面向STD标准的信号通道模型研究

牛双诚1，赵秀丽2，许爱强1

（1.海军航空工程学院科研部，山东烟台 264001；2.海军航空工程学院基础部，山东烟台 264001）

面向STD标准的信号通道模型研究

牛双诚1，赵秀丽2，许爱强1

（1.海军航空工程学院科研部，山东烟台 264001；2.海军航空工程学院基础部，山东烟台 264001）

IEEE 1641（STD）标准是IEEE标准委员会制定的新一代面向信号测试标准；首先对STD标准定义的连接及其动态模型进行了分析，梳理了常用的开关类型；接下来，提出了信号通道系统的描述模型和控制模型，并针对常用的多路开关和矩阵开关，给出了开关能力描述模型和开关组件接口定义，总结了资源管理器的工作步骤和虚拟连接的资源共享判断准则；最后，给出了该信号通道模型的实现方法，并通过开发的一个图形化信号通道系统管理软件，简化了用户的开发工作。

自动测试系统；面向信号测试；信号通道系统；开关仪器

0 引言

开关仪器和系统连线共同构成了自动测试系统的信号通道系统，提供了被测对象接口和测试仪器接口间的电气连接，实现了电源、激励、测量、总线、触发等电信号的转接。借助信号通道系统，自动测试系统可以实现测试资源的分时复用，能够利用有限的测试资源满足被测对象的测试需求，降低整个测试系统的成本［1］。

面向信号测试方法是一种先进的测试仪器控制技术。它采用标准的信号模型直接描述被测试设备的测试需求，具有面向被测设备、与测试设备无关、测试程序可移植性好等优点［2］。在面向信号测试方法中，信号通道系统的控制完全由软件平台自动完成。一个高效的信号通道控制模型是面向信号测试技术的核心，能够提高测试效率，节约测试资源，更是测试程序可移植的关键技术。

IEEE Std.1641－2010（Signal and Test Definition，STD）是IEEE标准委员会制定的新一代面向信号测试标准，采用严格的数学形式定义信号模型，规范了14种连接类型，消除了信号连接定义上的歧义问题和不一致现象［3］。自发布以来，STD标准就获得了广泛的关注，得到了大量的研究和应用［4 7］。

本文结合军用自动测试系统的实际，研究了面向STD标准的信号通道控制模型。首先分析了IEEE 1641标准定义的连接及其动态模型，然后梳理了常用的开关类型，提出了信号通道系统的描述模型和控制模型，并针对常用的多路开关和矩阵开关，给出了开关能力描述模型和开关组件接口定义。最后，总结了资源管理器的工作步骤和虚拟连接的资源共享判断准则。

基于本文的模型，我们开发了面向STD标准的信号通道系统控制软件，并应用在某型通用自动测试系统中，获得了较好的应用效果。

1 STD标准

IEEE 1641标准采用信号建模语言定义了标准化的基本信号类型BSC和常用的复杂信号类型TSF，TSF由BSC信号组合而成［3］。在BSC中，IEEE 1641标准规范了14种常用的连接类型 （Connection），如表1所示。其中Non Electrical用于非电信号的连接，在本文中不予考虑。

表1中，每种连接类型定义了通道宽度和端子名称。通道宽度是连接所能承载的信号通道数，一般的连接类型，其通道宽度是确定的。端子（Pin）是信号流经的点，并对应实际的物理针脚。一般的连接类型，一个端子对应唯一的物理针脚。

DigitalBus是STD标准定义的特殊连接类型，用于描述测试系统中的总线连接。该连接没有确定的通道宽度，可拥有一至多个信号通道。DigitalBus只有一个端子pins，所有的物理针脚都在pins中描述。每个通道包括HI和LO两个物理针（若使用公共地，则LO针可省略），两个物理针之间用空格分隔。信号通道之间用“，”或“；”分隔，总线的公共地或屏蔽地放在最后［3］。例如，“PL1－1，PL1－2 PL1－3，GND”，表示有两个通道的数字总线，通道1使用物理针PL1－1和GND，通道2使用PL1－2和PL1－3，公共回路是GND。

IEEE 1641标准定义的连接提供了一种映射信号到实际UUT物理针脚的方法。连接的动态模型如图1所示。连接有4种状态，并根据测试过程语言（TPL）语句命令在不同状态间跳转。

图1 连接的动态模型

2 开关类型

开关是信号通道系统的可控制部分。其种类繁多、大小各异，可按开关的外形、动作结构、触点形式和触点数量等进行分类。本文主要考虑开关的连接关系，所以根据开关的连通关系将开关分为两大类：

1）多路开关，包括常用的单刀单掷、单刀双掷、单刀多掷、双刀双掷等开关，其特征是每个开关只有一个继电器，用于实现一个公共输入通道与多个输出通道的信号转接，任意时刻只能有一路信号导通。

2）矩阵开关，是结构为行列交叉排列的开关产品，其特征是有多个行、多个列，通过行列间的交叉点开关（继电器），能够实现多个输入通道与多个输出通道的任意相连，同时可以有多路信号导通。

图2 常用开关类型

3 信号通道系统描述模型

本文首先建立了如图3所示的信号通道系统描述模型。该描述模型包括端口表、开关表和连线表，端口表描述测试仪器、开关仪器、被测设备电气接口的类型、物理针脚等信息，连线表描述以上各个模块之间的电气连接，开关表则描述了开关的类型、规模和能力。

信号通道系统描述模型分散存储在测试系统描述、仪器能力描述、开关能力描述、适配器描述和被测设备描述文件中。其中，测试系统描述定义了系统拥有的测试仪器、开关仪器和系统连线表；仪器能力描述定义了测试仪器中信号资源的端口表；开关能力描述给出了开关资源的能力及其对应的端口；适配器描述定义了测试适配器和测试电缆的端口表及连线表；被测设备描述定义了被测设备的端口表。

图3 信号通道系统描述模型

在信号通道系统描述模型中，开关能力的建模是最复杂的。我们针对上节描述的两种常用开关类型建立了描述模型。

多路开关可用如下四元组描述：＜Widths，Poles，Has-Free，Default＞，其中Widths表示线宽，Poles描述了开关可以掷的状态及对应的物理针脚，每个状态的针脚数与线宽相同，HasFree表示是否有空状态，Default表示开关的默认状态。下面是一个双刀四掷多路开关的能力描述实例：

矩阵开关可用如下四元组描述：＜Widths，Rows，Cols，Default＞，分别表示线宽、行数及对应的物理针脚、列数及对应的物理针脚和开关的默认状态。下面是一个4×4双线矩阵开关的能力描述实例：

4 信号通道系统控制模型

接下来，我们建立了如图4所示的信号通道系统控制模型。资源管理器负责接收测试需求，并根据测试系统描述、仪器能力描述、开关能力描述、适配器描述和被测设备描述，优化配置开关资源，将虚拟连接映射为物理端口和开关资源的操作，并通过开关驱动程序完成对开关仪器的程控。资源管理为面向信号测试程序提供符合STD标准的函数调用接口。

图4 信号通道系统控制模型

每台开关仪器对应一个面向信号的开关驱动程序，由驱动程序通过仪器控制总线完成对开关仪器的程控。开关驱动程序采用软组件技术设计，每个开关模块对应一个开关组件。不同的开关类型具有不同的组件接口。为了便于资源管理器对开关仪器的管理，每个驱动程序还配有一个仪器管理组件。下面是我们定义的C函数组件接口：

信号通道系统为自动测试系统的电信号提供传输通路，必须保证信号传输的安全性和可靠性，防止发生信号短路、信号串扰等问题。高效、鲁棒的通道资源管理是解决这个问题的可靠保证，其工作步骤总结如下：

步骤一：资源管理器启动时，读取信号通道系统描述模型，构建端口、连线、开关的关联表，建立活跃虚拟连接表、资源使用表和开关状态的内存实时映像。

步骤二：测试程序申请虚拟连接时，查找虚拟信号对应的物理信号资源，基于图搜索算法寻找物理信号资源的端口与当前连接的物理端口之间的路径。对于申请成功的虚拟连接，标记虚拟连接使用的资源为预分配状态。

步骤三：测试程序连通虚拟连接时，通过开关驱动程序的开关组件将虚拟连接使用的开关资源设置为指定状态，并标记虚拟连接使用的资源为占用状态，记录资源的使用计数。如果该资源已经处于占用状态，则不再操作该资源，只更新其使用计数。

步骤四：测试程序断开虚拟连接时，更新资源的使用计数，如果更新后的使用计数为零，则断开开关（或将开关设置为默认状态），将资源标记为预分配状态。

步骤五：测试程序释放虚拟连接时，标记虚拟连接使用的资源为空闲状态，释放虚拟连接占用的内存空间。

步骤六：资源管理器退出时，释放所有的虚拟连接，将所有开关资源设定为默认状态，释放所有占用的内存空间。

以上步骤二中，搜索信号通路时，需要判断当前虚拟连接是否可以与系统的活跃连接共享相同的物理端口或开关资源。我们定义如下资源共享判断准则：

1）隔离性。测试需求中没有说明两个虚拟连接同源（一侧的物理端口相同）时，两个连接不能共用同一个继电器。

2）兼容性。同时刻共享同一继电器的两个虚拟连接，其设定的继电器状态必须一致。分时共享继电器时，不受此限制。

3）可控性。虚拟连接的状态必须可控（连得通，断得开），不能依赖于其他连接的状态。也就是说，对于同一虚拟连接内部的两条线，可以使用同一继电器；而不同虚拟连接的两条线，其使用的继电器集合不能存在包含于或被包含于关系。

5 信号通道模型的实现

LabWindows／CVI是一种标准C语言的软件开发环境，具有函数库功能强大、交互式编程、控件丰富的特点，在自动测试领域具有广泛的应用。本文借鉴IVI－C仪器驱动程序的设计思想，实现了文中提出的信号通道描述模型和控制模型。

资源管理器和开关驱动程序以动态链接库形式存储于指定文件夹下。资源管理器实现了符合STD标准的函数接口。开关驱动程序实现了上节所述的开关组件接口。

信号通道描述模型以INI文件格式存储于系统文件夹下。在开关能力描述文件中，我们为开关模块增加了开关驱动程序及其开关组件的描述，以方便开关驱动程序的加载和调用。为减少驱动程序开发工作，我们允许一台开关仪器内的多个同类型开关模块共享驱动程序内的同一个开关组件。在开关能力描述模型中，通过增加tag属性以区分不同的开关模块。

信号通道描述模型是保证被测对象完成测试的关键组成部分，然而其内容详杂、容易疏漏，尤其是连线关系。我们开发了信号通道管理软件，通过图形化界面方便地配置端口和信号连线关系，能够自动生成符合要求的信号通道描述文件，供资源管理器访问，从而实现测试资源的匹配和信号路径的自动搜索。

6 结语

本文提出了面向IEEE 1641标准的信号通道系统描述模型和控制模型，给出了在LabWindows／CVI集成环境下信号通道模型的实现方法，实现了信号路径的自动搜索和开关资源匹配。为了简化开发工作，我们还设计了一个图形化的信号通道管理软件，极大地简化了系统设计人员和集成人员的工作。

基于本文的模型，我们开发了面向STD标准的信号通道系统控制软件，并应用在某型自动测试设备的软件平台上。应用结果表明，该软件实现了面向信号的信号通道自动控制，具有较强的适用性和较广的应用前景。

［1］李行善，左 毅，孙 杰.自动测试系统集成技术［M］.北京：电子工业出版社，2004.

［2］杜 里，张其善.电子装备自动测试系统发展综述［J］.计算机测量与控制，2009，17（6）：1019-1021.

［3］IEEE Standard Coordinating Committee.IEEE Std 1641－2010 IEEEstandardforsignalandtestdefinition［S］.USA：IEEE，2010.

［4］Cornish M，Brown M.Implementing IEEE 1641－a demonstration of portability［A］.Autotestcon，2005.IEEE［C］.IEEE，2005：144-152.

［5］Cornish M.Implementing IEEE 1641－compilation techniques（to IVI driver code）［A］.Autotestcon，2009 IEEE［C］.IEEE，2009：317-321.

［6］严英强，杨锁昌.面向信号的仪器驱动器结构研究［A］.第十七届全国测控计量仪器仪表学术年会（MCMI'2007）论文集（上册）［C］.2007.

［7］牛双诚，宋振宇，孙保良.面向信号的仪器控制模型研究［J］.计算机测量与控制，2015，23（11）：3904-3908.

Research on STD－oriented Signal Channel Model

Niu Shuangcheng1，Zhao Xiuli2，Xu Aiqiang1

（1.Department of Scientific Research，NAEI，Yantai 264001，China；2.Department of Basic Sciences，NAEI，Yantai 264001，China）

IEEE 1641（STD）is a new standard developed by IEEE SCC 20 for signal－oriented test.This paper first analyzes the connection definition and its dynamic model proposed by the STD standard，and combs common－used switch types.Then，it proposes description model and control model for signal channel system，gives capability description model and interface definition for common multiplex switch and matrix switch types，and summarize work steps of the resource manager and resource sharing criterions for virtual connections.Finally，this paper presents the implementation of the signal channel control model，and proposes a graphical management software to simplify user's development.

ATS；signal－oriented test；signal channel system；switch instrument

1671-4598（2016）08-0009-03

10.16526／j.cnki.11－4762／tp.2016.08.003

：TP311

：A

2016-02-23；

：2016-03-10。

“泰山学者”建设工程专项经费资助项目。

牛双诚（1974-），男，河北新河人，博士，主要从事计算机软件、自动测试系统、电子设备故障诊断、可测试性方向的研究。