面向STD標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)通道模型研究

牛雙誠(chéng)1，趙秀麗2，許愛強(qiáng)1

（1.海軍航空工程學(xué)院科研部，山東煙臺(tái) 264001；2.海軍航空工程學(xué)院基礎(chǔ)部，山東煙臺(tái) 264001）

面向STD標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)通道模型研究

牛雙誠(chéng)1，趙秀麗2，許愛強(qiáng)1

（1.海軍航空工程學(xué)院科研部，山東煙臺(tái) 264001；2.海軍航空工程學(xué)院基礎(chǔ)部，山東煙臺(tái) 264001）

IEEE 1641（STD）標(biāo)準(zhǔn)是IEEE標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)制定的新一代面向信號(hào)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)；首先對(duì)STD標(biāo)準(zhǔn)定義的連接及其動(dòng)態(tài)模型進(jìn)行了分析，梳理了常用的開關(guān)類型；接下來，提出了信號(hào)通道系統(tǒng)的描述模型和控制模型，并針對(duì)常用的多路開關(guān)和矩陣開關(guān)，給出了開關(guān)能力描述模型和開關(guān)組件接口定義，總結(jié)了資源管理器的工作步驟和虛擬連接的資源共享判斷準(zhǔn)則；最后，給出了該信號(hào)通道模型的實(shí)現(xiàn)方法，并通過開發(fā)的一個(gè)圖形化信號(hào)通道系統(tǒng)管理軟件，簡(jiǎn)化了用戶的開發(fā)工作。

自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)；面向信號(hào)測(cè)試；信號(hào)通道系統(tǒng)；開關(guān)儀器

0 引言

開關(guān)儀器和系統(tǒng)連線共同構(gòu)成了自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的信號(hào)通道系統(tǒng)，提供了被測(cè)對(duì)象接口和測(cè)試儀器接口間的電氣連接，實(shí)現(xiàn)了電源、激勵(lì)、測(cè)量、總線、觸發(fā)等電信號(hào)的轉(zhuǎn)接。借助信號(hào)通道系統(tǒng)，自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)測(cè)試資源的分時(shí)復(fù)用，能夠利用有限的測(cè)試資源滿足被測(cè)對(duì)象的測(cè)試需求，降低整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的成本［1］。

面向信號(hào)測(cè)試方法是一種先進(jìn)的測(cè)試儀器控制技術(shù)。它采用標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)模型直接描述被測(cè)試設(shè)備的測(cè)試需求，具有面向被測(cè)設(shè)備、與測(cè)試設(shè)備無關(guān)、測(cè)試程序可移植性好等優(yōu)點(diǎn)［2］。在面向信號(hào)測(cè)試方法中，信號(hào)通道系統(tǒng)的控制完全由軟件平臺(tái)自動(dòng)完成。一個(gè)高效的信號(hào)通道控制模型是面向信號(hào)測(cè)試技術(shù)的核心，能夠提高測(cè)試效率，節(jié)約測(cè)試資源，更是測(cè)試程序可移植的關(guān)鍵技術(shù)。

IEEE Std.1641－2010（Signal and Test Definition，STD）是IEEE標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)制定的新一代面向信號(hào)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，采用嚴(yán)格的數(shù)學(xué)形式定義信號(hào)模型，規(guī)范了14種連接類型，消除了信號(hào)連接定義上的歧義問題和不一致現(xiàn)象［3］。自發(fā)布以來，STD標(biāo)準(zhǔn)就獲得了廣泛的關(guān)注，得到了大量的研究和應(yīng)用［4 7］。

本文結(jié)合軍用自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的實(shí)際，研究了面向STD標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)通道控制模型。首先分析了IEEE 1641標(biāo)準(zhǔn)定義的連接及其動(dòng)態(tài)模型，然后梳理了常用的開關(guān)類型，提出了信號(hào)通道系統(tǒng)的描述模型和控制模型，并針對(duì)常用的多路開關(guān)和矩陣開關(guān)，給出了開關(guān)能力描述模型和開關(guān)組件接口定義。最后，總結(jié)了資源管理器的工作步驟和虛擬連接的資源共享判斷準(zhǔn)則。

基于本文的模型，我們開發(fā)了面向STD標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)通道系統(tǒng)控制軟件，并應(yīng)用在某型通用自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)中，獲得了較好的應(yīng)用效果。

1 STD標(biāo)準(zhǔn)

IEEE 1641標(biāo)準(zhǔn)采用信號(hào)建模語(yǔ)言定義了標(biāo)準(zhǔn)化的基本信號(hào)類型BSC和常用的復(fù)雜信號(hào)類型TSF，TSF由BSC信號(hào)組合而成［3］。在BSC中，IEEE 1641標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范了14種常用的連接類型 （Connection），如表1所示。其中Non Electrical用于非電信號(hào)的連接，在本文中不予考慮。

表1中，每種連接類型定義了通道寬度和端子名稱。通道寬度是連接所能承載的信號(hào)通道數(shù)，一般的連接類型，其通道寬度是確定的。端子（Pin）是信號(hào)流經(jīng)的點(diǎn)，并對(duì)應(yīng)實(shí)際的物理針腳。一般的連接類型，一個(gè)端子對(duì)應(yīng)唯一的物理針腳。

DigitalBus是STD標(biāo)準(zhǔn)定義的特殊連接類型，用于描述測(cè)試系統(tǒng)中的總線連接。該連接沒有確定的通道寬度，可擁有一至多個(gè)信號(hào)通道。DigitalBus只有一個(gè)端子pins，所有的物理針腳都在pins中描述。每個(gè)通道包括HI和LO兩個(gè)物理針（若使用公共地，則LO針可省略），兩個(gè)物理針之間用空格分隔。信號(hào)通道之間用“，”或“；”分隔，總線的公共地或屏蔽地放在最后［3］。例如，“PL1－1，PL1－2 PL1－3，GND”，表示有兩個(gè)通道的數(shù)字總線，通道1使用物理針PL1－1和GND，通道2使用PL1－2和PL1－3，公共回路是GND。

IEEE 1641標(biāo)準(zhǔn)定義的連接提供了一種映射信號(hào)到實(shí)際UUT物理針腳的方法。連接的動(dòng)態(tài)模型如圖1所示。連接有4種狀態(tài)，并根據(jù)測(cè)試過程語(yǔ)言（TPL）語(yǔ)句命令在不同狀態(tài)間跳轉(zhuǎn)。

圖1 連接的動(dòng)態(tài)模型

2 開關(guān)類型

開關(guān)是信號(hào)通道系統(tǒng)的可控制部分。其種類繁多、大小各異，可按開關(guān)的外形、動(dòng)作結(jié)構(gòu)、觸點(diǎn)形式和觸點(diǎn)數(shù)量等進(jìn)行分類。本文主要考慮開關(guān)的連接關(guān)系，所以根據(jù)開關(guān)的連通關(guān)系將開關(guān)分為兩大類：

1）多路開關(guān)，包括常用的單刀單擲、單刀雙擲、單刀多擲、雙刀雙擲等開關(guān)，其特征是每個(gè)開關(guān)只有一個(gè)繼電器，用于實(shí)現(xiàn)一個(gè)公共輸入通道與多個(gè)輸出通道的信號(hào)轉(zhuǎn)接，任意時(shí)刻只能有一路信號(hào)導(dǎo)通。

2）矩陣開關(guān)，是結(jié)構(gòu)為行列交叉排列的開關(guān)產(chǎn)品，其特征是有多個(gè)行、多個(gè)列，通過行列間的交叉點(diǎn)開關(guān)（繼電器），能夠?qū)崿F(xiàn)多個(gè)輸入通道與多個(gè)輸出通道的任意相連，同時(shí)可以有多路信號(hào)導(dǎo)通。

圖2 常用開關(guān)類型

3 信號(hào)通道系統(tǒng)描述模型

本文首先建立了如圖3所示的信號(hào)通道系統(tǒng)描述模型。該描述模型包括端口表、開關(guān)表和連線表，端口表描述測(cè)試儀器、開關(guān)儀器、被測(cè)設(shè)備電氣接口的類型、物理針腳等信息，連線表描述以上各個(gè)模塊之間的電氣連接，開關(guān)表則描述了開關(guān)的類型、規(guī)模和能力。

信號(hào)通道系統(tǒng)描述模型分散存儲(chǔ)在測(cè)試系統(tǒng)描述、儀器能力描述、開關(guān)能力描述、適配器描述和被測(cè)設(shè)備描述文件中。其中，測(cè)試系統(tǒng)描述定義了系統(tǒng)擁有的測(cè)試儀器、開關(guān)儀器和系統(tǒng)連線表；儀器能力描述定義了測(cè)試儀器中信號(hào)資源的端口表；開關(guān)能力描述給出了開關(guān)資源的能力及其對(duì)應(yīng)的端口；適配器描述定義了測(cè)試適配器和測(cè)試電纜的端口表及連線表；被測(cè)設(shè)備描述定義了被測(cè)設(shè)備的端口表。

圖3 信號(hào)通道系統(tǒng)描述模型

在信號(hào)通道系統(tǒng)描述模型中，開關(guān)能力的建模是最復(fù)雜的。我們針對(duì)上節(jié)描述的兩種常用開關(guān)類型建立了描述模型。

多路開關(guān)可用如下四元組描述：＜Widths，Poles，Has-Free，Default＞，其中Widths表示線寬，Poles描述了開關(guān)可以擲的狀態(tài)及對(duì)應(yīng)的物理針腳，每個(gè)狀態(tài)的針腳數(shù)與線寬相同，HasFree表示是否有空狀態(tài)，Default表示開關(guān)的默認(rèn)狀態(tài)。下面是一個(gè)雙刀四擲多路開關(guān)的能力描述實(shí)例：

矩陣開關(guān)可用如下四元組描述：＜Widths，Rows，Cols，Default＞，分別表示線寬、行數(shù)及對(duì)應(yīng)的物理針腳、列數(shù)及對(duì)應(yīng)的物理針腳和開關(guān)的默認(rèn)狀態(tài)。下面是一個(gè)4×4雙線矩陣開關(guān)的能力描述實(shí)例：

4 信號(hào)通道系統(tǒng)控制模型

接下來，我們建立了如圖4所示的信號(hào)通道系統(tǒng)控制模型。資源管理器負(fù)責(zé)接收測(cè)試需求，并根據(jù)測(cè)試系統(tǒng)描述、儀器能力描述、開關(guān)能力描述、適配器描述和被測(cè)設(shè)備描述，優(yōu)化配置開關(guān)資源，將虛擬連接映射為物理端口和開關(guān)資源的操作，并通過開關(guān)驅(qū)動(dòng)程序完成對(duì)開關(guān)儀器的程控。資源管理為面向信號(hào)測(cè)試程序提供符合STD標(biāo)準(zhǔn)的函數(shù)調(diào)用接口。

圖4 信號(hào)通道系統(tǒng)控制模型

每臺(tái)開關(guān)儀器對(duì)應(yīng)一個(gè)面向信號(hào)的開關(guān)驅(qū)動(dòng)程序，由驅(qū)動(dòng)程序通過儀器控制總線完成對(duì)開關(guān)儀器的程控。開關(guān)驅(qū)動(dòng)程序采用軟組件技術(shù)設(shè)計(jì)，每個(gè)開關(guān)模塊對(duì)應(yīng)一個(gè)開關(guān)組件。不同的開關(guān)類型具有不同的組件接口。為了便于資源管理器對(duì)開關(guān)儀器的管理，每個(gè)驅(qū)動(dòng)程序還配有一個(gè)儀器管理組件。下面是我們定義的C函數(shù)組件接口：

信號(hào)通道系統(tǒng)為自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的電信號(hào)提供傳輸通路，必須保證信號(hào)傳輸?shù)陌踩院涂煽啃?，防止發(fā)生信號(hào)短路、信號(hào)串?dāng)_等問題。高效、魯棒的通道資源管理是解決這個(gè)問題的可靠保證，其工作步驟總結(jié)如下：

步驟一：資源管理器啟動(dòng)時(shí)，讀取信號(hào)通道系統(tǒng)描述模型，構(gòu)建端口、連線、開關(guān)的關(guān)聯(lián)表，建立活躍虛擬連接表、資源使用表和開關(guān)狀態(tài)的內(nèi)存實(shí)時(shí)映像。

步驟二：測(cè)試程序申請(qǐng)?zhí)摂M連接時(shí)，查找虛擬信號(hào)對(duì)應(yīng)的物理信號(hào)資源，基于圖搜索算法尋找物理信號(hào)資源的端口與當(dāng)前連接的物理端口之間的路徑。對(duì)于申請(qǐng)成功的虛擬連接，標(biāo)記虛擬連接使用的資源為預(yù)分配狀態(tài)。

步驟三：測(cè)試程序連通虛擬連接時(shí)，通過開關(guān)驅(qū)動(dòng)程序的開關(guān)組件將虛擬連接使用的開關(guān)資源設(shè)置為指定狀態(tài)，并標(biāo)記虛擬連接使用的資源為占用狀態(tài)，記錄資源的使用計(jì)數(shù)。如果該資源已經(jīng)處于占用狀態(tài)，則不再操作該資源，只更新其使用計(jì)數(shù)。

步驟四：測(cè)試程序斷開虛擬連接時(shí)，更新資源的使用計(jì)數(shù)，如果更新后的使用計(jì)數(shù)為零，則斷開開關(guān)（或?qū)㈤_關(guān)設(shè)置為默認(rèn)狀態(tài)），將資源標(biāo)記為預(yù)分配狀態(tài)。

步驟五：測(cè)試程序釋放虛擬連接時(shí)，標(biāo)記虛擬連接使用的資源為空閑狀態(tài)，釋放虛擬連接占用的內(nèi)存空間。

步驟六：資源管理器退出時(shí)，釋放所有的虛擬連接，將所有開關(guān)資源設(shè)定為默認(rèn)狀態(tài)，釋放所有占用的內(nèi)存空間。

以上步驟二中，搜索信號(hào)通路時(shí)，需要判斷當(dāng)前虛擬連接是否可以與系統(tǒng)的活躍連接共享相同的物理端口或開關(guān)資源。我們定義如下資源共享判斷準(zhǔn)則：

1）隔離性。測(cè)試需求中沒有說明兩個(gè)虛擬連接同源（一側(cè)的物理端口相同）時(shí)，兩個(gè)連接不能共用同一個(gè)繼電器。

2）兼容性。同時(shí)刻共享同一繼電器的兩個(gè)虛擬連接，其設(shè)定的繼電器狀態(tài)必須一致。分時(shí)共享繼電器時(shí)，不受此限制。

3）可控性。虛擬連接的狀態(tài)必須可控（連得通，斷得開），不能依賴于其他連接的狀態(tài)。也就是說，對(duì)于同一虛擬連接內(nèi)部的兩條線，可以使用同一繼電器；而不同虛擬連接的兩條線，其使用的繼電器集合不能存在包含于或被包含于關(guān)系。

5 信號(hào)通道模型的實(shí)現(xiàn)

LabWindows／CVI是一種標(biāo)準(zhǔn)C語(yǔ)言的軟件開發(fā)環(huán)境，具有函數(shù)庫(kù)功能強(qiáng)大、交互式編程、控件豐富的特點(diǎn)，在自動(dòng)測(cè)試領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。本文借鑒IVI－C儀器驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)思想，實(shí)現(xiàn)了文中提出的信號(hào)通道描述模型和控制模型。

資源管理器和開關(guān)驅(qū)動(dòng)程序以動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)形式存儲(chǔ)于指定文件夾下。資源管理器實(shí)現(xiàn)了符合STD標(biāo)準(zhǔn)的函數(shù)接口。開關(guān)驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)了上節(jié)所述的開關(guān)組件接口。

信號(hào)通道描述模型以INI文件格式存儲(chǔ)于系統(tǒng)文件夾下。在開關(guān)能力描述文件中，我們?yōu)殚_關(guān)模塊增加了開關(guān)驅(qū)動(dòng)程序及其開關(guān)組件的描述，以方便開關(guān)驅(qū)動(dòng)程序的加載和調(diào)用。為減少驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)工作，我們?cè)试S一臺(tái)開關(guān)儀器內(nèi)的多個(gè)同類型開關(guān)模塊共享驅(qū)動(dòng)程序內(nèi)的同一個(gè)開關(guān)組件。在開關(guān)能力描述模型中，通過增加tag屬性以區(qū)分不同的開關(guān)模塊。

信號(hào)通道描述模型是保證被測(cè)對(duì)象完成測(cè)試的關(guān)鍵組成部分，然而其內(nèi)容詳雜、容易疏漏，尤其是連線關(guān)系。我們開發(fā)了信號(hào)通道管理軟件，通過圖形化界面方便地配置端口和信號(hào)連線關(guān)系，能夠自動(dòng)生成符合要求的信號(hào)通道描述文件，供資源管理器訪問，從而實(shí)現(xiàn)測(cè)試資源的匹配和信號(hào)路徑的自動(dòng)搜索。

6 結(jié)語(yǔ)

本文提出了面向IEEE 1641標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)通道系統(tǒng)描述模型和控制模型，給出了在LabWindows／CVI集成環(huán)境下信號(hào)通道模型的實(shí)現(xiàn)方法，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)路徑的自動(dòng)搜索和開關(guān)資源匹配。為了簡(jiǎn)化開發(fā)工作，我們還設(shè)計(jì)了一個(gè)圖形化的信號(hào)通道管理軟件，極大地簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員和集成人員的工作。

基于本文的模型，我們開發(fā)了面向STD標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)通道系統(tǒng)控制軟件，并應(yīng)用在某型自動(dòng)測(cè)試設(shè)備的軟件平臺(tái)上。應(yīng)用結(jié)果表明，該軟件實(shí)現(xiàn)了面向信號(hào)的信號(hào)通道自動(dòng)控制，具有較強(qiáng)的適用性和較廣的應(yīng)用前景。

［1］李行善，左 毅，孫 杰.自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)集成技術(shù)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2004.

［2］杜 里，張其善.電子裝備自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)發(fā)展綜述［J］.計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，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］嚴(yán)英強(qiáng)，楊鎖昌.面向信號(hào)的儀器驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)研究［A］.第十七屆全國(guó)測(cè)控計(jì)量?jī)x器儀表學(xué)術(shù)年會(huì)（MCMI'2007）論文集（上冊(cè)）［C］.2007.

［7］牛雙誠(chéng)，宋振宇，孫保良.面向信號(hào)的儀器控制模型研究［J］.計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，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。

“泰山學(xué)者”建設(shè)工程專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)資助項(xiàng)目。

牛雙誠(chéng)（1974-），男，河北新河人，博士，主要從事計(jì)算機(jī)軟件、自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)、電子設(shè)備故障診斷、可測(cè)試性方向的研究。