先进测试标准和技术体系研究VIP

先进测试标准和技术体系研究孟汉城，奚全生(北京航天测控公司, 北京 100037)0 概述测试是测量与试验的简称。测量内涵：对被检测对象的物理、化学、工程技术等方面的参量做数值测定工作。试验内涵：是指在真实情况下或模拟情况下对被研究对象的特性、参数、功能、可靠性、维修性、适应性、保障性、反应能力等进行测量和度量的研究过程。试验与测量技术是紧密相连，试验离不开测量。在各类试验中，通过测量取得定性定量数值，以确定试验结果。而测量是随着产品试验的阶段而划分的，不同阶段的试验内容或需求则有相对应的测量设备和系统，用以完成试验数值、状态、特性的获取、传输、分析、处理、显示、报警等功能。产品测试是通过试验和测量过程，对被检测对象的物理、化学、工程技术等方面的参量、特性等做数值测定工作，是取得对试验对象的定性或定量信息的一种基本方法和途径。测试的基本任务是获取信息。因此，测试技术是信息科学的源头和重要组成部分。信息是客观事物的时间、空间特性，是无所不在，无时不存的。但是人们为了某些特定的目的，总是从浩如烟海的信息中把需要的部分取得来，以达到观测事物某一本值问题的目的。所需了解的那部分信息以各种技术手段表达出来，提供人们观测和分析，这种对信息的表达形式称之为“信号” ，所以信号是某一特定信息的载体。信息、信号、测试与测试系统之间的关系可以表述为：获取信息是测试的目的，信号是信息的载体，测试是通过测试系统、设备得到被测参数信息的技术手段。同时，在军事装备及产品全寿命周期内要进行试验测试性设计与评价，并通过研制相应的试验检测设备、试验测试系统（含软、硬件）确保军事装备和产品达到规定动作的要求，以提高军事装备和产品的完好性、任务成功性，减少对维修人力和其它资源要求，降低寿命周期费用，并为管理提供必要的信息。全寿命过程又称为全寿命周期，是指产品从论证开始到淘汰退役为止的全过程。产品全寿命过程的划分，各国有不同的划分。美国把全寿命过程划分为 6 个阶段：初步设计、批准、全面研制、生产、使用淘汰（退役） 。我国将全寿命周期划分为 5 个阶段：论证、研制、生产、使用、退役。这五个阶段都必须采用试验、测量技术，并用试验手段，通过测量设备和测量系统确保研制出高性能、高可靠的产品。因此，测试技术是具有全局性的关键技术。尤其在高新技术领域，测试技术具有极其重要地位。美军武器装备在试验与评定管理中，对试验与评定的类型分为：研制试验与评定、使用试验与评定、多军种试验与评定、联合试验与评定、实弹试验、核防护和生存性试验等类。但最主要的和最重要的是研制性试验与评定、使用试验与评定两种。试验与评定是系统研制期间揭示关键性参数问题的一系列技术，这些问题涉及技术问题（研制试验） ；效能、实用性和生存性问题（使用试验） ；对多个军种产生影响问题（多军种联合试验） ；生存性和杀伤率（实弹试验）等。但核心是研制性试验与评定及使用性试验与评定，主要解决军工产品在研制过程中的技术问题和使用的效能、适应性和生存性问题。研制试验与评定是为验证工程设计和研制过程是否完备而进行的试验与评定，通过研制试验与评定达到减少风险，验证和确定设计并确保产品已做好研制性验收准备。使用试验与评定的作用是确保武器系统在真实环境下能满足经过确认的用户要求。使用试验的重点是使用要求、效能和适应用，而不是象研制试验那样证明工程规范。从发达国家高新技术产业的研究开发费和时间的统计分析，得出产品的测试费用、测试周期占产品研发费用和周期的 40%左右，并保持上升趋势。因为，高新技术产品与传统产品的一个重要区别在于：高新科技产品越来越先进，而错误的含量也越来越高。因此，只有通过充分的测试与试验验证，才能有效地降低产品的错误含量，满足使用要求。因此，发达国家越来越重视试验、测量技术，并相应建立了许多专业实验室和工程技术中心，加大投资力度，赋予重要职责，带动产品的开发。由于试验技术主要针对产品特定要求而进行。如：产品的研制性和使用性试验与评定技术重要区域是：寿命试验、设计评定确认试验、设计极限试验、可靠性研制试验、可靠性可用性和维修性综合评估试验、早期使用评估试验、后续使用试验与评定、合格鉴定使用试验与评定等内容。均是针对特定产品在特定试验环境按一定试验方案，采用测量或度量设备、系统进行研究过程。试验技术针对性强，范围广泛。同时由于试验与测量技术紧密相连，一般简称为测试技术，但这里涉及内容主要是测量技术内容。1 相关测试标准标准的定义：在一致同意基础上建立起来的，用来定义接口、服务、协议或数据格式、规范等公开可用的文件。不是所有的标准都适用于所有情况，必须是数个标准一起工作才满足应用需求。开放原则应用中一个基本的要点是选择和规定适合某种环境和需要的标准体系结构组成部分只有符合标准才会满足开放系统目标。1.1 边缘扫描技术标准由美国 IEEE 计算机协会测试技术标准委员会制订。共有四个系列标准：IEEE1149.12001 年标准：测试访问端口与边界扫描体系结构IEEE1149.41999 年标准：混合信号测试总线IEEE1149.51995 年标准：测试与维修总线协议IEEE1149.62003 年标准：先进数字网络边界扫描测试边缘扫描技术提供了一套新的完整测试技术，它能够完成复杂数字电路、混合信号电路板测试的技术障碍。在实际测试电路及电路板时不再需要借助复杂和昂贵的测试仪器和装置，并且提供了一种独立于电路板技术的测试方法。边缘扫描测试技术通过连接器连到 PCB 板上的所有内部测试点上，并能使电路板内部连接电路正常工作，并实现快速测试。采用边界扫描技术在减少投资和制造费用，提高产品质量及在元件和电路板小型化、复杂的 ASIC、VLSI、 SOC 装置等测试、诊断等方面具有重要的价值。此外，边界扫描测试技术还提供了快速的样本检测及生产测试。边界扫描技术现今已被世界上几乎所有的印制电路板（PCB）生产厂所接受，其主要原因是节省了 PCB 电路板不同生产阶段的成本。在集成电路，电路板设计阶段，节省了设计测试验证时间，在工厂生产阶段，由于各个生产工序测试准备时间和故障诊断时间的节省，以及可使用更低档的测试设备，因使生产测试费用极大降低，据有的资料报导可减少 50%以上，而且提高了生产能力。在现场维修阶段，测试设备的简化、测试准备时间的减少及易于维修、诊断，备用电路板库存减少等都可节省大量的开支。边界扫描测试技术的采用将导致集成电路、PCB 板生产费用，包括对 IC 采取预防措施的开发费用大量减少，尤其使用维护费用大大减少。边界扫描技术现已发表的标准共有四种。1.1.1 测试访问端口与边界扫描体系结构标准（IEEE Std 1149.12001）是为数字集成电路和数一模混合集成电路的数字部分定义了测试访问端口和边界扫描体系结构。本标准定义的特征元素致力于为基于高复杂性数字集成电路和高密度表面装配等工艺技术的印制电路板的测试问题提供解决方案。本标准也提供了访问和控制置入数字集成电路内部的、专为测试用途而设计的特征元素的方法和途径。这些特征包括内部扫描路径和自测试功能等，以及支持已装配产品业务应用的其它特征。边界扫描技术就是在靠近每个组件（component）管脚的位置引入移位寄存器（植入在边界扫描寄存器单元中） ，以便根据边界扫描理论来控制和监视组件边界的信号。组件 component 所有管脚的边界扫描寄存器单元相互连接在一起，从而组成一个围绕产品边界的移位寄存器路径链，而该路径提供了串行输入输出连结和必要的时钟和控制信号。对于由多个集成电路装配而成的产品而言，各个组件相应的边界扫描寄存器串行地连结在一起，从而形成一条贯穿整个产品的总路径，板级产品设计也可以包含几条独立的边界扫描路径。使用测试访问端口与边界扫描体系结构测试逻辑也能够提供对植入组件内部的许多为测试而专门设计的特征属性的访问，这些特征包括内部扫描路径，自测试功能或其它支持功能。测试逻辑结构：IEEE1149.1 逻辑架构中必须包含下列硬件单元：测试存取通道（TAP）TAP 控制器指令寄存器测试数据寄存器组而指令寄存器和测试数据寄存器必须是由移位寄存器构成的单路径，这些路径被并行地连接在一起，具有一条公共的串行数据输入和一条公共的串行数据输出，分别连结到 TAP 的 TDI 和 TDO 信号。而对位于 TDI 和 TDO 之间的可供选择的指令和数据寄存器的选择，是由 TAP 控制器来进行控制的。测试数据寄存器01G2(可选)边界扫描寄存器器件标志寄存器测试数据寄存器测试数据寄存器旁路寄存器TDI指令解码器指令寄存器时钟和/或控制TAP 控制TMSTCKTRST输出缓存 TDOMUXG1图 1 测试逻辑结构图1.1.2 混合信号测试总线（IEEE Std 1149.41999）混合信号测试总标准是对 IEEE1149.11990 标准中描述的数字电路的可测试性结01G201G1IDC1IDC扫描输入时钟 A 时钟 B模式信号输入移位/加载扫描输出信号输出图 2 边界扫描寄存器单元核心电路AT1AT2VHVLVGVHVLVG模拟测试访问端口(ATAP)TDITDOTMSTCK测试访问端口(TAP)(同 IEEE1149.1)边界扫描路径数字 I/O 管脚内部测试总线(AB1.2)模拟 I/O 管脚模拟扫描管脚(ABM)数字扫描模块(DBM)测试总线接口电路(TBIC)测试控制电路TAP 控制器指令寄存器和解码器图 3 IEEE1149.4 构件基本结构(最低配置)构进行了扩展，以便于为混合信号电路提供类似的功能。同时描述了这种体系结构以及控制和访问数模混合测试数据的方法，定义、规范和推动标准混合信号测试总线的使用，将其应用于器件和部件的层次级别，提高混合信号电路设计的可控性和可观察性，支持混合信号内置测试结构以降低测试开发时间和测试成本，提高测试质量。它能完成：布线测试：能测试印制电路部件 PCA（Printed Circuit Assembly）中布线的短路和断路；参数测试：进行模拟量参数测量，同时也测量 PCA 中分立组件信号的有无及其具体值；内部测试：不管混合信号元器件是否属于 PCA，都要对其内部电路进行测试。整个 IEEE1149.4 标准基本结构如图 3。图中表示了本标准的基本结构和工作内容。通过 TAP 允许测试数据通过输入输出电路。每个数字功能管脚相关的边界扫描模块可以访问核心电路进行数字测试激励并采集数字测试结果。每个模拟功能管脚是可选的，它为模拟测试信号提供访问端 ATAP。它由两个管脚（AT1， AT2）测试接口电路（TBIC ）和两条模拟电路测试线路组成，可完成模拟电路测试。1.1.3 模块化测试与维修总线（MTMBus）协议IEEE1149.51995 标准：模块化测试与维修总线（MTMBus）协议。规范了串行背板测试与维修总线，该总线用于将不同设计团队或供应商所研制的模块集成到一个可测试和维修的子系统中。标准规范了物理层，链路层和命令层。标准接口协议和命令可用于提供模块所必需的基本测试与维修特征，同时用于提供对模块上的资源（存储器，外围设备等）和 IEEE1149.1 边界扫描设施的访问。标准命令和功能支持将故障隔离到独立模块，并支持对模块之间的背板布线测试。MTMBus 包括：MTMBus 应包括 MTMBus 控制信号 MCTL（MTMBus Control Signal）,它由当前主模块向全部连接的从模块单向传输的信号。MTMBus 应该包括一个总线主模块数据信号 MMD（MTMBus Master Data Signal）是从当前主模向全部连接的从模块单向传输的信号。 MTMBus 应该包括一个总线从模块数据信号 MSDC（MTMBus Slave Data Signal） ，是每个连接的从模块向当前主模块单向传输的信号。 MTMBus 还包括一个总线时钟信号 MCTL（MTM Bus Clock Signal） ，它是从总线时钟源向主模块和连接的从模块单向传输的信号。MTMBus 模块上所有信号的输入和输出应该是专用联结，而这些模块引脚不得用于其它用途。MMD、 MSD、MPR 和 MCTL 信号在多点结构中应该连接到所有模块，即这四个信号的所有驱动器/接收器都应该共用一个物理连接。1.1.4 先进数字网络边界扫描测试IEEE1149.62003 标准：先进数字网络边界扫描测试扩展了 IEEE1149.1 标准，定义了高级数字网络边界扫描结构和方法。本标准定义的测试同时适用于 IEEE1149.1 传统数字网络测试和 IEEE1149.4 传统模拟网络测试。本标准同时确定软件和边界扫描的描述语言(BSDL)对 IEEE1149.1 进行了扩充，以支持新的测试端口。本标准制订的目标是为了给 IC 的可测试性电路提供设计指南，这些电路是在IEEE1149.1 标准确定的可测试性配置的基础上加入的。当这些 IC 包含差分信号，具有AC 耦合时，可以方便准确地以更高的故障覆盖率对其进行板级和系统级测试。1.2 模块化仪器和数字接口系统标准1.2.1 计算机自动测量和控制系统（CAMAC）标准该标准由 IEEE5831981 标准定名为“模块化仪器和数字接口系统”共有七个系列标准。即有串行公路接口系统、并行公路接口系统、多控制器、数据块传输、子程序标准、术语定义、实时语言七个标准。该系列标准开创了测试系统标准化设计先河，首次提出模块化设计思想，并开创性地把数字接口系统和仪器系统有机结合起来，组建成由计算机主控加上 IEEE488 程控仪器相结合的插卡或模块化自动测控系统。该系统在美国，欧洲核工业，工业自动控制领域得到广泛应用，在中国高能物理核工业、航天工业等领域也得到了广泛应用。1.2.2 VXI、PXI 总线系统随着计算机技术发展出现了 VXI（VMEbus Extensions for Instrumentation） 、PXI（PCI Extensions for Instrumentation）总线技术。VXI、PXI 技术把计算机技术、数字接口技术和仪器测量技术有机结合起来，它集中了智能仪器、计算机 I/O 数字接口技术和程控仪器易于组合的优点。具有模块化结构组建和使用灵活，并采用了 IEEE488.2 和可编程仪器的标准命令、plug and play(即插即用、IVI 等标准) ，解决了系统级兼容问题。主模块 从模块 从模块主 数 据 (MMD)从数据(MSD)中断请求(MPR)控制(MCTL)时钟(MCLK)时钟源图 4 背板总线信号图当前主模块从模块 1 从模块 2 从模块 3 从模块250图 5 MTM-bus 拓朴结构由于系统设计是不依赖计算机而完全按“总线制”进行设计的，作为主控设备的计算机系统通过“接口转换装置”与测量控制系统通道、仪器部分相连，组成一个完整的系统级联装置。因此，测量、控制系统可使用任何先进的计算机系统作为自己的主控设备，而通道装置不受影响，使自动测试系统始终能采用计算机技术、集成技术的最新成果，保持系统的先进性和兼容性。VXI、PXI 技术是目前测试系统的主流技术。1.2.3 IEEE12261998、IEEE12322002 系列标准IEEE12261998 标准即 IEEE Trial-use Standard for A Broad-Based Environment for Test(ABBET)。ABBET 是用于产品测试领域的软件接口标准的集合，为集成各种设计数据、测试策略与需求、测试过程、测试结果管理及测试系统实现而规范了一个复合环境。ABBET 的主要目的是为伴随产品整个生命周期的测试环境标准。其目的是规范用于测试的标准信息接口，使得从测试信息到测试实现的过渡更方便。ABBET 支持一种普遍适用的测试技术，可应用于各种类型的产品，各种层次的集成级别以及各种测试应用。其适用范围包括整个产品生命周期内各种与测试有关的活动，以及这些活动所产生和使用的关键信息。它以信息模型对测试信息进行规范化描述，消除了层次间测试信息移植，共享和应用的障碍。ABBET 结构图如图 6 所示，产品生命周期和测试信息流程如图 7 所示。对测试软件采用接口描述语言(IDL 语言),由于 IDL 语言与具体语言实现无关性，确保了实现 ABBET 标准的测试语言多元化。IEEE12322002 标准，即 IEEE Standard for Artificial Intelligence Exchange and Service Tie to All Test Environments(AI-ESTATE).Application Development ToolsExtension FrameworkFoundation FrameworkTest Application FrameworkTest Foundation InfrastructureFoundation Classes DesignData TestProcedureTestStrategy RuntimesServicesTestResourceInformationTest andMaintenanceInformationResourceMgmt图 6 ABBET 结构框图AIESTATE 是关于在测试诊断系统之间应用人工智能的数据交换和服务的规范。主要目的是在系统测试和诊断领域内为推理系统提供一套数据交换和软件服务的标准。该交换和服务是建立在测试环境的信息模型上，可用提供的标准框架来识别诊断所必需的信息，并且以机器可处理的方式定义诊断信息。同时，因为它规范了软件接口，就保证了诊断工具的兼容性和可靠性。它描述的是在测试系统中的数据和知识表示的规范集，是一种中立的（数据和知识）交换格式，同时提供诊断信息的形式化模型，所以诊断推理机之间的模型信息互换成为可能。服务在本标准中是指推理机向测试系统、用户表示系统、维修数据/知识搜集系统和被测系统等提供的服务。这里所说服务相对于具体的编程开发语言而言，即是提供某种功能的函数。交换即指数据（或知识）的互换，之所以规范数据互换格式，是为了在不使用信息管理系统的前提下，提供在相容系统间交换知识库的方法。AIESTATE 是以知识处理为基础的人工智能技术应用到武器系统的测试诊断，使诊断系统能相互兼容和独立于诊断过程，达到测试诊断知识可移植、重用、共享，构建综合诊断的开放式体系结构。其结构概念和模型体系结构分别如图 8 和图 9。图 8 AI-ESTATE 结构概念图IEEE12261998 标准和 IEEE12322002 标准涉及到的标准包括：IEEE1226.3 1998 测试泛环境资源管理软件接口、IEEE 15451999 参量数据日志格式，IEEE 14551999 飞行器/通路通信消息集等系列标准。2 LXI（LAN extensions for InstrumentationLAN 在仪器领域的扩展）系列标准。Communications BackboneDiagnosticReasonerTestSystemDatabaseSystemSystemUnder TestApplicationExecutiveDynamicContextModelCommonElementModelFaultTreeModelDiagnosticInferenceModelEnhanced DiagnosticInferenceModel图 9 模型体系结构图LXI 是 LAN extensions for Instrumentation 的缩写，是 LAN 是仪器领域的扩展，LXI 规范详述利用以太网作为设备主要通信总线的 LXI 设备的技术要求。LXI 技术可借助当前和未来 LAN 技术优势而发展。LXI 标准提供一种超出传统测试连