工程師們如何設計新一代自動(dòng)化測試系統

　　測試管理人員和工程師們?yōu)榱吮ＷC交付到客戶(hù)手中的產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性，在各種應用領(lǐng)域(從設計驗證，經(jīng)終端產(chǎn)品測試，到設備維修診斷)都采用自動(dòng)化測試系統。他們使用自動(dòng)測試系統執行簡(jiǎn)單的“通過(guò)”或“失敗”測試，或者通過(guò)它執行一整套的產(chǎn)品特性測試。由于設計周期后期產(chǎn)品瑕疵檢測的成本呈上升趨勢，自動(dòng)化測試系統迅速地成為產(chǎn)品開(kāi)發(fā)流程中一個(gè)重要的部分。這篇“設計下一代自動(dòng)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(shí)間的挑戰。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(guò)建立模塊化軟件定義型測試系統來(lái)克服這些挑戰。這種測試系統在減少總體成本的同時(shí)，顯著(zhù)地增加了測試系統的吞吐量和靈活性。

　　如今的測試工程師們面臨著(zhù)一系列新的壓力。他們所面臨的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)環(huán)境情況如下：
1. 產(chǎn)品設計比前幾代更為復雜；
2. 為了保持競爭力并滿(mǎn)足客戶(hù)要求，開(kāi)發(fā)周期要求越來(lái)越短；
3. 產(chǎn)品測試成本越來(lái)越高，而預算越來(lái)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)持續要求將數字圖象/視頻、高保真音頻、無(wú)線(xiàn)通信和因特網(wǎng)互聯(lián)性集成到一個(gè)單獨產(chǎn)品中。甚至在汽車(chē)中都集成了復雜的汽車(chē)娛樂(lè )和信息系統、安全和早期預警系統，以及車(chē)身和發(fā)動(dòng)機上的控制電子裝備。測試系統的設計不僅需要足夠靈活地支持對不同產(chǎn)品模型進(jìn)行廣泛的測試，還需要能夠進(jìn)行升級以提供新測試功能所需的更多測試點(diǎn)。

　　更短的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期

　　由于希望不斷提高新產(chǎn)品和技術(shù)，擁有市場(chǎng)第一個(gè)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(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期。為此，工程團隊必須設計出新的測試策略來(lái)減少測試時(shí)間，并提高從設計到生產(chǎn)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(huì )導致測試流程更昂貴、費時(shí)。然而，構建每個(gè)功能的成本卻是降低的，這就迫使工程部門(mén)要減少成本和預算，如圖1所示。工程師們必須改進(jìn)測試策略，通過(guò)增加測試系統的吞吐量、減少維護和升級成本和必需的資本投資來(lái)降低總成本。

圖1：來(lái)自SIA的數據表明：隨著(zhù)時(shí)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(kāi)發(fā)周期縮短和預算減少的挑戰，測試管理人員和工程師們被迫放棄傳統的測試設計策略，即基于傳統箱式儀器或“大鐵塊”式的私有ATE系統。這些獨立的儀器缺少軟件處理所必需的靈活性，而且用戶(hù)接口是由廠(chǎng)商定義的，只能由廠(chǎng)商通過(guò)固件更新。這樣，儀器固件中沒(méi)有定義的測試以及新標準的測試就難以執行；或者當要求變化時(shí)，也難以對系統進(jìn)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(例如高度集成產(chǎn)品芯片測試儀)能提供所需性能，但成本相當昂貴，可能會(huì )使工程團隊被廢棄，過(guò)早地進(jìn)行系統再設計。

　　針對這些情況，測試管理人員和工程師們正在實(shí)現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. 更高的測試系統靈活性：可擴展至多種應用、業(yè)務(wù)部門(mén)，以及各個(gè)產(chǎn)品階段。
2. 高性能的結構：可以顯著(zhù)提高測試系統吞吐量，并提供與不同儀器廠(chǎng)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. 更低的測試系統投資：減少最初資本投資和維護成本，同時(shí)增加多種測試要求中的設備使用率。
4. 更長(cháng)的測試系統壽命：基于廣泛采納的工業(yè)標準，允許技術(shù)升級來(lái)改進(jìn)性能并滿(mǎn)足將來(lái)的測試需求。

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

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

　　層次結構五：自動(dòng)化測試系統管理軟件

　　自動(dòng)化的測試系統需要實(shí)現多種任務(wù)和測量功能：這些任務(wù)和功能中，一些與待測設備(DUT)相關(guān)的，而另一些對于每個(gè)待測設備是通用的。為了把維護費用降至最小，并且保證測試系統的壽命，實(shí)現DUT級別的任務(wù)與系統級別的任務(wù)相分離的測試策略是十分重要的，這樣工程師們在整個(gè)開(kāi)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(lái)滿(mǎn)足特定的測試需求。

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

　　對于每個(gè)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(gè)設備通用的操作：操作界面；用戶(hù)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(jīng)編寫(xiě)了自己的測試執行器，并且分配了寶貴的工程資源來(lái)從頭開(kāi)始開(kāi)發(fā)測試管理軟件。這通常會(huì )導致生產(chǎn)率下降并且為了維護軟件而長(cháng)時(shí)間占用資源。為了使生產(chǎn)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(lái)減少對于每個(gè)設備的通用操作的開(kāi)發(fā)。通過(guò)利用這個(gè)軟件，工程師們可以專(zhuān)注于對各設備的專(zhuān)有操作的開(kāi)發(fā)。需要更多信息，請查閱《Developing a Modular Software Architecture》白皮書(shū)。

　　結構層次四：應用開(kāi)發(fā)軟件

　　在測試系統結構中，應用開(kāi)發(fā)環(huán)境(ADE)，例如NI公司的LabVIEW和LabWindows/CVI等，扮演了關(guān)鍵角色。利用這些工具，測試系統開(kāi)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(kāi)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(kāi)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(hù)接口，部署和維護應用程序，并且在產(chǎn)品設計改良和系統需要擴展時(shí)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(shū)。

　　結構層次三：測量和控制服務(wù)

　　測量和控制服務(wù)提供了對系統中各種硬件資源的連接、系統配置和診斷工具等，至關(guān)重要。例如，NI Measurement and Automation Explorer (MAX)可以對硬件資源進(jìn)行自動(dòng)檢測，包括數據采集、信號調節硬件；GPIB、USB和局域網(wǎng)控制型儀器；PXI系統、VXI設備；模塊化儀器......，因此開(kāi)發(fā)者可以在一個(gè)地方對它們進(jìn)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(kāi)發(fā)者在開(kāi)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(wù)還通過(guò)應用編程接口(API)提供了對應用開(kāi)發(fā)軟件層的集成，這樣開(kāi)發(fā)者可以容易的對他們的設備進(jìn)行編程。實(shí)際上，這種服務(wù)軟件的部件--硬件驅動(dòng)程序，應用編程接口(API)和配置管理器必須無(wú)縫集成到ADE中，從而使得性能最大化、提高開(kāi)發(fā)生產(chǎn)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(xiàn)

　　每個(gè)自動(dòng)化測試系統的核心部件都是計算機(形式有臺式個(gè)人計算機、服務(wù)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(gè)重要方面就是可以與測試系統中各種各樣的儀器進(jìn)行連接(和通信)?，F在有多種不同的儀器總線(xiàn)用于單獨或模塊化儀器，包括GPIB、USB、LAN、PCI和PCI Express等。這些總線(xiàn)有著(zhù)不同的能力，對于特定應用來(lái)說(shuō)，一些總線(xiàn)比另一些更加合適。例如，GPIB總線(xiàn)在儀器控制中有著(zhù)廣泛的應用，對于儀器來(lái)說(shuō)有著(zhù)廣泛的可用性；USB總線(xiàn)提供了廣泛的可用性、易于連接性和高吞吐量；局域網(wǎng)總線(xiàn)對于分布式系統十分合適，而PCI Express總線(xiàn)則提供了最高效的性能。

　　個(gè)人電腦的廣泛使用促成了高性能內部總線(xiàn)的不斷進(jìn)步，其中包括PCI和PCI Express總線(xiàn)，它們具有最低的延時(shí)和最高的數據吞吐量或帶寬。PCI總線(xiàn)提供了高達132MB/s的總線(xiàn)帶寬，而PCI Express總線(xiàn)作為PCI總線(xiàn)的進(jìn)化版，可提供4GB/s的帶寬，來(lái)滿(mǎn)足不斷增長(cháng)的帶寬需求，同時(shí)在軟件上對PCI總線(xiàn)完全兼容。圖3解釋了最流行的儀器控制總線(xiàn)的延時(shí)和帶寬性能。

圖3：對于各種儀器控制總線(xiàn)的比較。PCI和PCI Express總線(xiàn)提供了較好的帶寬和延時(shí)，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(shū)和《Instrument Bus Performance: Making Sense of Competing Bus Technologies for Instrument Control》白皮書(shū)。

　　結構層次一：測量和設備I/O

　　從根本上講，目前有兩種類(lèi)型的儀器構架--傳統儀器和虛擬儀器。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(xiàn)、處理器、操作系統和用戶(hù)接口。

圖4：傳統儀器和虛擬儀器的構架擁有相似的硬件部分；兩個(gè)構架間最主要的區別是軟件存在于哪里以及用戶(hù)是否能訪(fǎng)問(wèn)到它。

　　從硬件的角度上講，最明顯的區別在于部件是如何組織的。對于每個(gè)分離的儀器，傳統的或者獨立的儀器把所有的部件都放在同一個(gè)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(lái)幫助用戶(hù)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(hù)接口。利用模塊化的方法，工程師們可以定義測試系統的測量功能，并且構建可擴展的系統來(lái)滿(mǎn)足將來(lái)的需求。通過(guò)模塊化的、軟件定義的方法，用戶(hù)可以進(jìn)行自定義測量、為新興的標準進(jìn)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(shí)修改系統。這種靈活的、用戶(hù)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(shū)和《PXI: The Industry Standard Platform for Instrumentation》白皮書(shū)。

　　總結：設計新一代自動(dòng)化測試系統

　　設備復雜性增加、開(kāi)發(fā)周期縮短和預算降低使工程團隊有機會(huì )重新評估現有的自動(dòng)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(dòng)化測試系統時(shí)，加入可以增加系統靈活性、提供更高測量和吞吐量性能、降低測試系統成本并且延長(cháng)壽命的策略是非常重要的。模塊化的軟件定義型自動(dòng)測試系統克服了以往的基于獨立式儀器或成本高昂的私有ATE系統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(kāi)發(fā)可擴展的測試系統，將各個(gè)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有的設備投資來(lái)降低實(shí)現的初始成本。利用最新PC技術(shù)(諸如多核處理器和PCI Express總線(xiàn))的軟件定義型測量，新一代自動(dòng)化測試系統可以顯著(zhù)提高吞吐量性能，并且可擴展以滿(mǎn)足不同產(chǎn)品階段和業(yè)務(wù)部門(mén)的需求。

　　許多公司已經(jīng)實(shí)現了模塊化軟件定義型測試系統策略，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是前一代的測試系統速度的兩倍。美國空軍(The U.S. Air Force)開(kāi)發(fā)測試構架為他們的高級戰斗機提供支持。利用基于PC機的軟件和硬件構架，他們降低了成本，并且把測試系統的尺寸減小了一半Sanmina-SCI公司利用NI TestStand和PXI產(chǎn)品構建了FDA認可的藥品設備測試系統，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(chǎn)量要求的95%。

　　NI公司相關(guān)產(chǎn)品和白皮書(shū)

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

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

硬件：
1. 模塊化儀器(示波器、萬(wàn)用表、射頻模塊、開(kāi)關(guān)等)；
2. 多功能數據采集；
3. PXI系統部件(機箱和控制器)；
4. 儀器控制(GPIB總線(xiàn)、USB總線(xiàn)和局域網(wǎng))。