(jī)，通過計(jì)算機(jī)軟件完成對所連接的各種儀器儀表的驅(qū)動、控制和遠(yuǎn)程操作。系統(tǒng)的主要硬件設(shè)備構(gòu)成如圖1所示。主要包括：測試接口單元、功率計(jì)、萬用表、網(wǎng)絡(luò)分析儀、頻譜分析儀、信號發(fā)生器、示波器、程控電源和I/O控制器等，為便于實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，還設(shè)計(jì)了輔助操作設(shè)備。

圖1 系統(tǒng)構(gòu)成Fig.1 System composition diagram

系統(tǒng)的整個(gè)工作流程如下。

測試時(shí)將被測板卡插入測試接口單元中，測試接口通過測試矩陣完成測試所需要的條件輸入和測試結(jié)果輸出的自動化配置工作，如：測試需要的電壓由程控電源提供，需要的輸入波形由信號發(fā)生器提供，輸出的結(jié)果通常由萬用測量獲取，射頻信號的測量則由網(wǎng)絡(luò)分析儀采集讀取等。

測試平臺軟件的驅(qū)動層完成各儀表測試時(shí)的初始化，測試過程的設(shè)置、輸入/輸出控制，并從儀器儀表中讀取需要的測試結(jié)果；測試平臺業(yè)務(wù)處理層主要是依據(jù)測試大綱的各測試項(xiàng)，通過軟件完成對測試過程的定義，實(shí)現(xiàn)各測項(xiàng)的測試，最終將各測試項(xiàng)編成測試序列，形成一個(gè)測試集，由系統(tǒng)按序自動完成所有項(xiàng)的測試。對于人工參與或干預(yù)的測試項(xiàng)，則開發(fā)了直觀的測試人機(jī)接口 (HMI)界面，輔助并引導(dǎo)測試人員快速完成該測試項(xiàng)的測試。

系統(tǒng)測試完并確認(rèn)后，根據(jù)需要自動生成測試報(bào)表和報(bào)告，記錄每項(xiàng)的過程數(shù)據(jù)，并經(jīng)過自動處理得出測試結(jié)論，最終輸出測試報(bào)告。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)軟件框架的設(shè)計(jì)如圖2所示，主要包括3層：儀器儀表驅(qū)動、各測試項(xiàng)業(yè)務(wù)邏輯和各測試板卡測試項(xiàng)序列文件，每一層都設(shè)計(jì)專用的應(yīng)用程序接口（API）為上層提供服務(wù)。此外還包括報(bào)表處理、操作界面和用戶管理功能模塊，系統(tǒng)每一部分都采用模塊化設(shè)計(jì)思想設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。

圖2 系統(tǒng)軟件框架Fig.2 System software framework

3.1 儀器儀表對象的開發(fā)

設(shè)備驅(qū)動相對比較復(fù)雜，主要是不同功能的儀器儀表涉及不同的廠商，不同類型的接口，不同的接口協(xié)議，雖然各式各樣，但是大多數(shù)廠商都會提供相關(guān)的驅(qū)動，或第三方的驅(qū)動，只需在此基礎(chǔ)上做二次驅(qū)動程序的開發(fā)即可。常見的協(xié)議有SCPI、USBTMC、VISA等，因此，系統(tǒng)軟件的開發(fā)主要集中在對儀器儀表類的開發(fā)，本系統(tǒng)主要采用面向?qū)ο蟮能浖O(shè)計(jì)方法，每個(gè)儀器儀表都作為一個(gè)單獨(dú)的類進(jìn)行定義，向下封裝了該設(shè)備的底層驅(qū)動，向上提供API。程序在運(yùn)行時(shí)按照單例創(chuàng)建對象，避免底層的資源搶占和沖突。例如程控電源相關(guān)部分API設(shè)計(jì)參考如圖3所示，包括程控電源對象的創(chuàng)建、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、狀態(tài)控制和輸出參數(shù)設(shè)置、參數(shù)讀取等。

圖3 程控電源部分API設(shè)計(jì)Fig.3 API design of programmed power supply

3.2 測試項(xiàng)業(yè)務(wù)邏輯的開發(fā)

除了儀器儀表對象的開發(fā)，另一個(gè)開發(fā)的重點(diǎn)是根據(jù)測試項(xiàng)進(jìn)行的業(yè)務(wù)邏輯的開發(fā)。測試項(xiàng)通常要封裝成動態(tài)鏈接庫（DLL），由更上一層的應(yīng)用調(diào)用，每個(gè)測試項(xiàng)通常對應(yīng)一個(gè)或多個(gè)API。每個(gè)鏈接庫均由一組模塊化的程序?qū)崿F(xiàn)，以下是一個(gè)為發(fā)送板測試項(xiàng)而開發(fā)的部分API，如圖4所示。

圖4 發(fā)送板各測試項(xiàng)部分API設(shè)計(jì)Fig.4 API design of each test item of sending board

除了測試項(xiàng)業(yè)務(wù)邏輯的開發(fā)，測試過程中需要一些交互HMI圖形化操作界面、告警或提示信息的圖形化界面，也需要在此進(jìn)行開發(fā)并封裝到DLL中，供應(yīng)用層測試序列程序調(diào)用，為操作人員提供良好的操作界面。

3.3 測試序列的開發(fā)

測試序列程序是按照測試大綱，通過Teststand軟件完成開發(fā)、調(diào)用、判決、執(zhí)行的。該軟件是一個(gè)專門為自動化測試而開發(fā)的流程編輯與執(zhí)行為一體的軟件。本方案主要用到的功能包括底層測試項(xiàng)API的調(diào)用，上下文數(shù)據(jù)生成，測試項(xiàng)條件的輸入、輸出和處理，測試結(jié)果的輸出與測試報(bào)表的自動生成等。軟件主要將各個(gè)板卡的測試項(xiàng)按照序列文件的形式編輯在一起，以實(shí)現(xiàn)流程流水化，同時(shí)設(shè)計(jì)以不同的出條件、入條件等邏輯關(guān)系，以及過程參數(shù)的設(shè)置和結(jié)果的收集處理。

本系統(tǒng)最終開發(fā)的集成-執(zhí)行-界面如圖5所示。左側(cè)一欄為各個(gè)待測板卡測試序列文件列表；右側(cè)一欄為一個(gè)具體的測試序列文件，包括若干測試項(xiàng)，每個(gè)測試項(xiàng)又分為測試步驟、測試描述、設(shè)置3個(gè)屬性對象；variable-value一欄則為測試過程變量和過程數(shù)據(jù)，可實(shí)時(shí)顯示過程結(jié)果。

圖5 測試序列文件開發(fā)集成界面Fig.5 Integrated interface of test sequence file development

4 總結(jié)

目前該測試系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用到產(chǎn)線上，實(shí)踐證明該系統(tǒng)可以大幅提高產(chǎn)品的測試效率，減輕員工的勞動強(qiáng)度，提高自動化水平和效率。但在開發(fā)和應(yīng)用過程中也發(fā)現(xiàn)一些問題，其中有一個(gè)比較突出的是：由于前期研發(fā)階段對生產(chǎn)自動化測試需求考慮的不是很周全，沒有預(yù)留足夠的測試點(diǎn)，造成測試夾具制作起來比較困難，部分測試仍需輔助以手動點(diǎn)觸才能完成測試。因此，自動化測試需要從設(shè)計(jì)、研發(fā)階段就開始統(tǒng)籌考慮，生產(chǎn)階段需要作為重點(diǎn)，持續(xù)跟進(jìn)、實(shí)施和落實(shí)。