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航空装备自动化测试技术

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【摘要】:
概述随着武器装备的电子化、数字化、自动化、智能化程度越来越高,为其配套的自动化测试设备必须适应这种形势,特别是在航空、航天等军工领域,武器装备的科研、集成、使用、诊断、维护的全过程中,先进的自动化测试设备起着举足轻重的作用。因此,综合了电子技术、测量技术、自动化技术和计算机技术于一体的自动测试系统的设计与研发,成为国内外自动化测试设备供应商的重要发展方向。自动测试系统是伴随着武器装备研制过程的自动

概述

随着武器装备的电子化、数字化、自动化、智能化程度越来越高,为其配套的自动化测试设备必须适应这种形势,特别是在航空、航天等军工领域,武器装备的科研、集成、使用、诊断、维护的全过程中,先进的自动化测试设备起着举足轻重的作用。因此,综合了电子技术、测量技术、自动化技术和计算机技术于一体的自动测试系统的设计与研发,成为国内外自动化测试设备供应商的重要发展方向。

自动测试系统是伴随着武器装备研制过程的自动化进程而产生和发展的。以航空工业为例,自动测试系统被用来完成各种各样的航空电子设备的生产过程检测和维护保障测试,以达到提高产品质量和生产率的目的。采用自动测试系统,一位经过简单培训的操作员就能完成很复杂的测试任务。整个测试过程都是通过操作员向测试设备的控制计算机发命令来完成的。各种自动完成的测试活动能避免那些在手动测试时才会发生的错误、遗漏、不正确的判断,错误的测量和其他一些手动控制的缺点。自动测试系统的初期投资可在短期得到回报。因为在各阶段测试中避免了大量的人为因素的错误,而纠正这些错误和事故的成本会是高昂的。此外,自动测试系统大大减少了测试过程中那些需由人工完成的重复、乏味的动作,大大改善了测试人员的工作环境,同时也极大地提高了产品的检测速度。

针对飞机系统来讲,机内测试(BIT,built in test)和机外测试都属于自动化测试技术的范畴,本文主要论述隶属于机外测试的自动测试系统及其相关实现技术。机内测试技术发展较快,专业性强,已经成为一门独立的专业技术。

本文内容主要涉及自动化测试技术及其物化的自动测试系统所涉及的各个技术层面,希望通过本章的内容,使读者对自动化测试技术的基本原理、发展状况、设计方法、应用案例及其涉及的关键技术有一个较为全面的了解,对于从事自动化测试技术研究的工程技术人员或者想了解该技术的管理人员有所帮助。

基本原理

自动化测试技术是指为了自动完成激励、测量、数据处理、显示与输出等功能所采用的硬件和软件等相关技术。自动测试系统(ATS,automatic test system)是指那些采用计算机控制、能实现自动化测试的系统,即能自动完成激励、测量、数据处理、显示/输出测试结果的系统。自动测试系统通常是在标准的测控系统或仪器总线的基础上组建而成的,具有高速度、高精度、多功能、多参数和宽测量范围等众多特点。与以往的人工手动测试方法相比,自动测试系统提高了测试效率,降低了测试成本。与传统的单台分立式仪器相比,自动测试系统测量参数更多,测试范围更宽。

自动化测试技术应用广泛,其物化的自动测试系统一般是针对一定的应用领域和被测对象,并且常按应用对象命名,因此有飞机自动测试系统、导弹自动测试系统、发动机自动测试系统、雷达自动测试系统、印制电路板自动测试系统和大规模集成电路自动测试系统等。对于飞机等大型装备的自动测试系统,又可以按应用场合来划分,例如可分为生产过程用自动测试系统(面向功能、性能测试)及场站维护用自动测试系统(以返修测试及故障定位为目的)等。

航空自动化测试系统由自动测试设备(ATE,automatic test equipment)和测试程序集(TPS,test program set)组成。

ATE由以下部分组成:

①基本系统:包括测试控制计算机(TCC,test control computer)、被测对象(UUT,unit under test)和测试程序集硬件(TPH,test program hardware)的供电电源、被测对象(UUT)和TPH的冷却源、基本测试资源、开关系统、接口适配器和ATE系统软件等。

适配接口的接收器由接入机构、接触体模块(包括绝缘模块和插孔)组成,提供ATE与测试单元适配器(TUA,test unit adapter)的机械和电气接口,其结构应确保与TUA快速、可靠地对接和脱离,即使在ATE不断电时对接和脱离也不应造成任何损坏。

②扩展设备:包括射频测试仪器、微波测试仪器、光电测试仪器和微波资源面板等。

TPS由测试程序(TP,test program)、测试程序集硬件(Test Program Hardware,TPH)和测试程序集文档(TPSD,test program set document)组成。

自动测试系统(ATS)的组成示意图如图1所示。

1 自动测试系统(ATS)组成示意图

图中,自动测试设备(Automatic Test Equipment,ATE)是对系统中用于完成测试任务的全部硬件和软件所构成的完整设备的统称,它是自动测试系统的最具有代表性意义的组成部分,如图2所示。

2自动测试设备(ATE)的基本组成

技术分类

自动化测试技术经过几十年的发展,已经从传统的单台设计发展到可重构、可剪裁的组合结构设计。传统的自动化测试技术实现方法主要包括体系架构设计、硬件结构设计、软件结构设计、测试接口适配器技术、测试需求描述技术、测试程序语言技术、测试程序开发技术等。此外,基于VXI、PXI等总线的测试模块和仪器是实现自动测试系统的重要基础。

新一代自动化测试技术是为了实现满足全寿命周期和跨武器平台应用所需要的一类技术。自动化测试设计技术主要包括体系架构设计技术、硬件结构设计技术、软件平台设计技术、接口适配器设计技术、测试需求描述技术、测试程序开发技术、测试资源设计技术等。其中,软件平台和基于测试总线的测试资源是自动测试系统组成的重要支持技术。随着自动测试技术的发展,新技术不断涌现,如可重构/可剪裁体系架构设计、硬件结构设计、软件结构设计、自动测试标记语言(ATML,automatic test markup language)技术、通用测试接口适配器技术(CTI,,common test interface)、并行测试技术、综合仪器技术、可互换虚拟仪器驱动技术(IVI,interchangeable virtual instrument)、TPS可移植与互操作技术及通用的TPS开发和运行环境技术等。自动化测试技术分类框图如图3所示。

图3 自动化测试技术分类

主要作用

现代飞行器对综合保障能力的需求越来越高,具有测试速度快、故障隔离准确度高等特点的自动测试系统将发挥越来越重要的作用。自动化测试技术及其物化的自动测试系统对飞行器发展的作用主要体现在以下几个方面:

(1)飞行器综合保障的关键设备

飞行器综合保障的发展趋势是实现快速、及时、准确和高效保障,而减少地面保障设备和维修人员,降低保障费用是国内外综合保障的最终目标。根据国外多年的经验,在自动测试系统基础上,采用人工智能技术实现有效的故障诊断是实时上述目标的重要关键设备。

(2)飞行器综合诊断能力提高的关键要素

综合诊断的核心是需要将综合诊断的各个要素(包括服务、知识、数据、机内测试设备、原位测试设备及离位测试设备等)进行综合。因此,自动测试系统作为原位/离位测试设备的重要设备,是实现飞行器综合诊断的关键信息源。

(3)飞行器维护保障费用降低的关键设备

    自动测试系统的主要功能就是提供故障检测和隔离能力,通过将专家经验、产品历史故障等知识的综合,利用人工智能技术可以实现更为精确的诊断推理,能够提高产品的故障检测和故障隔离能力,减少错误拆卸次数,从而大大降低维护保障费用。

发展概况

自动测试系统经历了从专用型向通用型发展的过程。在早期,仅侧重于自动测试设备基本功能的实现,近年来,则着眼于建立整个自动测试系统体系结构,同时注重ATE研制和TPS的开发及可移植,以及人工智能在自动测试系统中的应用。目前,ATS正向着分布式的面向武器装备全寿命周期和跨武器平台应用的方向发展。

    自动测试系统的发展过程大体上可分为以下4个阶段。

    (1)第一代自动测试系统——单台分立式仪器专用型

早期的自动测试系统多为专用系统,是针对具体测试任务而研制的。它主要用于测试工作量很大的重复测试,或者用于高可靠性的复杂测试,或者用来提高测试速度,在短时间内完成规定的测试,或者用于人员难以进入的恶劣环境。

第一代自动测试系统的缺点主要表现在接口及标准化方面。在组建这类系统时,设计者要自行解决系统中仪器与仪器,仪器与计算机之间的接口问题。当系统比较复杂时,研制工作量很大,组建系统的时间长,研制费用高。而且,由于这类系统是针对特定的被测对象而研制的,接口不具备通用性,系统的适应性不强,改变测试内容往往需要重新设计软件和硬件,而且接口设计、仪器/设备选择等方面的工作都是由系统的研制者各自单独进行的,未充分考虑所选仪器/设备的复用性、通用性和互换性问题,由此带来的突出问题是:

    ①飞机所需自动测试系统数目巨大,费用十分高昂,而且严重降低保障设备的机动能力。

    ②由于仪器/设备的可复用性差,一旦被测对象退役,为之服务的一大批专用自动测试系统也随之报废,测试设备方面的浪费惊人。

(2)第二代自动测试系统——台式仪器积木型

第二代自动测试系统是在标准的通用接口总线(general purpose interface busGPIB)的基础上,以积木方式组建的系统。系统中硬件资源如计算机、程控仪器、程控开关等均为台式设备,每台设备都配有符合接口标准的接口电路。组装系统时,用标准的接口总线电缆将系统所含的各台设备连在一起构成系统。这种系统组建方便,一般不需要自己设计接口电路。由于组建系统时的积木式特点,这类系统更改、增减测试内容很灵活,而且设备资源的复用性好。系统中的通用仪器(如数字多用表、信号发生器、示波器等)既可用作自动测试系统中的设备,也可作为独立仪器使用。应用一些基本的通用智能仪器可以在不同时期,针对不同的要求,灵活地组建不同的自动测试系统。

    目前,组建这类自动测试系统普遍采用的接口总线为可程控仪器的通用接口总线GPIB,称此总线为IEEE488。采用GPIB总线组建的自动测试系统特别适合于科学研究或武器装备研制过程中的各种试验、验证测试,已广泛应用于工业、交通、通信、航空航天、核设备研制等多种领域。但基于GPIB总线的自动测试系统有其难以克服的缺点,主要表现为:

    ①总线传输速率不够高(最大传输速率为1Mb/s),很难以此总线为基础组建高速、大数据吞吐量的自动测试系统。

    ②由于这类系统是由一些独立的台式仪器用GPIB电缆串接组建而成的,因此系统中的每台仪器都有自己的机箱、电源、显示面板、控制开关等,从系统角度看,这些机箱、电源、面板、开关大部分都是重复配置的,它阻碍了系统的体积、重量的进一步降低。这说明,以GPIB总线为基础,按积木方式难以组建体积小、重量轻的自动测试系统。而对于某些应用场合,特别是军事领域,对体积、重量方面的要求极高。

(3)第三代自动测试系统——模块化仪器集成型

    第三代自动测试系统是基于VXI(VMEbus eXtensions for instrumentation)、PXI(PCI eXtensions for instrumentation)等测试总线,主要由模块化的仪器/设备所组成的自动测试系统。VXI总线是VME(VERSA module Eurocard bus) 计算机总线向仪器/测试领域的扩展,具有高达40Mb/s的数椐传输速率。PXI总线是PCI(peripheral component interconnect)总线向仪器/测量领域的扩展,其数据传输速率约为132~264Mb/s。以这两种总线为基础,可组建高速、大数据吞吐量的自动测试系统。在VXI(或PXI)总线系统中,仪器的显示面板及操作,用统一的计算机显示屏以软面板(soft panel)的形式来实现,从而避免了系统中各仪器、设备在机箱、电源、面板、开关等方面的重复配置,大大降低了整个系统的体积、重量并能在一定程度上节约成本。

主要缺点如下:

①随着自动测试系统应用范围不断扩展,各个ATS厂商生产的自动测试系统相互难以兼容,大大降低了自动测试系统的利用率。

②产品全寿命周期内的设计验证、生产检测及维护保障的测试数据格式不一致、TPS不兼容,导致各阶段测试资源及测试数据难以实现共享。

(4)下一代自动测试系统(NxTest)——可重构、可裁剪、测试资源及数据共享型

下一代自动测试系统(NxTest)是美国国防部于本世纪初提出的新一代自动测试系统架构。可重构、可剪裁、测试资源及数据共享是下一代ATS的重要体系特征,以满足纵向集成和跨武器平台应用。可重构和可剪裁是指自动测试系统采用方箱式结构,可根据不同用户需求进行剪裁,各模块之间通过标准化接口实现,系统集成商可根据不同对象的测试需求,通过对测试仪器、接口适配器及测试软件等部分的有机组合和灵活配置,可以很方便的组成新的自动测试系统。下一代自动测试系统(NxTest)在实现方法上,是将软硬件划分为通用的功能模块,模块的划分和系统集成方式可能有区别,但对模块的功能和接口实施标准化则是一致的做法。系统的基本组成单元是可裁减的ATE构件、通用的仪器模块、综合仪器和通用的接口适配器(IEEE P1505,又称为CTI)。通过这些构件组成适合不同武器系统、不同寿命阶段的测试设备。并通过信息化网络通信、自动测试系统描述模型及诊断推理模型、维护数据等资源一起构成闭环诊断。

2002年4月,为了实现自动测试系统跨武器平台应用,降低系统集成费用,美国国防部ATS执行署(DoD EAO for ATS)组织成立了下一代综合测试产品机构(NxTest IPT)。该机构于2004年全面启动了系统级的联合演示验证项目——敏捷快速全球作战保障(ARGCS,agile rapid global combat support)的开发工作。实施ARGCS的主要目的在于:①验证并完善NxTest的技术体系结构框架及其24项接口标准;②充分发展各项测试技术;③演示下一代国防部ATS目标的实现方法;④指导和推动后期各军种ATS的现代化发展。NxTest IPT由空军、陆军、海军陆战队和海军的代表组成,其主要目标是降低ATS采办和使用费用,改进ATS的互联和互操作性。负责新一代ATS的定义、开发、验证、计划实施。这种ATS应具有开放的系统结构,支持新的测试需求、系统更新和新技术引入。NxTest IPT下设4个工作组,分别是:光电工作组、自动化测试标记语言工作组、综合仪器工作组和灵巧型全球军事支援系统概念技术验证工作组,之后又设立了通用测试接口(CTI)工作组。早期设置的ATS研究和发展IPT(ARI)致力于开发ATS的系统结构框架,也于2002年并入NxTest IPT。从技术角度而言,航空自动化测试技术的发展趋势主要体现在以下几个方面:

(1)信息化、开放、通用的体系结构

在体系结构上,NxTest建立了一种基于信息平台的框架结构,组成这一平台的各种要素具有统一的接口标准,产品寿命周期各个阶段的测试资源通过这种信息平台实现共享。软硬件实现上,将系统划分为通用的功能模块,具体的应用系统,采用积木方式由这些通用的功能模块搭建而成。测试系统的基本组成单元是可裁减的ATE构件、通用的仪器模块、综合仪器和通用的接口适配器。通过这些构件组成适合不同武器系统、不同寿命阶段的测试设备,并通过信息化网络通信与诊断推理、维护数据等资源一起构成闭环诊断。

(2)具有标准软、硬件接口的模块化结构

具有标准软、硬件接口的模块化结构是实现通用测试系统的重要技术途径。为此,IEEE标准协调委员会在NxTest需求的牵引下发布了一系列的自动化测试和诊断系统的软硬件标准,如:

①IEEE P1552――ATS体系结构标准。该标准定义了组成ATS的各种模块的物理和电气结构,模块之间的信号和通信接口等。

②IEEE P1505――ATS测试接口标准(CTI的基础)。该标准定义了适应先进电子设备测试的通用ATS测试接口的物理和电气结构。

③IEEE 1641――信号和测试定义标准。它所提出的“平台无关”特性,使测试程序适应各个寿命阶段的测试环境。

④IEEE P1671――ATS信息交换标准。定义了ATS相关的信息描述方法,用于ATE设备的更新、TPS的移植、测试数据的交换和测试报告的生成等。

⑤IEEE P1636――测试数据交换软件接口标准。用于测试和诊断数据的信息共享。

⑥IEEE Std 1232-2002 (AI-ESTATE)――所有测试环境内的测试和诊断信息描述标准。用于诊断资源的共享。

(3)综合仪器技术

综合仪器是将若干个传统的测量和激励仪器功能通过软件算法和硬件模块进行综合形成。综合仪器的模块化结构特征使得仪器的构建非常灵活,它能适应各种应用场合,如多通道的激励和测量,可以很方便地对系统进行更新及提供复杂的系统级标定和诊断能力。

Teradyne的BTI系列就是基于合成仪器的设计思想,目前有众多的机载总线标准在使用,如MIL-STD-1553,ARINC 429,RS 422,RS 232,MIL-STD-1773,RS 485等等。通过机载总线对飞机机载系统进行测试和仿真是飞机机载系统原位测试的重要途径。为此,各种各样的机载总线测试接口适配器应运而生,如1553B总线、ARINC 429总线、ARINC 629总线、RS232总线等的接口适配器。目前的状况是,针对每一种机载总线都要开发与之对应的测试接口适配器。这不但造成硬件和测试程序代码的重复开发,也给使用带来了不便。近几年,世界著名的军用测试系统供应商,如Teradyne等,致力于开发综合的机载总线测试接口适配器,如Teradyne的BTI系列。每一个BTI模块可以测试多种机载总线,如图4所示。

图4 BTI模块

4)通用接口适配器

通用接口适配器建立在IEEE P1505的基础上,这种接口在结构上具有可剪裁性,频率上能支持从直流到高频直至光速的所有信号传输,并具有高可靠性和高性价比。通过使用通用接口适配器可以在不同测试站之间实现互操作,降低TPS更新的费用,方便引入新的仪器技术,有利于更新过时的测试系统等。

(5)多通道并行模拟测量和激励

并行测试是在同一时间内运行多个测试程序。通过使用并行测试,可以改善测试系统的处理能力,增加测试设备的利用率,同时减少测试时间,满足实时测试要求。

实现模拟信号并行测试的方法有很多种,其中美国Teradyne Ai7 系列是以VXI卡式仪器的方式在传统ATE中实现并行测试的。Ai7是一个单槽C尺寸VXI模块,具有32个测试通道,每一个通道可以提供6种不同的仪器资源,如函数发生器、任意波形发生器、数字化仪、数字多用表、极限检测器和时间计数器等。32个通道可以同时进行测试,通道间可以共用一个触发信号。Ai710(如图5所示)已经配置在改进的CASS系统中,完成了F/A-18 UUT的测试。

5 Teradyne Ai710模块

另外,Ai760将多个卡式仪器功能在一个VXI模块上实现,极大地提高了仪器密度,可以更加实时和精确地仿真UUT的功能,提高对UUT功能测试的速度。

(6)共享测试和诊断资源

长期以来,共享资源一直是自动测试系统追求的目标之一,但随着测试系统种类和软件应用格式的大量出现,不同的测试站与软件模块之间的接口成为实现资源共享的一个屏障。自动测试标识语言(ATML)标准的发布则为解决这一问题带来了契机。ATML是用于通用ATS软件组件的接口标准,它以可扩展标识语言XML(eXtensible Markup Language)为基础。目前ATML工作组已确定用于ATS中的最通用的外部软件接口,并使用XML为每个接口提供一个专用格式。ATML的优越性体现在:

①增强不同测试平台间的互操作性;

②通过对使用ATML的ATE、仪器和UUT的分析,增加了可更换宿主的有效性;

③通过更多地分析ATML数据,增加了TPS可靠性;

④极大地减少了软件工具的数量,所有适应ATML的测试站可使用相同的软件工具。

另外测试和诊断资源的共享还体现在诸如,利用BIT确定测试程序执行的起始点,以节省测试时间;利用维护历史数据来改善诊断决策等。

(7)自动测试系统的网络化应用

随着国外“陆海空天一体化作战”及“网络中心站”等作战模式的提出和发展,对武器装备测试信息技术的发展提出了更高的要求。自动测试系统作为武器装备维护过程重要的信息源,必须支持网络化应用。测试设备(包括BIT、ATS等)的网络化是实现以网络为中心的装备测试信息系统的前提,而测试信息系统对于实现测试数据、测试资源的共享提供了必要条件。测试资源(如TPS、测试策略、测试需求文档等)在网络环境下实现共享,可以实现测试设备的快速升级,如TPS可以存储在服务器中,TPS升级仅在服务器即可完成,不需要每个客户端重新升级,这样可以大大降低保障设备更新换代时间及维护成本。

国内的自动测试技术自“九五”以来,一直跟踪国外技术发展,取得了丰硕成果。国内自动测试系统生产厂商众多,如航空领域的各个主机所、专业测试所等,一些民营企业也研制了自动测试系统。自动测试系统已经在航空、航天、船舶及电子等行业得到广泛应用。

国内部分研制单位的自动测试系统硬件平台结构已经按照国外下一代自动测试系统(NxTest)标准进行研制,通用接口适配器、并行测试技术、综合仪器技术已经有了一定的突破,并且研制了相应的原理样机,为建立可重构、可剪裁的自动测试系统奠定了技术基础。

国内TPS开发工具主要有两类:第一类是专用开发工具,如LabView、MeasurementStudio、LabWindows/CVI及Visual C++等;第二类是通用开发平台,如航空系统某研究所的CATS(consolidated automatic test system)和IFTE(integrated automatic test equipment)等。目前,自动测试系统软件开发工具已经向通用开发平台方向发展,应用也越来越多。已有部分软件平台支持ATML标准,如航空系统某研究所的GTest,已经实现了跨武器平台测试资源和测试数据的共享。

 

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