自动化测试系统搭建的研究

梁鹤鸣

（威凯检测技术有限公司 广州 510663）

引言

随着社会科技的发展，人工智能、互联网、大数据等等新技术不断地冲刷我们的认知。如何利用新技术来构建完善的测试生态系统中是测试技术行业发展的大方向。测试自动化是实现该测试生态系统第一步。与制造业的自动化技术有所不同，自动化测试注重测试过程的控制及数据的采集和处理，追求数据的准确、可追溯。自动化测试包括试验过程自动化、结果判断自动化、数据处理自动化、报告生成自动化等。本文从检测工程师的视角出发，阐述从设计规划到方案实施的全过程，为推广测试自动化提供一个参考。

1 自动化测试的意义

此前，我国的制造业由劳动密集型为主，凭借廉价的劳动力赚取巨大的利润。而随着人工成本的逐渐增加，利润空间逐渐缩小，企业慢慢通过自动化机械设备替代工人，以往几百上千的车间现在可能只有几个工人在值守。保证了利润的同时提高了产品生产的稳定性，效率也有所提高。实现测试自动化，检测行业同样可以降低人力成本、提高测试准确性。另外将测试数据全数字化管理，便于数据的储存及分析利用。

自动化技术从10多年前就开始在制造业普及发展，为什么检测行业中的自动化程度还是那么低呢？首先有别于制造业的生产线，企业生产的产品比较单一，同一条生产线通常生产的是同一个规格型号的产品。而检测行业本身对测试人员的要求较高，同时要检测的产品则种类繁多，即使同类产品外观参数上各式各样五花八门。因此要针对某种产品进行自动化检测从设计上难度不小。而且，产品检测技术与自动化技术是两门独立的学科，因此自动化设备制造商往往不能很好地理解产品测试标准的要求，或缺乏对产品检测的经验。设计制造出来的设备不一定能满足检测行业的需求。因此阻碍了自动化测试的普及。

由检测行业人员自行研究开发或主导开发自动化测试设备可提高检测行业的自动化程度。我们可以将测试项目模块化和将结构检查等人为主观判断的项目与序号通过考核量化数据的项目分开。前者可以将测试工程师判断后的结果输入数据库，作为结果直接输出及作为其它测试条款的参数条件使用。而后者则是自动化测试的着重点，将测试过程控制、数据记录及处理、条款的判定程式化，用电脑替代以往工程师的角色读取数据，根据标准要求对数据进行处理然后判定结果。最后将数据及结果上传到数据库中，由数据库汇总所有测试结果生成最终的测试报告。下文笔者以发热管的测试为例子，从项目设计规划、仪器选择、控制电路、软件程序、集成调试逐一介绍如何搭建自动化测试系统。

2 设计规划

以发热管测试为例，通过对标准的深入研究以及平常试验的经验总结，发热管的主要测试按照JB/T 4088-2012《日用管状电热元件》标准中的表6试验进行。这些试验中序号5、管体温度测量；8、功率偏差测量；9、冷态下电气强度试验；10、工作温度下的泄漏电流试验；11、工作温度下的电气强度试验；这几个试验可通过电脑替代人工操作测试。而且这几个测试的测试条件及主要设备大至相同，可将其整合在一个系统之中。因此将这几个测试项目定为开发目标。而后再深入地分析这5个试验需要测试的物理量、所需设备、测试条件。如表1所示的分析表将测试标准的条款要求进行分解。

有测试对象目标后，还需对它们进行统筹规划，使得整个测试流程能够高效地执行。根据标准的测试顺序要求，及根据试验条件排列出最优化的项目的测试顺序。5个测试中冷态电气强度试验样品是从初始状态下进行而其余的都需要达到热稳定因此应排在第一个，而工作温度下的电气强度试验则需热稳定后断电测试，所以按样品的通电顺序应排在最后。剩下的实验中工作温度下的泄漏电流应放在第2个进行，因为该测试电压不是额定电压而是使功率达到额定功率1.15倍时的电压，其余试验的为额定电压。较高的电压也可以加速产品更快地达到热稳定，缩短测试的时间。那么整理一下得出表2测试顺序。

图1 JB/T 4088-2012日用管状电热元件标准形式试验要求

表1 发热管试验分析表

表2 测试顺序

再接下来继续每个试验逐一细化，根据标准中的测试条件及要求，将文字条款转换为流程图以便后面的软件程序的编程。下面就以功率偏差测试为例介绍如何将标准中的条款转换为测试流程图。

对图2中标准对产品功率偏差的要求，分析解读一下就是样品通额定电压，稳定后测量产品的功率在计算其与额定功率的偏差，最后判断是否符合标准要求，我们将文字转换为图3所示的流程图。

如此类推各个试验的标准条款转换为流程图之后，项目前期的设计规划就基本完成了。下面进入下一个硬件的选择工作。

3 仪器选择

在构建自动化测试系统时选择硬件设备应遵循以下规则：功能满足试验的需求；仪器规格满足试验要求；仪器价格满足成本要求。下面以功率偏差测试为例子介绍仪器选择的过程。

在之前项目规划中，已经分析过了测试的需求，明确需要什么测试仪器，可以将设备选择缩小到特定的设备仪器种类。在表1的分析表中我们需要测量两个物理量：电压和功率。另外在整个测试过程中需要对测试进行监控如：样品通电后要判断样品是否稳定，需要根据产品外管发热温度来判断的，因此还需要对温度进行测量。此外，需要一个电源为测试供电。

图2 JB/T 4088-2012日用管状电热元件标准中关于功率偏差试验内容截图

图3 功率偏差测试流程图

表3 各种通讯接口综合比较

在将测量任务缩小到特定仪器类别之后，下一步是对该类别的设备进行比较和权衡，选取合适的规格量程。在功率偏差实验中，输出设备是电源，在发热管标准适用范围规定了产品额定电压不超过440 V，单管的功率不超过6 000 W。因此我们电源在参数上应该满足产品的最大测试参数，并留有一定安全余量。一般在考虑成本的情况下余量系数约为1.3倍左右。即电源的最高输出电压应不小于600 V，功率不小于11 KW。而输入仪器有：电压表、功率表、热电偶采集器。在考虑其量程时同样要以标准及实际应用时的最大值来确定。例如电压表和功率表则基本与电源的输出范围进行匹配。而热电偶则根据产品实际最高发热温度来确定（同样要预留一定余量系数约为1.5倍）。在量程选择完成之后我们要根据我们试验实际情况选择仪器的带宽/采样率和分辨率/精度等参数。像功率测试属于低速测试因此采样率不需要太高一般的kHz等级设备即可，而仪器精度则满足标准要求即可（见图4）。除此在测试过程中有可能会出现产品击穿、漏电等极端情况，因此仪器通道间及通道对地的隔离等级要满足在出现极端情况下可以保护设备安全。

用电脑来控制仪器进行读取数据，仪器与电脑连接有各种各样的接口如：串口，USB、以太网/LAN、GPIB。选择合适的总线接口两个条件：带宽和延时。

表3及图5是各种接口总线带宽（分辨率）及延时的比较和性能比较，在选择仪器设备时可以作为参考。当然除了带宽及延时的考虑之外还需要考虑成本。带宽越宽延时越低的往往价格更高。因此我们根据实际，接口“够用即可”。就如绝大多数常规家电产品检测仪器设备，USB总线足以满足。如通讯射频波形的测量则最低至少要PCI/PXI总线的仪器。

图4 JB/T 4088-2012日用管状电热元件标准中关于仪器设备精度要求的截图

图5 各通讯接口性能比较

4 控制电路

如果说流程图是系统的骨架，仪器设备为器官，那么控制电路则是神经。测试过程中电脑通过I/O控制模块控制开关电路对电源、负载、样品以及仪器等进行切换。来实现样品的通断电、样品测量、以及工位的切换。另外通过开关电路设计，可以实现一台仪器测量多个工位样品从而减少设备的重复投入以及提高仪器的利用率。

以功率偏差试验为例子。图6为3个工位的发热管功率偏差的原理图。当闭合总开关S后，1号、2号、3号样品各自回路上的S1、S2、S3开关初始状态为常闭NC状态。3个样品都开始通电，并开始检测管体温度或倒数计时。当样品热稳定后，控制开关S1将它打到常开NO端。那么1号样品的电流流过功率计的电流表，此时功率计的读数为1号样品的功率。当1号样品读取完数据之后，开关S1重新恢复到常闭NC端，1号样品与功率计断开连接。紧接着控制开关S2将它打到常开NO端。那么1号样品的电流流过功率计的电流表，此时功率计的读数为2号样品的功率。当2号样品读取完数据之后，开关S2重新恢复到常闭NC端，2号样品与功率计断开连接。最后控制开关S3将它打到常开NO端。那么3号样品的电流流过功率计的电流表，此时功率计的读数为3号样品的功率。当3号样品读取完数据之后，开关S3重新恢复到常闭NC端，3号样品与功率计断开连接。当所有完成后断开总开关S。样品断电试验结束。

以上只是较为简单的功率测试电路，而要把5个试验整合到一个电路中去，还需要在这个电路基础上增加更多的开关进行切换。如：如果要在功率偏差试验的基础上增加电气强度测试，那么每个工位需要增加开关，用于切断样品与供电电路的连接，将样品切换至耐压机输出的高压端，而耐压机的另一端则连接到样品的外壳上（如图7所示）。因篇幅有限其余测试的电路这里就不一一介绍了。

在一般的测试电路中，常用的开关控制元件有继电器、接触器、固态继电器等。在选择开关元件时，其分断能力及载流能力一定要与系统匹配。另外还需考虑预留一定数量的I/O通道以便设备以后功能扩展。

5 软件程序

软件程序时整个系统的大脑。软件程序担负着各个设备的控制，样品工作状态的监控，试验过程的控制及数据的采集处理。很多人都会觉得整个系统最难的就是软件编程。实际上现在的编程软件入门门槛并不高，简单地说会用电脑的基本就可以学会。例如笔者并不是软件工程出身，但这并不妨碍笔者开发测试系统程序。

我们的软件系统大致分为：信息录入、测试过程控制、数据采集及处理、结果输出四个大模块。

5.1 信息录入

包括项目信息如：项目编号、制造商信息、产品型号规格、产品额定参数等；测试参数、条件；测试人员信息；测试时间等。该部分主要为了后面测试条件设置和数据保存及报告生成作准备。

5.2 测试过程控制

根据测试的控制流程图，通过I/O口控制测试电路各开关元件，以及控制仪器的输出输入。

5.3 数据采集处理

通过设备仪器采集测试中的数据信心。如：电路中的电压、电流、功率、产品的电阻、温度等。并根据标准的要求对数据进行计算分析。

5.4 结果输出

包括根据测试得出的结果生成测试报表、数据录入原始记录报告、数据上传数据库等。

图6 功率偏差测试电路原理图

图7 发热管电气强度测试电路原理图

以功率偏差试验为例，列出功率偏差程序的基本架构。

6 集成调试

当各个试验的硬件及软件部分都已经就绪之后我们就可以进行最后一步的集成调试工作。集成分为硬件集成和软件集成，硬件集成主要是将仪器设备与我们的控制开关电路进行连接，最终验证电路的可靠性及安全性（如其它仪器对耐压试验高压的隔离）。而软件集成则是把多个测试的软件模块整合到一个程序中。因为之前软件程序的模块化设计会使得该步骤相对简单。待整体调试完成后，我们的自动化测试系统就基本完成了。最后需要对整个系统进行验证，要对采用人工方法测试与系统自动测试的结果进行比对，验证整个测试方法是否正确才能投入实际应用。除此在实际运作之后某些地方需要进行修改或要增加新的功能。

7 结语

设计规划是自动化测试系统的建造的整个过程最为关键一步，因为这个测试系统的合理性、实用性都取决于设计。虽然设备制作并不是检测行业工作人员的专业，但是他们熟悉标准和产品测试，因而检测人员参与设计自动化测试设备，可以使其更加符合测试要求。