下一代自动测试系统与合成仪器的发展

　　合成仪器是有望革新测试产品的新型测试系统结构体系,业已被业内人士逐渐认同。

　　合成仪器这个术语首先是美国国防部(DoD)下一代自动测试系统(NxTest)集成产品组使用的,用来描述该研制组竭力主张的新型测试结构体系。2002年4月,DoC自动测试系统(ATS)执行代理办公室(EAO)正式成立NxTest IPT,由海、陆、空三军代表组成。主要目标有两个：降低DoD ATS的采购和支撑成本;改进军事服务“ATS功能”的内、外合作。次年,合成仪器工作组(SIWG)更详细地列出：

• 　　降低ATS所有者的总成本;
• 　　减少发究时间以及现场更新ATS的时间;
• 　　提供更大的灵活性;
• 　　减少测试系统的逻辑覆盖区;
• 　　减少物理占用面积;
• 　　提高测试质量;

 

　　图1 STWG通用SI方框图

　　该组织提出两条思路来推动NxTest 工作的开展。首先,对测试系统成本和互操作性有重大影响的基本部件进行定义;其次,研发有助于达到上述目标的通用测试系统。该组织认为：需要创建一种开放的系统结构体系,它能支持新的测试要求,能方便地进行技术更新,能实现对现有ATS组件影响最小而又批量生产的商业应用,由此来赢得测试业界的支持。NxTest的主要任务就是定义、研发、证明和规划,以便在DoD维修测试环境中实现这一即将出现的崭新技术。

　　为了达到上述目标,解决面临的挑战,工作重点放在公共的与共享的技术框架之内尽可能地使用商品化现成产品(COTS)上。或许符合这个目标的最重要的技术就是合成仪器(SI)。

　　合成仪器与虚拟仪器

　　根据SIWG的定义,SI是一个可重构的系统,连接一系列基本硬件和软件组件,备有标准化接口,利用数字处理技术产生信号和进行测量。

　　在仪器仪表行业,另一个熟悉的名字是虚拟仪器(VI)。VI是上世纪80年代,美国国家仪器公司(NI)率先提出的概念,它是日益发展的计算机硬件、软件、和总线技术与测试技术、仪器仪表密切结合,共同孕育出的一项新技术。VI是由计算机硬件资源,模块化仪器硬件和用于数据分析、过程通信以及图形用户界面软件组成的测试系统,是一种用计算机操纵的模块化仪器系统。

　　从上面的介绍可知,VI是以计算机系统为平台,通过标准总线,如IEEE488、VXI、PXI等,与模块化仪器机箱共同组成一个测试系统,充分利用计算机独具的运算、存储、回放、调用、显示以及文件管理等智能化功能,开发一整套软件,将传统仪器的专业化功能和面板控件软件化,成为一台从外观到功能都完全与传统硬件仪器一致,同时又充分利用计算机智能资源的全新的仪器系统。它的主要特点是硬件功能软件化,NI甚至提出了“软件就是仪器”的口号。与之相比,SI则在分析仪器的功能要素基础上,试图给出一个通用的仪器结构,例如,一个测量仪器总含有激励源(发生器)、A/D、D/A、信号调理器、测量手段等基本固定构件,由此构成一个系统架构,组成测试系统。在应用方面,VI似乎集中在数据采集和分析方面;而SI则主要应用于RF和微波测量系统。

　　SI基本结构

　　基本上,SI在核心仪器电路积木块基础上,通过软件算法和硬件模块合成了在传统测试仪器中必不可少的激励源或测量功能。SIWG定义的SI方框图如图1所示。可能是受到已被广泛接纳的“软件定义无线电”以及其它通信系统技术的影响,这个方框图有很多相似之处,而模块化的性质能让系统集成者量身定制成符合各自应用的仪器。系统结构支持：

• 　　多通道激励或测量路径;
• 　　每个通道具有混合-n-匹配(nix-n-match) 性能、大小和价格水平,包括通过多个信号调理块来路由每个通道,提供专用测试功能;
• 　　方便地更新系统,即可在任何时刻增加或减少功能,甚至可按照新应用全部重构;
• 　　按需增加处理功能或新测试算法;
• 　　提供全面地“系统级”校正和诊断功能。

　　NxTest 已开展的工作

　　Nxtest工作组积极开展与SI有关的行业工作,最重要的有自动测试标记语言(ATML)、公共测试接口(CTI)和SIWG等。

　　SIWG拥有测试业界和DoD 40多家公司和机构的100个成员,其宗旨是：“定义SI和它的属性。研发一种框架结构,既能平衡用户与供应商的目标,又能推进在整个测试寿命周期内的技术进步和适应性以及补充/支持其它相关的测试与测量行业工作。”

　　NxTest 几乎在二年前就创立了ATML和CTI工作组,ATML工作组具体负责开发测试环境中重要软件接口的公共XML方案。目前,该组织已成 为IEEE SCC20工作委员会,并将近期内公布第一个ATML方案标准。CTI工作组负责开发公共的、通用的、可扩充的测试接口,为各个DoD服务提供测试系统之间的互操作性。该组织正在完成接口定义,并将在最近予以公布。

　　DoD业已开始实施几个重要的NxTest 相关的计划。其中最重要的可能是ARGCS(Agile Reconfigurable Global Combat Support)计划。这一极具挑战的ACTD(Advanced Concept Technology Demonstration)计划是NxTest IPT 主持的,已经美国国防部秘书处的授权。ARGCS是美国第一项主要的联合服务测试系统计划。该计划最终将形成一个供海、陆、空等三军使用的公共和可扩充的测试平台。ARGCS测试平台用实例来说明曾出现过的绝大多数可扩充和可重构的测试系统结构。该平台能支持工厂、供应站、中转站和工作站级别测试,同时它也能支持简单的复杂的系统结构。每个系统在构成专用的工作站的同时,还能共享同一个核心硬件与软件模块,实现史无前例的交义服务互操作性。

　　系统实例

　　Aeroflex系统分部从领先的通信卫星供应商处获得第一个合成RF与微波测试系统的合同,9个系统中第一个系统称为STI1000,它既可单独使用,又可由外部网络控制,用作企业级自动测试系统。它能极大地增加测试次数,同时减少操作和测试硬件造成的测量误差。

　　STI1000通过它的数字合成激励源和响应系统设计,用硬件和软件组成符合用户特定要求的测量系统。该仪器能复现微波系统测量系统的诸多功能,包括微波功率计、微波频率计、多个信号源、频谱分析、矢量网络分析、噪声计以及内调制分析。它的基本部件有几个激励源和一个快速响应测量通道。备选件包括供复杂模拟和数字调制波形分析的任意函数发生器,遥测和控制路径以及多个响应通道。一种创新的校正设计无需断开连接的卫星就能进行充分的校正,而且整个过程仅需几秒钟时间,极大地减少了系统或温度变化造成的误差。

　　STI提供“可编程的固件”,让用户对测量仪器进行优化。利用全新的设计理念,STI1000能非常方便地增加测试功能和修改测试算法。此外,仪器能定制数据格式、测量报告,用户接口,图形输出等简单的结构。任何外部计算机平台和商品化测试控制软件可通过TCP/IP标准仪器接口进行控制,还提供VXI即插即用驱动器来集成到用户的测试控制软件中,其多层的结构体系确保数据采集和处理能尽快地执行。

　　STI1000快速优势的关键之一是采用“测试集成”方案。测试集成让仪器具有采集单一数据组就能提供多项测量要求的结果。例如从单一数据组来提取带内、带外、群延迟和放大器转移特性的结果。仪器调整采集和测试集成的完美结合,使仪器具有无与伦比的数据吞吐率。

　　除了上述特性,该仪器还使用一种独特的编程方法“测量粘接程序”(Script)它定义个性化测量的方法是通过下载粘接程序文件完成的。这样,通过一个简单的命令,它就可以从一个测量(如矢量分析)转换成另一个测量(如增益转移特性测量)。由此可见,它不是仪器驱动的,而是测量驱动的。目前能提供的测量囊括了传统仪器所具有的全部功能。

　　结语

　　测试测量仪器历经了模拟、数字,智能化、虚拟仪器等形式,最近又提出了合成仪器的全新概念。展望未来,完全按合成测试环境中使用设计的硬件和软件,必将使下一代SI解决方案耳目一新。新的先进功能,诸如自动测试系统配置,自动诊断、超高速处理,甚至是更复杂的波形发生和分析,使系统更加完善。这样的先进系统将完全替代机架式传统测试装置,实现NxTest IPT的最终目标。■(东华)