1. 緒論：自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

測(cè)試管理人員和工程師們?yōu)榱吮ＷC交付到客戶手中的產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性，在各種應(yīng)用領(lǐng)域 (從設(shè)計(jì)驗(yàn)證，經(jīng)終端產(chǎn)品測(cè)試，到設(shè)備維修診斷) 都采用自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)。他們使用自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)執(zhí)行簡(jiǎn)單的“通過”或“失敗”測(cè)試，或者通過它執(zhí)行一整套的產(chǎn)品特性測(cè)試。由于設(shè)計(jì)周期后期產(chǎn)品瑕疵檢測(cè)的成本呈上升趨勢(shì)，自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)迅速地成為產(chǎn)品開發(fā)流程中一個(gè)重要的部分。這篇“設(shè)計(jì)下一代自動(dòng)化測(cè)試”的文章描述了一些迫使工程團(tuán)隊(duì)減少測(cè)試成本和時(shí)間的挑戰(zhàn)。這篇文章還深刻地洞察了測(cè)試管理人員和工程師們?nèi)绾瓮ㄟ^建立模塊化軟件定義型測(cè)試系統(tǒng)來克服這些挑戰(zhàn)。這種測(cè)試系統(tǒng)在減少總體成本的同時(shí)，顯著地增加了測(cè)試系統(tǒng)的吞吐量和靈活性。

如今的測(cè)試工程師們面臨著一系列新的壓力。他們所面臨的產(chǎn)品開發(fā)環(huán)境情況如下：

產(chǎn)品設(shè)計(jì)比前幾代更為復(fù)雜

為了保持競(jìng)爭(zhēng)力并滿足客戶要求，開發(fā)周期要求越來越短

產(chǎn)品測(cè)試成本越來越高，而預(yù)算越來越少

不斷提高的設(shè)計(jì)復(fù)雜性

如今，測(cè)試測(cè)量的最明顯趨勢(shì)是器件復(fù)雜性不斷增加。例如，消費(fèi)電子、通信和半導(dǎo)體工業(yè)持續(xù)要求將數(shù)字圖象/視頻、高保真音頻、無線通信和因特網(wǎng)互聯(lián)性集成到一個(gè)單獨(dú)產(chǎn)品中。甚至在汽車中都集成了復(fù)雜的汽車娛樂和信息系統(tǒng)、安全和早期預(yù)警系統(tǒng)，以及車身和發(fā)動(dòng)機(jī)上的控制電子裝備。測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不僅需要足夠靈活地支持對(duì)不同產(chǎn)品模型進(jìn)行廣泛的測(cè)試，還需要能夠進(jìn)行升級(jí)以提供新測(cè)試功能所需的更多測(cè)試點(diǎn)。

更短的產(chǎn)品開發(fā)周期

由于希望不斷提高新產(chǎn)品和技術(shù)，擁有市場(chǎng)第一個(gè)占有率的競(jìng)爭(zhēng)天性，設(shè)計(jì)和測(cè)試工程團(tuán)隊(duì)只能不斷的縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。為此，工程團(tuán)隊(duì)必須設(shè)計(jì)出新的測(cè)試策略來減少測(cè)試時(shí)間，并提高從設(shè)計(jì)到生產(chǎn)的測(cè)試效率。

日益增加的測(cè)試成本和日益減少的測(cè)試預(yù)算

增加設(shè)備功能通常會(huì)導(dǎo)致測(cè)試流程更昂貴、費(fèi)時(shí)。然而，構(gòu)建每個(gè)功能的成本卻是降低的，這就迫使工程部門要減少成本和預(yù)算，如圖1所示。工程師們必須改進(jìn)測(cè)試策略，通過增加測(cè)試系統(tǒng)的吞吐量、減少維護(hù)和升級(jí)成本和必需的資本投資來降低總成本。

圖1. 來自SIA的數(shù)據(jù)表明：隨著時(shí)間推移,硅(或者器件功能)的成本在降低，但測(cè)試成本卻在持續(xù)增加。

2. 日益增加的測(cè)試成本和日益減少的測(cè)試預(yù)算

為了應(yīng)對(duì)器件復(fù)雜性增加、開發(fā)周期縮短和預(yù)算減少的挑戰(zhàn)，測(cè)試管理人員和工程師們被迫放棄傳統(tǒng)的測(cè)試設(shè)計(jì)策略，即基于傳統(tǒng)箱式儀器或“大鐵塊”式的私有ATE系統(tǒng)。這些獨(dú)立的儀器缺少軟件處理所必需的靈活性，而且用戶接口是由廠商定義的，只能由廠商通過固件更新。這樣，儀器固件中沒有定義的測(cè)試以及新標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試就難以執(zhí)行;或者當(dāng)要求變化時(shí)，也難以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行修改。由于這些器件最初就是作為獨(dú)立儀器而設(shè)計(jì)，他們?nèi)鄙俦匾募赡芰?，譬如?shù)據(jù)流和同步功能。私有的ATE系統(tǒng)(例如高度集成產(chǎn)品芯片測(cè)試儀)能提供所需性能，但成本相當(dāng)昂貴，可能會(huì)使工程團(tuán)隊(duì)被廢棄，過早地進(jìn)行系統(tǒng)再設(shè)計(jì)。

針對(duì)這些情況，測(cè)試管理人員和工程師們正在實(shí)現(xiàn)模塊化軟件定義型測(cè)試結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)基于廣泛采納的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，可以提供：

更高的測(cè)試系統(tǒng)靈活性：可擴(kuò)展至多種應(yīng)用、業(yè)務(wù)部門，以及各個(gè)產(chǎn)品階段

高性能的結(jié)構(gòu)：可以顯著提高測(cè)試系統(tǒng)吞吐量，并提供與不同儀器廠商之間的密切聯(lián)系和集成，包括精密直流信號(hào)、高速模擬和數(shù)字信號(hào)和射頻信號(hào)的生成與

分析。

更低的測(cè)試系統(tǒng)投資：減少最初資本投資和維護(hù)成本，同時(shí)增加多種測(cè)試要求中的設(shè)備使用率

更長(zhǎng)的測(cè)試系統(tǒng)壽命：基于廣泛采納的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，允許技術(shù)升級(jí)來改進(jìn)性能并滿足將來的測(cè)試需求

NI公司作為自動(dòng)化測(cè)試領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者，致力于為產(chǎn)品工程師們提供設(shè)計(jì)新一代自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)所需的硬件和軟件。這本深入的開發(fā)者指南包含了設(shè)計(jì)新一代自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)所需要的信息。緒論部分描述了一個(gè)如圖2所示的測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，為工程師們提供了相關(guān)策略，以應(yīng)對(duì)器件復(fù)雜性的增加、開發(fā)周期的縮短、預(yù)算的降低等一系列挑戰(zhàn)。

圖2. NI公司提供了一套完整的、用于設(shè)計(jì)自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)的軟硬件解決方案

3. 層次結(jié)構(gòu)五：自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)管理軟件

自動(dòng)化的測(cè)試系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)多種任務(wù)和測(cè)量功能：這些任務(wù)和功能中，一些與待測(cè)設(shè)備(DUT)相關(guān)的，而另一些對(duì)于每個(gè)待測(cè)設(shè)備是通用的。為了把維護(hù)費(fèi)用降至最小，并且保證測(cè)試系統(tǒng)的壽命，實(shí)現(xiàn)DUT級(jí)別的任務(wù)與系統(tǒng)級(jí)別的任務(wù)相分離的測(cè)試策略是十分重要的，這樣工程師們?cè)谡麄€(gè)開發(fā)周期中可以迅速地重用、維護(hù)并修改測(cè)試程序(或者模塊)來滿足特定的測(cè)試需求。

在所有的測(cè)試系統(tǒng)中，都存在著根據(jù)待測(cè)設(shè)備不同的不同操作，也存在著對(duì)于所有待測(cè)設(shè)備都通用的操作，例如系統(tǒng)級(jí)別的任務(wù)等。

對(duì)于每個(gè)設(shè)備不同的操作

• 儀器配置

• 測(cè)量

• 數(shù)據(jù)采集

• 結(jié)果分析

• 校準(zhǔn)

• 測(cè)試模塊對(duì)于每個(gè)設(shè)備通用的操作

• 操作界面

• 用戶管理

• DUT跟蹤

• 測(cè)試流程控制

• 存儲(chǔ)結(jié)果

• 測(cè)試報(bào)告

一些公司已經(jīng)編寫了自己的測(cè)試執(zhí)行器，并且分配了寶貴的工程資源來從頭開始開發(fā)測(cè)試管理軟件。這通常會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)率下降并且為了維護(hù)軟件而長(zhǎng)時(shí)間占用資源。為了使生產(chǎn)效率達(dá)到最大化，工程團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)該利用商業(yè)上可用的測(cè)試管理軟件，例如NI TestStand軟件等，來減少對(duì)于每個(gè)設(shè)備的通用操作的開發(fā)。通過利用這個(gè)軟件，工程師們可以專注于對(duì)各設(shè)備的專有操作的開發(fā)。需要更多信息，請(qǐng)查閱《Developing a Modular Software Architecture》白皮書。

4. 結(jié)構(gòu)層次四：應(yīng)用開發(fā)軟件

在測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，應(yīng)用開發(fā)環(huán)境(ADE)，例如NI公司的LabVIEW和LabWindows/CVI等，扮演了關(guān)鍵角色。利用這些工具，測(cè)試系統(tǒng)開發(fā)者可以與各種各樣的儀器通信、集成測(cè)量、顯示信息、與其它應(yīng)用連接等等……理想的用于開發(fā)測(cè)試和測(cè)量應(yīng)用的ADE需要提供易用性、高效編譯性能、與多種I/O集成以及編程靈活性等一系列的應(yīng)用要求。易用性不僅在于可以多么迅速地上手和使用。利用易于使用的ADE ，開發(fā)者可以容易地把處理例程和多種測(cè)量設(shè)備集成在一起，創(chuàng)建復(fù)雜的用戶接口，部署和維護(hù)應(yīng)用程序，并且在產(chǎn)品設(shè)計(jì)改良和系統(tǒng)需要擴(kuò)展時(shí)修改應(yīng)用程序。

如需更多信息，請(qǐng)查閱《Choosing the Right Software Application Development Environment》白皮書。

5. 結(jié)構(gòu)層次三：測(cè)量和控制服務(wù)

測(cè)量和控制服務(wù)提供了對(duì)系統(tǒng)中各種硬件資源的連接、系統(tǒng)配置和診斷工具等，至關(guān)重要。例如，NI Measurement and Automation Explorer (MAX)可以對(duì)硬件資源進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)，包括數(shù)據(jù)采集、信號(hào)調(diào)節(jié)硬件;GPIB、USB和局域網(wǎng)控制型儀器;PXI系統(tǒng)、VXI設(shè)備;模塊化儀器……，因此開發(fā)者可以在一個(gè)地方對(duì)它們進(jìn)行配置。集成診斷測(cè)試保證了設(shè)備功能正常，而測(cè)試面板為開發(fā)者在開始編程前檢查硬件的功能提供了快捷的方法。測(cè)量和控制服務(wù)還通過應(yīng)用編程接口(API)提供了對(duì)應(yīng)用開發(fā)軟件層的集成，這樣開發(fā)者可以容易的對(duì)他們的設(shè)備進(jìn)行編程。實(shí)際上，這種服務(wù)軟件的部件——硬件驅(qū)動(dòng)程序，應(yīng)用編程接口(API)和配置管理器必須無縫集成到ADE中，從而使得性能最大化、提高開發(fā)生產(chǎn)率，減少總維護(hù)成本。

6. 結(jié)構(gòu)層次二：計(jì)算和測(cè)量總線

每個(gè)自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)的核心部件都是計(jì)算機(jī)(形式有臺(tái)式個(gè)人計(jì)算機(jī)、服務(wù)器工作站、便攜式電腦或者嵌入式計(jì)算機(jī)等不同與PXI和VXI配合使用)。使用計(jì)算式平臺(tái)的一個(gè)重要方面就是可以與測(cè)試系統(tǒng)中各種各樣的儀器進(jìn)行連接(和通信)。現(xiàn)在有多種不同的儀器總線用于單獨(dú)或模塊化儀器，包括GPIB、USB、LAN、PCI和PCI Express等。這些總線有著不同的能力，對(duì)于特定應(yīng)用來說，一些總線比另一些更加合適。例如，GPIB總線在儀器控制中有著廣泛的應(yīng)用，對(duì)于儀器來說有著廣泛的可用性;USB總線提供了廣泛的可用性、易于連接性和高吞吐量;局域網(wǎng)總線對(duì)于分布式系統(tǒng)十分合適，而PCI Express總線則提供了最高效的性能。

個(gè)人電腦的廣泛使用促成了高性能內(nèi)部總線的不斷進(jìn)步，其中包括PCI和PCI Express總線，它們具有最低的延時(shí)和最高的數(shù)據(jù)吞吐量或帶寬。PCI總線提供了高達(dá)132MB/s的總線帶寬，而PCI Express總線作為PCI總線的進(jìn)化版，可提供4GB/s的帶寬，來滿足不斷增長(zhǎng)的帶寬需求，同時(shí)在軟件上對(duì)PCI總線完全兼容。圖3 解釋了最流行的儀器控制總線的延時(shí)和帶寬性能。

圖3 對(duì)于各種儀器控制總線的比較。PCI和PCI Express總線提供了較好的帶寬和延時(shí)，即較好的總吞吐性能。

7. 結(jié)構(gòu)層次一：測(cè)量和設(shè)備I/O

從根本上講，目前有兩種類型的儀器構(gòu)架——傳統(tǒng)儀器和虛擬儀器。圖4解釋了這兩種架構(gòu)的相似性。兩種都具有測(cè)量硬件、機(jī)箱、電源、總線、處理器、操作系統(tǒng)和用戶接口。

圖4 傳統(tǒng)儀器和虛擬儀器的構(gòu)架擁有相似的硬件部分;兩個(gè)構(gòu)架間最主要的區(qū)別是軟件存在于哪里以及用戶是否能訪問到它

從硬件的角度上講，最明顯的區(qū)別在于部件是如何組織的。對(duì)于每個(gè)分離的儀器，傳統(tǒng)的或者獨(dú)立的儀器把所有的部件都放在同一個(gè)箱子里。測(cè)量功能、分析、顯示以及對(duì)儀器的控制都是由供應(yīng)商定義的。

相反的是，模塊化軟件定義型虛擬儀器集成了通用的測(cè)量硬件來幫助用戶除了使用標(biāo)準(zhǔn)功能外，還可以在軟件中定義自己的測(cè)量和用戶接口。利用模塊化的方法，工程師們可以定義測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)量功能，并且構(gòu)建可擴(kuò)展的系統(tǒng)來滿足將來的需求。通過模塊化的、軟件定義的方法，用戶可以進(jìn)行自定義測(cè)量、為新興的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)量或者當(dāng)需求改變(例如，添加儀器、通道或者新型測(cè)量)時(shí)修改系統(tǒng)。這種靈活的、用戶定義型軟件與可擴(kuò)展的硬件組合是模塊化儀器的核心。

8. 總結(jié)：設(shè)計(jì)新一代自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)

設(shè)備復(fù)雜性增加、開發(fā)周期縮短和預(yù)算降低使工程團(tuán)隊(duì)有機(jī)會(huì)重新評(píng)估現(xiàn)有的自動(dòng)測(cè)試策略，并且尋找出提高效率減少成本的方法。在設(shè)計(jì)新一代自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)時(shí)，加入可以增加系統(tǒng)靈活性、提供更高測(cè)量和吞吐量性能、降低測(cè)試系統(tǒng)成本并且延長(zhǎng)壽命的策略是非常重要的。模塊化的軟件定義型自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)克服了以往的基于獨(dú)立式儀器或成本高昂的私有ATE系統(tǒng)解決方案的不足之處。模塊化的硬件平臺(tái)基于廣泛采用的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)平臺(tái)，諸如PXI等，允許工程師們開發(fā)可擴(kuò)展的測(cè)試系統(tǒng)，將各個(gè)儀器供應(yīng)商提供的功能緊密地集成到一起。另外，它還允許工程團(tuán)隊(duì)集成現(xiàn)有的設(shè)備投資來降低實(shí)現(xiàn)的初始成本。利用最新PC技術(shù)(諸如多核處理器和PCI Express總線)的軟件定義型測(cè)量，新一代自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)可以顯著提高吞吐量性能，并且可擴(kuò)展以滿足不同產(chǎn)品階段和業(yè)務(wù)部門的需求。

許多公司已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了模塊化軟件定義型測(cè)試系統(tǒng)策略，而且證明了這種策略對(duì)他們投資的回報(bào)。例如，微軟公司在NI LabVIEW和PXI模塊化儀器的基礎(chǔ)上，為Xbox 360控制器設(shè)計(jì)的測(cè)試系統(tǒng)是前一代的測(cè)試系統(tǒng)速度的兩倍。美國空軍(The U.S. Air Force)開發(fā)測(cè)試構(gòu)架為他們的高級(jí)戰(zhàn)斗機(jī)提供支持。利用基于PC機(jī)的軟件和硬件構(gòu)架，他們降低了成本，并且把測(cè)試系統(tǒng)的尺寸減小了一半Sanmina-SCI公司利用NI TestStand和PXI產(chǎn)品構(gòu)建了FDA認(rèn)可的藥品設(shè)備測(cè)試系統(tǒng)，超出了他們每周測(cè)試83,000臺(tái)設(shè)備的要求，并且超出了他們產(chǎn)量要求的95%。

9. NI公司相關(guān)產(chǎn)品和白皮書

NI公司作為自動(dòng)化測(cè)試領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者，致力于為產(chǎn)品工程師們提供用于設(shè)計(jì)新一代自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)所需的硬件和軟件。

軟件：

•NI TestStand測(cè)試管理框架

•LabVIEW圖形化編程語言

•LabVIEW SignalExpress交互式測(cè)量軟件

硬件：

• 模塊化儀器(示波器、萬用表、射頻模塊、開關(guān)等)

• 多功能數(shù)據(jù)采集

• PXI系統(tǒng)部件(機(jī)箱和控制器)

• 儀器控制(GPIB總線、USB總線和局域網(wǎng))

技術(shù)白皮書

NI公司提供了《設(shè)計(jì)新一代自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)開發(fā)者指南》。這篇指南是集合了各類白皮書，是用來幫助開發(fā)測(cè)試系統(tǒng)，降低成本、提高測(cè)試吞吐量，可擴(kuò)展以適應(yīng)未來的需求。