自动测试系统的自动化计量方法

孙阳 奚文骏

（1. 海军航空工程学院新装备中心，山东烟台 264001； 2. 海军航空工程学院兵器科学与技术系，山东烟台 264001）

0 引言

自动测试系统是指以计算机为核心，在程控指令下，能自动完成激励、测量、数据处理并显示或输出测试结果的一类系统的统称[1]。从功能角度看，自动测试系统等效于一台综合测试仪器，其激励输出和响应测量的准确性直接影响其完成检测任务的质量和成败[2]。

为了实现自动测试系统的自动化计量，必须设计相应的自动化计量硬件和软件，其中硬件设计主要包括计量标准的建立和计量适配器的设计，软件设计主要是自动计量程序的设计。

1 自动化计量的规划

自动化计量规划的目的是充分了解自动测试系统的结构、仪器种类、系统资源及计量参数。

自动测试系统通常是对大型复杂系统进行测试，需要测试大量参数。由于不同被测对象的输入输出信号对应的是公共的系统资源，因此对所有被测对象的输入输出信号特征应按照系统硬件资源（即按照激励或测量源）进行整理，并按照该资源的最高测试需求精度进行计量。

对于按照不同测试适配器进行的测量，通过对系统资源和信号特征的整理，列出相应的用于计量的系统资源最小有效集合，从而完成整个自动测试系统计量的内容、参数及信号特征的规划。

以某型导弹分机综合自动测试系统为例，系统共包含各类仪器32台，测试适配器8个，可实现多种导弹近200种分机、插板的检测任务，每个适配器对应被测对象20余种，按功能进行计量工作量较大，若通过资源梳理，按适配器进行检定，则8次即可完成。

2 自动化计量的硬件设计

2.1 计量标准装置的选择

对自动测试系统进行计量，首先需要配备量值比较中用于提供标准量的标准装置。为了保证自动测试系统计量的合理可行，可以参照建立计量标准及撰写计量标准技术报告的一般要求[3]，在充分考虑技术要求的前提下，自动测试系统计量标准的建立应包括以下步骤：

1）明确建立计量标准的目的、意义和用途，认真分析计量标准的必要组成和工作原理，掌握利用计量标准开展自动测试系统计量的项目、要求以及计量方法；

2）明确整套计量标准的组成及必须的附件，主要技术指标，包括参数、测量范围、不确定度及限定条件等；

3）明确计量工作中对计量标准装置包括计量软件的操作要求；

4）根据自动测试系统原位计量的特点，明确开展自动测试系统计量的环境条件，并充分分析由环境等因素可能导致的影响；

5）按照计量标准中测量标准不确定度评定的方法，认真分析自动测试系统计量标准装置不确定度分量的组成因素，对标准装置的扩展不确定度进行计算，并考核计量标准重复性和稳定性等因素，最后通过验证确保标准装置能够满足自动测试系统计量的要求。

根据上述要求，尝试对上述导弹分机综合自动测试系统的计量标准进行选择，根据系统硬件资源的计量需要，可选择FLUKE5520作为电压、电流、电阻以及波形测量通路的检定标准，选择功率计Agilent4418B和频率计Agilent53131A作为信号源通路的检定标准。由于以Agilent34401A为测量仪器的电学基本量测量通路在系统中具有较高的测量精度，且通过计量必须保证其准确有效，因此可利用检定合格或校准修正后的电压测量通路，作为系统电源及电压信号的校核标准，并在此基础上进行计量标准的不确定度评定。

2.2 计量适配器的设计

为了实现自动测试系统的自动化计量，必须对不同对象的计量通路进行调配，从而实现计量标准装置对所有信号资源通路的计量遍历，为此必须设计计量适配器。在计量电路中增加辅助电路可能会给计量带来额外误差，因此对计量适配器的设计必须严格进行误差控制，使计量适配器的误差满足计量标准装置的建立要求，并且在数值上可知，该数值最后可以计入计量标准装置的总不确定度，或能够按照系统误差进行修正[1]。

根据导弹分机综合自动测试系统的特点，计量适配器[4]主要完成以下功能：

1）系统测试适配器输出端的模拟信号测量通路到FLUKE5520数表检定端的连接；

2）系统测试适配器输出端的示波器测量通路到FLUKE5520示波器检定端的连接；

3）系统信号源输出端到AgilentE4418B功率检定端和Agilent53131A频率检定端的转接；

4）系统测试适配器电源、指令信号、D/A信号和开关信号输出端到自身模拟信号测量电路的转接。

同时为了实现模拟测量通路和电压信号通路的自动转换，计量适配器同样必须具备程控功能，为此还需添加CPU板和GPIB通信板，计量适配器系统框图如图1所示。

图1 计量适配器的组成框图

通过选择计量标准装置并设计计量适配器，完成了自动化计量的硬件设计，自动测试系统的资源通过测试适配器输出，由计量适配器转接至计量标准装置，自动测试系统程控仪器、计量适配器和计量标准装置均通过GPIB总线受自动测试系统主控计算机的控制，系统结构图如图2所示。实施计量时，自动计量软件控制系统资源依次通过计量适配器转接至相应的计量标准装置，实现参数计量测试，并遍历所有待检系统资源，完成自动测试系统的自动化计量[4]。

3 自动化计量的软件设计

自动化计量的实现需要对自动测试系统的仪器进行程控，因此设计自动化计量软件时，应根据自动测试系统软件的基本功能或结构，在充分利用自动测试系统软件现有资源的前提下，尽量由系统软件原设计人员参与，以保证软件设计的可靠性和整体的一致性。同时，通常还需要考虑以下几个方面的功能：

图2 自动测试系统系统级计量结构图

1）实现系统资源、计量适配器和计量标准装置的程控，按照计量要求，在相应的时机配置不同仪器，并读取和保存计量数据。

如果软件开发人员有足够的权限，可以在该软件平台的基础上，将计量标准装置和计量适配器等仪器的信息注册录入自动测试系统软件平台的资源管理器，通过软件平台实现对该部分资源的统一管理，简化计量软件的开发过程。同时，还应考虑与原有自动测试系统的兼容性，基于自动测试系统原有软件平台的计量软件功能结构图如图3所示。

图3 基于自动测试系统软件平台的计量软件结构图

2）计量数据的处理和计量结果的判定

计量数据的处理主要是将标准装置的标准值和对应系统资源实际测量值进行比较，得到绝对误差、相对误差等形式的误差数据，以备进行误差比较。计量结果判定主要是将计量测试误差值与误差判定极限值来比较，如果测量误差超出误差判定极限，则判定该项数据超差或项目不合格。

3）计量结果对测量数据的修正

将计量结果中可修正的参数误差通过误差修正表或误差修正曲线等形式存储修正数据，用于以后测量中对测量数据的修正。

对于具有多个检定点的计量参数项目，应根据相应的静态或动态模型对该参数的各个检定点的误差值进行回归分析和曲线拟合，得出每个检定点的实际修正值，或给出误差修正方程，作为误差修正曲线，对该参数的所有测量值进行修正。

4 结束语

自动测试系统的自动化计量是自动测试系统发展的必需，但目前该领域的研究还不够深入，本文虽然对自动化计量问题进行了一定的实验与探讨，但距离该问题的完善解决还有很大距离。目前自动测试系统的计量功能依然存在的问题：一是由于自动测试系统自身的资源与结构，给后续的计量带来困难；二是自动化计量软件再开发难度较大；三是自动测试系统自身往往不具备参数修正模块，计量数据无法应用。为此必须对自动测试系统的可计量性开展研究，将其作为系统设计的一个重要部分才能从根本上解决该问题。

[1]毛宏宇, 杨光, 王文良等. 综合自动测试设备动态计量方法[J]. 吉林大学学报, 2010, 40(1): 119-122.

[2]孙群, 孟晓风, 郑伟. 自动测试系统视情计量保障方法研究[J]. 测试技术学报, 2008, 22(1):24-29.

[3]孙宝江, 沈士团, 陈星. 自动测试系统校准方法研究[J]. 宇航计测技术, 2007, 27(1): 30-34.

[4]李效辉, 刘宁泽, 黎琼炜. 自动测试系统适配器的计量方法[C]. 计量与质量专题学术交流会, 北京:2007: 55-57.