基于ATML的分布式ATS架构研究

刘兆庆,乔立岩

(哈尔滨工业大学自动化测试与控制研究所，哈尔滨 150001)

0 引言

以计算机技术为核心的自动测试系统ATS(Automatic Test System)是实现电子设备故障诊断、健康管理和功能性测试的重要保障。自20世纪70年代以来，ATS已经历了专用ATS、机架堆叠式ATS、基于背板的模块化ATS、开放系统架构ATS等4个发展阶段[1]，通用化一直贯穿于ATS发展过程。

测试系统通用化最初的目标是仪器互连及操作接口的标准化，随着测试总线技术和相应软件规范的推陈出新，该目标得以充分地实现。但由于测试目标类别及数量规模的迅速膨胀，被测设备研制、生产、部署和维护全寿命周期中的测试成本急剧升高；不同型号、类型产品间测试资源共享也愈发突出[2]，因此，ATS测试程序集可移植性和仪器互操作性、互换性成为ATS通用性新的研究热点，它直接决定了系统的设计周期、维护成本、技术寿命、测试诊断性能、对新技术和被测对象的适应性[3]。

为推进ATS的通用化，重点解决测试程序集(Test Program Set, TPS)的可移植性和仪器的互换性问题，业界先后推出了ATLAS(Abbreviated Test Language for Avionics System)、SCPI(Standard Commands for Programmable Instrum-ents)、VPP(VXI Plug&Play)、IVI(Interchan-geable Virtual Instrument)、ATML(Automatic Test Markup Language)等技术规范，并在此基础上构建了通用ATS开放系统架构。目前，主流的通用ATS主要采用集中式系统架构，即以测试计算机为系统控制核心，借助虚拟仪器和测试总线技术，实现对系统组件的控制[4]。在该架构下，仪器仅作为测试操作的执行机构，ATS的信息处理和协调控制性能直接受制于测试计算机和测试总线性能，系统软件规模臃肿，设计维护成本较高，系统的信息互通性和通用化程度不理想。

针对集中式ATS架构的固有缺陷，本文采用LXI( LAN eXtensions for Instrumentation)为系统主干，设计了一种基于ATML标准集、以网络为中心的分布式通用ATS架构，并采用自研的硬件设备和软件工具搭建验证演示系统，验证其可行性和合理性。

1 ATS通用化技术概述

1.1 ATS通用化基本原理

如图1所示，ATS是自动测试设备、TPS、TPS开发工具集等软硬件组件的有机结合体。构建通用ATS的关键，是实现TPS可移植性和仪器互换性、互操作性。基本解决思想是对ATE(Automatic Test Equipment)的功能进行规范化定义或封装，进而实现ATE驱动程序和硬件资源的标准化对接[5]。即尽可能避免TPS直接操作ATE，通过标准化驱动程序或测试程序接口，实现TPS的硬件无关性和可重用性。基于该设计思路，业界从ATS的不同技术应用角度，提供了多种技术规范和解决方案。

图1 ATS逻辑结构简图Fig.1 ATS logical structure diagram

1)仪器互换性技术，主要实现仪器控制接口的标准化，包括SCPI、VPP、IVI等，其分别定义了程控仪器命令、仪器驱动函数、仪器测试功能和软件接口的标准；2)测试软件标准化技术，以广域测试标准(A Broad-Based Environment for Test，ABBET)为代表，定义了开放的系统软件架构和信息交互框架，通过标准化组件间的信息接口、服务机制、控制流程，推进测试系统的标准化[6]；3)面向信号的测试语言，包括ATLAS、STD(Signal and Test Definition)、ATML等，以面向信号的语义实现仪器功能和接口的标准定义；4)合成仪器技术，结合面向信号的测试语言，采用标准化的信号功能模块构建仪器，借助软件算法和可重构技术，实现仪器对TPS的自适应。

经历多年的技术发展和市场选择，上述构建通用化ATS所需关键技术标准已日趋成熟。然而，由于其分别针对ATS通用化的某一方面或层面，且存在不同的应用局限性或技术缺陷，均无法独立构建通用ATS。实现ATS通用化的有效技术途径是构建开放系统架构，利用商业标准定义系统行为和元素，通过标准化系统内接口、服务、协议、数据格式，实现仪器的互换性、TPS的可移植性，以及ATS间的互操作性[7]。

20世纪90年代，美国国防部(US Department of Defense，DoD)联合各军/兵种和IEEE电子系统测试诊断标准协调委员会(Standard Coordinating Committee 20, SCC20)、LXI联盟、Boeing、Rohde&Schwarz等标准化组织或工业企业，共同开展名为NxTest的下一代ATS研究工作，并于1996年开始联合制定DoD ATS框架[8]。如图2所示，DoD ATS框架采用模块化设计和开放系统架构，借助ABBET、ATML、STD等商业标准，从模型、组件、接口、规范等4个方面定义了20余个关键元素，全面覆盖了TPS、ATE、UUT (Unit Under Test)等ATS组成部分。由于DoD ATS框架大量采用商用技术和产品，重点关注测试信息和系统接口的标准化，可根据技术发展和产品换代，灵活地进行调整、拓展和升级。同时，通过吸收面向信号的测试语言、合成仪器、并行测试、综合诊断等先进测试技术，进一步提高了ATS测试能力，缩减了测试时间[9]。

图2 DoD ATS框架组成示意图Fig.2 DoD ATS framework

1.2 集中式ATS架构局限性

目前，DoD ATS框架已被确立为美军ATS的强制性标准，并初步形成了以军/兵种为单位的系列化、标准化的DoD ATS家族[10]。DoD ATS框架成功的基础是采用基于ATML的开放系统架构，以分层、分类组织的商业标准集替代单一的技术标准，以面向信号的信息标准化替代驱动接口标准化。从而较好地实现了TPS的可移植性，并降低了系统管理、维护和升级难度。以SCC20 ATML Demo Phase I系统为例，由于沿袭了传统ATS的运行机制和部分技术规范，具有较突出的技术局限性，如图3所示。

1)系统性能受限。集中式系统架构下，作为系统核心的测试计算机和测试总线常常成为性能瓶颈，即使仪器本身具有计算、存储等能力，也难以融入系统进行统一调度。而单纯提高计算机和总线性能也难以取得系统性能等量的提升，同时带来成本的倍增。

2)仪器智能性和信息互通性应用受阻。由于仪器仅为测试执行机构，其任务管理、信息处理、组件通信等必须借助测试计算机完成，在浪费部分高端仪器计算和存储资源的同时，阻碍了仪器间信息互通性的应用，加大了系统通信主干的压力。

3)软件层次臃肿。DoD ATS框架仍通过VISA(Virtual Instrument Software Architecture)库和IVI驱动程序实现仪器控制，ATML仅作为调用仪器驱动程序的信息接口，而非独立的互换性解决方案，系统的软件规模和设计成本进一步膨胀。

4)仪器互换性问题未有效解决。由于系统采用IVI驱动程序实现仪器互换，而IVI规范以功能对仪器进行分类，无法覆盖所有仪器，并且对于专用仪器、复合功能仪器、合成仪器支持较差，系统的仪器互换性问题不能得到本质解决。

图3 SCC20 ATML Demo Phase I系统架构Fig.3 SCC20 ATML Demo Phase I system architecture

2 基于ATML的分布式ATS架构

2.1 基于ATML的分布式ATS架构技术可行性

引发DoD ATS框架技术局限性的直接因素，是采用以测试计算机为中心的集中式系统架构，并试图借助IVI等技术，以标准化软件接口的形式解决系统组件的互换性问题。LXI技术和ATML标准集的出现，为构建通用ATS提供了一种分布式解决方案，即以LXI为系统主干，通过网络互联系统内具有独立控制、通信和信息处理能力的智能仪器，并以符合ATML标准集的测试信息组织其管理任务、交互信息、协作测试。一方面，由于采用ATML作为系统各环节测试信息标准，通过充分利用其面向信号的特性，可有效增强仪器互换性。另一方面，由于系统和测试任务的控制主体转变为各智能仪器，借助仪器的计算、存储、触发等资源，可有效缓解系统的性能压力。相对于以DoD ATS框架为代表的集中式ATS架构，其具有较强的可行性和技术优势。

1)通用化。面向信号的ATML标准集能够最大程度地解决TPS可移植性问题，而采用ATML作为消息基LXI仪器的通信格式，借助嵌入式系统和网络技术实现ATML测试信息的解析执行，可有效实现系统组件的互换性和通用化。

2)数据带宽和延迟。LXI(典型带宽12.5MB/s)相对于PXI/PXIe(典型带宽132MB/S或4000MB/s)并不具备优势，但通过利用仪器的计算和存储资源对本地原始数据进行处理或存储，系统带宽需求和压力可显著下降。此外，利用LXI同步与触发机制，可降低网络延迟的不确定性，有效保障测试操作的实时性。

3)系统的可拓展性和成本。LAN是工业界最稳定、开放、廉价的技术标准[1]，XML是以太网应用的信息交互标准，LXI和ATML分别继承了其优良的特性。采用LXI为主干集成系统，借助ATML标准化各环节信息，可构建高聚合、低耦合、经济的通用ATS。

2.2 基于ATML的分布式ATS架构设计

综合考虑通用ATS应用需求和LXI技术特点，本文设计了一种基于ATML的分布式通用ATS架构。如图4所示，其可划分为系统层、网络连通层和仪器层。系统层以测试计算机为载体，包含了管理、开发、执行测试诊断任务所需的软件工具和用户接口；网络连通层采用标准LXI接口集成各测试设备和提供信息交互媒介；仪器层主要采用支持LXI接口的智能仪器，提供测试诊断功能。系统层与仪器层内部，以及系统层与仪器层之间的信息交互格式，均遵循ATML标准集。仪器间的协作与测试任务的推进，采用LXI同步与触发机制提供驱动信号。其基本运行原理如下文所述。

图4 基于ATML的分布式通用ATS系统架构Fig.4 Distributed general ATS system architecture based on ATML

(1)仪器智能性与信息互通性应用

该架构选用配备可拓展软件系统的仪器或总线桥，以LXI为主干组建混合测试系统。借助仪器的计算、存储和网络通信资源，实现ATML测试信息的分布式处理与交换。

① ATML信息解析应用。经拓展测试计算机、仪器或总线桥的软件系统，可利用ATML解析技术，实现各系统节点内ATML文件的生成、发布、解析、执行，并借助LXI LAN消息或其他网络通信机制，实现系统层与仪器层、仪器与仪器之间的ATML标准信息交互，从而推进系统组件的通用与互换。

②处理器和存储资源应用。仪器或总线桥可对原始测试数据进行预处理或暂存，从而动态利用系统闲置带宽，并缓解混合测试系统带宽压力。

③测试资源管理应用。经配备测试资源管理器软件，仪器或总线桥可实现对多个测试子任务的管理和调配，从而实现分布式的并行测试，提高仪器利用率。

图5 LXI同步与触发机制应用原理Fig.5 Application of LXI synchronization and trigger mechanism

(2)同步与触发机制应用

如图5所示，各仪器以测试操作为单位逐步执行测试任务，测试操作的执行，可分为任务装载和测试执行两个阶段。在任务装载阶段，仪器对测试功能模块和触发系统进行预编程；在测试执行阶段，外来的触发信号将激活本地仪器执行预编程的测试操作。以同步与触发机制为驱动的测试操作执行，在缓解网络延时问题的同时，构建了两级流水机制，并利用LXI触发的多播机制，实现系统状态广播(如图5中的①和⑧)和并行测试(如图5中的⑥)[11-12]。

3)ATML标准集应用与管理如图6所示，该架构选用ATML测试描述、仪器描述、测试站描述、测试适配器描述、测试结果等作为系统测试信息标准。采用高聚合、低耦合的软件设计思想，各组件或环节之间的信息交互、发布和调用均采用ATML，可有效保障系统组件互换性和信息互通性。

图6 ATML标准集应用原理Fig.6 ATML standard set application diagram

3 验证演示系统设计

根据第2节阐述的系统架构和层次功能，本文采用模块化的软件设计思想，分别设计实现了系统层和仪器层软件，并根据实用化测试需求，以自研软件工具和硬件设备，搭建了验证演示系统和设计验证演示实验，检验分布式ATS架构的合理性与可行性。

3.1 系统层软件设计

系统层软件架构如图7所示，为实现与ATML 货架产品工具的兼容，根据功能需求封装为多个分立的ATML工具，然后以集成开发环境的形式进行整合。系统层软件采用Java RCP技术开发，主要在测试计算机端提供测试开发平台和用户管理接口，可划分为测试资源描述层、测试信号映射层、测试设备连通层。

1)测试资源描述层。采用dom4j解析器，根据用户测试需求生成ATML测试描述；采用基于mDNS/DNS-SD的仪器发现工具和适配器发现工具，发现并解析设备域名，然后从设备内置的服务器下载ATML仪器描述和适配器描述；采用测试站描述生成工具，根据已获取的仪器描述和用户配置信息，生成ATML测试站描述；采用MySQL数据库，实现对ATML测试结果描述的分析综合和测试报表的生成。

2)测试信号映射层。根据测试资源描述层的ATML文件，依次进行信号路径分析、触发资源分析、测试资源分析、测试流程分析，在对比信号类型、参数、时序关系的基础上，将测试需求信号映射至仪器功能信号，并根据损耗均衡策略进行测试子任务分解，插入仪器间触发信号，生成ATML测试子任务。

3)测试设备连通层。采用SOAP协议，发送ATML测试子任务给仪器，并接收返回的测试结果描述。

图7 系统层软件架构Fig.7 Software architecture of system layer

3.2 仪器层软件设计

仪器层软件设计如图8所示，采用面向对象的C语言开发，主要在仪器端嵌入式系统内，实现ATML测试子任务和测试结果的解析、管理、执行，可划分为ATML解析层、测试运行层、信号驱动层。

图8 仪器层软件架构Fig.8 Software architecture of instrument layer

1) ATML解析层。采用Axis2/C SOAP服务器接收ATML测试子任务和返回ATML测试结果描述；采用基于expat的ATML解析器，根据本地测试资源和测试数据，分别生成ATML仪器描述和测试结果描述，并将ATML测试子任务解析为测试序列，导入测试运行层；利用操作系统接口，重点实现对ATML解析器的动态内存管理和错误管理。

2)测试运行层。利用测试任务管理模块，实现对本地多组测试序列的管理和调度，逐次传递给测试流程控制器；利用测试流程控制器，根据顺序、循环、分支测试流程，以及测试信号间的时序关系，将测试序列中的测试操作，依次映射为面向信号的驱动调用；采用仪器通信模块，利用LXI LAN消息多播机制，实现测试任务和仪器状态的发布。

3)设备/信号驱动层。参照STD信号组件库，在测试功能模块驱动和同步触发系统驱动的基础上，封装并提供面向信号的驱动库。

3.3 验证演示系统设计

本文采用自研的仪器、测试适配器、UUT和电缆搭建验证演示系统，进行测试诊断实验。如图9所示，该系统采用4台自研的LXI多功能仪器，分别插接2个外购或自研的M/MA测试功能模块，经测试电缆和测试适配器，连接至UUT测试端口。各LXI多功能仪器均安装至全宽ATS机架，经网线连接至Symmetricom SyncSwitch TC100型透明时钟，通过工控计算机进行系统控制和监视，并采用Pickering 60-985型触发电缆构建仪器间LXI硬件触发链路。

图9 验证演示系统硬件组成Fig.9 Hardware composition of verification demonstration system

参照SCC20 ATML Demo Phase I项目的演示实验，本文采用IEEE 1671.1-2009 Annex B中提供的开放UUT故障模型电路和测试策略，设计UUT和验证演示实验，对本文设计的系统架构和软件工具进行验证[13]。如图10所示，本文设计的UUT以共射极基本放大电路为基础，引出Vi、Vo、Vcc等测试点以提供电路静态或动态参数测试接口，并通过跳线实现对UUT各元件短路或开路故障的注入。

图10 验证演示系统UUT故障模型电路Fig.10 UUT fault model circuit

如图11所示，以系统层软件为控制平台，经手工导入或自动发现ATML测试描述、仪器描述、测试站描述、适配器描述等文件，系统层将执行信号映射和任务分配，进而面向各仪器生成和下发分立的测试子任务文件。各仪器以同步与触发为驱动完成测试任务后，系统将生成ATML测试结果描述，并显示UUT故障隔离和诊断结论。经实验验证，该系统能够按预定流程完成测试操作，各环节涉及的ATML文件，均通过了XMLSpy软件的XML Schema校验，符合ATML标准集和LXI规范。

图11 系统层软件运行界面Fig.11 System layer software

4 结论与展望

本文针对ATS的通用化需求，以及集中式ATS架构普遍存在的性能和互换性问题，设计并初步验证了一种基于ATML的分布式通用ATS架构。该架构采用LXI为系统主干融合各测试总线，以网络为中心,以ATML为信息交互标准,

以LXI同步与触发为驱动。通过充分利用网络和XML的跨平台特性，有效保障了系统的通用化，提高了仪器的互换性和互操作性。通过发掘仪器的智能性和信息互通性，缓解了ATS日益增长的数据带宽压力，较好地解决了网络延时的不确定性问题，并提供了一种可行的分布式并行测试方案。经验证演示实验，该架构满足ATS通用化需求和实用需要，具备较好的可行性和合理性。

参考文献

[1] 刘正升, 万程亮, 蒋志忠, 等. 自动测试系统中新技术的发展及应用[J]. 中国测试, 2009, 35(04): 58-61.

[2] Liu Z Q, Qiao L Y, Peng Y, et al. The design and verification of a LXI based distributed universal ATS architecture[C]. Autotestcon 2012 IEEE, 2012:254-261.

[3] Ross W A. The impact of next generation test technology on aviation maintenance[C]. Autotestcon 2003 IEEE, 2003: 2-9.

[4] Gorringe C, Neag I A, Taylor R. ATML demonstration[C]. Autotestcon 2009 IEEE, 2009: 322-327.

[5] 黄建军, 杨江平, 彭飞. 通用自动测试系统(ATS)体系结构及关键技术[J]. 火力与指挥控制, 2009, 34(3): 71-74.

[6] Weiss D H. Principles of a broad based environment for test (ABBET) demonstration (PAD): “ABBET in action”[C]. Autotestcon’ 95 Systems Readiness: Test Technology for the 21stCentury Record. 1995: 69-74.

[7] DoD ATS Executive Directorate. DoD ATS Architecture Guide[EB/OL]. 1999[2013-5-8]. http：//www. acq. osd. mil/ats/DoD_ATS_Architecture_Guide.doc.

[8] Ross W A. Moving toward a DoD automatic test system standard[C]. Autotestcon 2006 IEEE, 2006: 739-747.

[9] Meng J S, Li T Y, Xie Y L. Synthetic test equipment using PXI based instrumentation[C]. IEEE Circuits and Systems International Conference on Testing and Diagnosis, 2009: 1-4.

[10] Krayewsky M, Bond M. LM-STAR technology support solution[C]. Autotestcon 2004 Proceedings, 2004: 129-135.

[11] Li Z, Zhou F L, Yao X J. Research on LXI trigger bus[C]. International Conference on Embedded Software and Systems, 2009: 553-558.

[12] Mueller J E. Using LXI events in ATS[C]. 2006 IEEE Autotestcon - IEEE Systems Readiness Technology Conference, 2006: 452-460.

[13] IEEE Trial-Use Standard for Automatic Test Markup Language (ATML) for Exchanging Automatic Test Equipment and Test Information via XML: Exchanging Test Descriptions[S]. New York: IEEE, 2009.