以軟件為核心的測試系統設計

如今，伴隨著(zhù)新技術(shù)的不斷涌現和各行業(yè)新需求的不斷增加，更多差異化產(chǎn)品投放市場(chǎng)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(kāi)發(fā)周期，以便在與同類(lèi)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(zhù)更加嚴峻的成本控制要求，并且對于測試速度的要求也變得更高。這些都需要快速開(kāi)發(fā)高效、靈活的測試系統。

以軟件為核心的模塊化系統架構，是針對上述測試挑戰的一種創(chuàng )新型解決方案。測試工程師可以利用簡(jiǎn)單易用，結構清晰的軟件工具和靈活的模塊化硬件，來(lái)創(chuàng )建完全用戶(hù)定義的測試系統。作為在測試測量領(lǐng)域具有三十多年經(jīng)驗的專(zhuān)業(yè)公司，NI公司為世界各地用戶(hù)構建自動(dòng)化系統，提供了高效的平臺和工具。設計涉及電子產(chǎn)品、半導體、汽車(chē)、國防與航空航天等行業(yè)，并積累了豐富的經(jīng)驗。

本文將從模塊化的硬件平臺和提高開(kāi)發(fā)效率的軟件工具兩個(gè)方面，來(lái)詳細探討如何構建一個(gè)以軟件為核心的模塊化測試系統。

模塊化硬件I/O

如今產(chǎn)品設計正變得日益復雜。層出不窮的新標準、新協(xié)議(比如：射頻通信協(xié)議)，更是為測試工作帶來(lái)了很多新的挑戰。因此，測試系統為了達到更好的靈活性和可升級性，正逐漸朝著(zhù)模塊化、小體積的方向發(fā)展，也就是將復雜的測試系統簡(jiǎn)化成模塊化的硬件I/O來(lái)逐一實(shí)現：在需要增加測試項目時(shí)，只需增加相應的功能模塊，即可滿(mǎn)足未來(lái)的升級需求。被認為最保守客戶(hù)之一的美國國防部，也早在2002年向國會(huì )提交的報告中強調：下一代測試系統必須是基于現成可用商業(yè)技術(shù)的模塊化硬件，以便對設備互換和升級。

一個(gè)完整的自動(dòng)化測試系統的構建，應該遵循圖1所示的五層架構。模塊化I/O位于整個(gè)自動(dòng)化測試系統五層架構中的最底層，它將直接接觸到實(shí)際物理信號，完成信號調理以及信號數字化等工作。這些模塊化I/O主要是基于PXI或者PCI總線(xiàn)的儀器。借力于半導體技術(shù)的快速發(fā)展，可以在非常小的體積內，以較低的成本完成高性能的測試測量工作。圖2顯示了模塊化數字化儀與傳統儀器的性能比較。模塊化儀器提供的靈活性、用戶(hù)自定義性與可擴展性，配合軟件的強大能動(dòng)作用，體現出傳統儀器所無(wú)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的五層架構。

圖2：模塊化I/O與傳統儀器的性能比較。

每個(gè)自動(dòng)化測試系統的核心部件都是計算機(種類(lèi)包括臺式計算機，服務(wù)器工作站，便攜式電腦或者嵌入式計算機等)。PC機的廣泛使用，促成了高性能內部總線(xiàn)的不斷進(jìn)步。其中的PCI和PCI Express總線(xiàn)，具有最低的延時(shí)和最高的數據吞吐量或者帶寬。而PCI Express總線(xiàn)進(jìn)一步擴展了PCI總線(xiàn)的帶寬，以滿(mǎn)足不斷增長(cháng)的帶寬需求，同時(shí)，它也在軟件上與PCI總線(xiàn)完全兼容，如圖3所示。

圖3：各種工業(yè)總線(xiàn)數據帶寬和延遲比較。

PXI(PCI eXtensions for Instrumentation，面向儀器系統的PCI擴展)標準，將CompactPCI標準與專(zhuān)用同步總線(xiàn)和軟件特性結合在一起，為基于PC機的自動(dòng)化測試測量與控制系統架構，添加了集成的定時(shí)和同步功能，工業(yè)級的堅固設計，以及更多的通道數。

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

開(kāi)放的PXI/PXI Express平臺也提供了用于與VXI系統或分立儀器進(jìn)行通信的標準硬件和軟件，包括GPIB、USB、LAN、串口等接口(圖4)。事實(shí)上，許多實(shí)際的測試系統都不是基于單一總線(xiàn)的系統，而是一個(gè)混合總線(xiàn)系統，比如：既有PXI設備，又有基于GPIB的傳統儀器，但是PXI則更適合作為這種混合總線(xiàn)系統的核心。一方面，作為一種內部總線(xiàn)，PXI具有最大的數據傳輸速率和最低的延時(shí)，從而保證其不會(huì )成為整個(gè)系統數據傳輸的瓶頸；另一方面，PXI平臺的硬件基于標準的PC技術(shù)(如PCI/PCI Express總線(xiàn)，通用的CPU和外圍設備，同時(shí)，主流的Windows軟件構架對用戶(hù)來(lái)說(shuō)也非常熟悉)?；赑XI系統進(jìn)行自動(dòng)化測試系統的開(kāi)發(fā)和操作，就像使用標準的基于Windows的PC機一樣方便，而且也便于維護和升級。

圖4：以PXI為核心構建的自動(dòng)化測試系統。

可快速開(kāi)發(fā)的軟件工具

以軟件為核心的自動(dòng)化測試系統的軟件定義，對于構建整個(gè)測試系統的作用和地位不言而喻。相比于傳統儀器固定的功能配置和只有“測試結果”的呈現，軟件定義可以滿(mǎn)足用戶(hù)對測試系統的完全自定義。通過(guò)軟件來(lái)定義模塊化硬件的功能，同一塊數字化儀可以實(shí)現示波器，頻譜分析儀和視頻分析儀等不同功能；另外，可以通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現自定義的數據分析，例如：基于模塊化的RF硬件通過(guò)設計不同的調制解調方式，就可以滿(mǎn)足多種射頻標準的測試需求；通過(guò)軟件還可以創(chuàng )建自定義的用戶(hù)界面，來(lái)確保人機交互的友好性。

可以看出，軟件定義貫穿于構建整個(gè)自動(dòng)化測試系統的始終。使用結構清晰、靈活易用的軟件工具可以加速整個(gè)開(kāi)發(fā)過(guò)程，縮短開(kāi)發(fā)周期。如圖1所示，構建以軟件為核心的自動(dòng)化測試系統的架構包含了三個(gè)層次。

系統服務(wù)和驅動(dòng)層是連接軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境和硬件設備的紐帶。除了起到設備驅動(dòng)的作用，這一層還包含了硬件設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(kāi)發(fā)者對所有的NI硬件和眾多通過(guò)儀器總線(xiàn)連接的傳統儀器，進(jìn)行統一的自動(dòng)檢測和配置管理。其集成的診斷測試功能，可以幫助開(kāi)發(fā)者將軟件和硬件分離進(jìn)行調試，迅速找到問(wèn)題的癥結。同時(shí)，測試面板則可以幫助用戶(hù)快速檢查硬件功能。系統服務(wù)和驅動(dòng)還通過(guò)應用編程接口(API)，提供了對測試應用開(kāi)發(fā)軟件層的集成。這樣，開(kāi)發(fā)者可以很容易地實(shí)現針對設備的編程，從而提高開(kāi)發(fā)效率，減少維護成本。

測試應用開(kāi)發(fā)軟件(ADE)在測試軟件架構中扮演著(zhù)承上啟下的作用。系統開(kāi)發(fā)者在進(jìn)行系統的設計與組合時(shí)，需要借助ADE實(shí)現具體的測量應用程序，向最終用戶(hù)顯示必要的信息以及連接其他應用程序等多項功能；同時(shí)，ADE需要與系統服務(wù)和驅動(dòng)層緊密集成，從而實(shí)現與硬件無(wú)縫連接。不僅如此，用于開(kāi)發(fā)測量和自動(dòng)化應用的ADE，需要為各應用領(lǐng)域提供易于使用的設計模型和現成的處理算法，從而進(jìn)一步提高開(kāi)發(fā)者效率。

隨著(zhù)軟件在系統實(shí)現中的重要性不斷提高，開(kāi)發(fā)者會(huì )花費大部分時(shí)間在應用程序的開(kāi)發(fā)上。因此，一個(gè)應用開(kāi)發(fā)軟件工具的好壞，直接影響著(zhù)整個(gè)系統開(kāi)發(fā)的成功與否。NI圖形化編程軟件LabVIEW，為用戶(hù)提供了高效而直觀(guān)的測試測量應用程序開(kāi)發(fā)工具，結合無(wú)縫連接的NI設備驅動(dòng)和內置信號處理算法，用戶(hù)可以從儀器I/O獲取原始的測量數據，通過(guò)各種現成可用的分析函數工具包得到測量結果。此外，對于習慣文本編程的用戶(hù)，可以選擇基于A(yíng)NSI 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，針對具體應用，NI也提供了一些基于配置的開(kāi)發(fā)軟件，以加速用戶(hù)開(kāi)發(fā)的過(guò)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(jué)生成器(Vision Builder for Automated Inspection)等?；谶@些軟件工具，用戶(hù)可以無(wú)需編程而實(shí)現快速開(kāi)發(fā)，也可以結合LabVIEW進(jìn)行更加深入的自定義。NI不僅提供了這些軟件的開(kāi)發(fā)環(huán)境，而且針對不同的應用，提供了加速開(kāi)發(fā)的現成算法IP，從而進(jìn)一步加速工程應用的開(kāi)發(fā)。此外，基于NI開(kāi)放的軟件平臺，也可以使用各種第三方軟件環(huán)境開(kāi)發(fā)的現成算法。

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

本文小結

如今，數以萬(wàn)計的公司采用以軟件為核心的自動(dòng)化測試系統獲得了成功。比如：霍尼韋爾公司基于NI PXI和LabVIEW開(kāi)發(fā)的新型FCT系統，大幅降低了測試儀器成本，系統尺寸和工程師的負擔；微軟公司基于LabVIEW和模塊化儀器，為Xbox 360控制器設計的測試系統的速度，是前一代測試系統的兩倍；華錄松下使用NI TestStand，NI LabVIEW和模塊化儀器，為新型DVD刻錄機開(kāi)發(fā)了完整的自動(dòng)化測試系統，極大提高了測試效率。以軟件為核心的模塊化自動(dòng)測試系統克服了以往基于獨立臺式儀器或成本高昂的私有ATE系統解決方案的不足之處，允許工程師開(kāi)發(fā)可擴展的測試系統，將各種總線(xiàn)的儀器緊密集成在一起。另外，它還允許工程師集成現有設備投資，來(lái)降低實(shí)現的初始成本，而且基于該架構，還能將最新的商業(yè)技術(shù)引入到測試系統，開(kāi)創(chuàng )新的應用。這些應用包括基于多核處理器的并行測試，基于FPGA的自定義儀器設計，基于PXI Express總線(xiàn)和磁盤(pán)陣列技術(shù)的測試數據高速流盤(pán)，等等。相信以軟件為核心的模塊化架構的未來(lái)，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，拓展新的應用方向。