并行測試技術(shù)工程化應用研究

宋揚　王清海

摘要：并行測試技術(shù)在測試系統(tǒng)中應用廣泛，采用并行測試技術(shù)能夠提高系統(tǒng)的測試效率和性價比。本文提出了幾種并行測試結(jié)構(gòu)形式，并結(jié)合實際測試需求進行并行測試分析與實踐，詳細分析了針對某型導彈開展并行測試的可行性及實施方法，最終選擇多個被測對象并行測試的方法。結(jié)果表明，并行測試有效減少了測試時間，提高了測試速度，使該型導彈的測試效率提高了50%以上，提升了裝備使用效率。

關(guān)鍵詞：并行測試；自動測試系統(tǒng)；測試效率；導彈

中圖分類號：TJ760.6 文獻標識碼：A 文章編號：1673-5048（2017）02-0065-06

0引言

在自動測試系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的測試方法為串行測試，即在一定時間段內(nèi)只能測試一個被測對象（UUT，Unit Under Test），因而系統(tǒng)中價格昂貴的測試儀器平均空閑時間占整個測試時間的50%以上。隨著并行處理技術(shù)的引入，并行測試逐漸替代了串行測試。

并行測試是指自動測試系統(tǒng)在同一時間內(nèi)完成多個測試數(shù)據(jù)處理、多項測試任務(wù)等。根據(jù)并行測試的對象不同，可將并行測試分為不同情況：在同一時間內(nèi)完成多個UUT的測試，即多UUT的并行測試；在單個UUT上同步或異步地運行多個測試任務(wù)，同時完成UUT多項參數(shù)的測試，即單個UUT內(nèi)部的并行測試。

并行自動測試系統(tǒng)即采用了并行測試技術(shù)的自動測試系統(tǒng)。并行測試技術(shù)通過對系統(tǒng)資源的并行利用，大大提高了系統(tǒng)的測試效率和性價比。并行測試系統(tǒng)在同一時間內(nèi)完成多個UUT的測試，大大提高了系統(tǒng)的吞吐率，減少了測試時間。一定時間內(nèi)，在執(zhí)行兩個測試任務(wù)時，并行測試要比傳統(tǒng)順序測試效率提高50%；并行測試減少儀器的空閑時間、充分利用儀器資源，大大提高儀器的使用效率，從而提高系統(tǒng)的性價比。并行測試中測試任務(wù)不斷地運行，并發(fā)出占用儀器的申請，儀器一旦空閑就會再次被新的測試任務(wù)申請使用。在最理想的狀態(tài)下，整個測試過程中儀器一直處于工作狀態(tài)。

1并行測試概述

1.1并行自動測試系統(tǒng)性能評估

系統(tǒng)性能需要評估的指標有很多種，常見的有系統(tǒng)的吞吐率（throughput）即系統(tǒng)在單位時間內(nèi)處理作業(yè)的平均數(shù)，以及資源的利用率即資源處于忙狀態(tài)的時間比等等。自動測試系統(tǒng)經(jīng)常需要對被測件進行數(shù)十次的循環(huán)測試，測試花費時間是系統(tǒng)性能的一個重要指標，因此本文主要通過測試時間這一指標來對并行測試系統(tǒng)的性能進行評估。

1.2并行自動測試系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度策略

在系統(tǒng)中，各個任務(wù)可以并行或串行的執(zhí)行。傳統(tǒng)的自動測試系統(tǒng)采用串行測試技術(shù)，測試任務(wù)之間根據(jù)測試順序依次調(diào)用，并不需要任何調(diào)度的策略。一旦自動測試系統(tǒng)采用并行測試技術(shù)，測試任務(wù)的調(diào)度順序直接影響系統(tǒng)的性能，因此測試任務(wù)之間一般有一定的優(yōu)先次序約束。任務(wù)調(diào)度的目標是要在滿足一定的性能指標和優(yōu)先約束關(guān)系的前提下，將可并行執(zhí)行的任務(wù)按適當分配策略確定一種分派和執(zhí)行順序，合理分配到CPU上有序地執(zhí)行，以達到優(yōu)化的目的。

因此，實現(xiàn)并行測試的關(guān)鍵是設(shè)計良好的任務(wù)調(diào)度策略，按照系統(tǒng)資源的需求，分析并行測試的可能和效果。

1.3并行測試種類

1.3.1多UUT并行測試

多UUT并行測試是同時并行測試多個UUT。這類并行測試需要有足夠多的測試資源對每個UUT進行并行測試。

如果可以通過開關(guān)系統(tǒng)的切換實現(xiàn)多個UUT的測試共享，那么就可以減少測試資源的需求，提高系統(tǒng)的性價比。但測試資源是共享的，必須對資源的使用進行協(xié)調(diào)，要在適當時間分配適當?shù)馁Y源給某一UUT。如果測試資源是專用的，那么就不存在這種資源調(diào)配的復雜性。

多個UUT并行測試中，每個UUT的測試內(nèi)部仍為串行測試。

1.3.2單UUT并行測試

單UUT并行測試是在一個UUT內(nèi)同時進行多個測試。

當UUT的各個測試功能之間關(guān)聯(lián)性不太強時，可以進行多測試功能的并行測試，但在每個測試功能內(nèi)部，仍為串行測試。這種測試有可能需要更多的測試資源，例如要測量多個電阻器的阻值，那么就需要同樣多的數(shù)字多用表對其進行并行測試。

計算機科學中的并行執(zhí)行程序也是一種并行測試，即同一項測試中并行執(zhí)行多個測試步驟或動作。在這類測試中，測試動作是同時完成的，增加了測試系統(tǒng)軟件的復雜性。

1.4并行測試系統(tǒng)架構(gòu)

根據(jù)并行測試的實現(xiàn)方式，并行測試系統(tǒng)可劃分為兩類基本架構(gòu)形式：一類是多處理器的并行測試結(jié)構(gòu)，具有兩個以上的處理器，在各自操作系統(tǒng)的控制下，通過高速通信網(wǎng)絡(luò)、共享的主存或輸入/輸出子系統(tǒng)進行測試，對系統(tǒng)的軟硬件都有較高的要求；另一類是在單處理器上實現(xiàn)的并行測試結(jié)構(gòu)，通過對不同測試任務(wù)的調(diào)度來分配單個處理器處理任務(wù)的時間，從而實現(xiàn)并行測試，主要通過軟件設(shè)計來實現(xiàn)。

1.4.1多處理器并行測試結(jié)構(gòu)

多處理器的并行測試結(jié)構(gòu)中，根據(jù)處理器之間的關(guān)系分為分布式和主從處理器結(jié)構(gòu)。分布式并行測試結(jié)構(gòu)中的每臺計算機均可獨立高效地執(zhí)行測試任務(wù)，主要通過網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)測試同步和儀器、數(shù)據(jù)共享；主從處理器結(jié)構(gòu)中，從處理機與主處理器并行工作，從處理機分擔主處理器的部分工作，減輕主處理器的負擔，提高測試效率。

1.4.2單處理器并行測試結(jié)構(gòu)

單處理器的并行測試主要通過軟件的多進程或多線程實現(xiàn)。

多進程結(jié)構(gòu)是單個處理器中有多個進程同時執(zhí)行測試任務(wù)的結(jié)構(gòu)，通過CPU在進程間的切換來完成并行測試任務(wù)。在多進程結(jié)構(gòu)中應由操作系統(tǒng)來隔離每個進程的內(nèi)存地址空間，防止出現(xiàn)一個進程故障導致整個系統(tǒng)崩潰的現(xiàn)象。

多線程結(jié)構(gòu)是一個進程中的多個線程同時執(zhí)行測試任務(wù)的結(jié)構(gòu)，主要是通過線程間的切換來完成并行測試任務(wù)。多線程結(jié)構(gòu)中，并行測試程序在一個進程中執(zhí)行，這個進程擁有一個簡單內(nèi)存地址。進程有一個主線程，其只有一個控制流程來控制所有步驟的執(zhí)行，其他線程為從線程，主線程可以創(chuàng)建或刪除其他不同的線程來完成并行測試任務(wù)。

在工程應用中，尤其是大型測試系統(tǒng)中，被測試對象復雜，且其參數(shù)測試繁瑣，往往混合使用上述集中并行測試方式，如在系統(tǒng)級建立分布式并行測試結(jié)構(gòu)，然后在每個子測試節(jié)點中再建立多進程結(jié)構(gòu)，每個進程中又是多線程結(jié)構(gòu)。

2并行測試在導彈測試中的應用分析

在導彈測試系統(tǒng)中，用來進行參數(shù)測試的儀器是系統(tǒng)的組成部分之一；同時，用來進行環(huán)境目標模擬的各類目標模擬器、高度模擬器是系統(tǒng)中價格最昂貴的組成部分；用來進行電源、氣源供給的模擬部分則是系統(tǒng)中體積最龐大的部分。并行測試在導彈測試中的應用效能分析，從以上三個組成部分來看，有不同的效果。

采用多UUT并行對導彈測試來說，可以減少儀器的空閑時間，提高儀器的使用效率，但由于導彈測試對目標模擬器、高度模擬器的獨占性，對電源、氣源供應的持續(xù)要求，通常要求目標模擬器、高度模擬器的通道數(shù)增加，要求電源、氣源的能力增加，這就大大增加了系統(tǒng)的經(jīng)濟成本，對整個系統(tǒng)的性價比來說不一定是最優(yōu)的。

采用單UUT測試內(nèi)部的并行測試方法則可以避免上述問題，是工程上常用的方法。主要有多個測試項目的并行測試、同一測試項目內(nèi)部多個參數(shù)的同時采集及多個數(shù)據(jù)的同步處理等。這就需要盡可能詳盡地分析不同測試項目之間并行測試的可行性、不同參數(shù)同時測試有無資源沖突等，在軟件設(shè)計上采用多線程等，并確保在不增加系統(tǒng)需求的基礎(chǔ)上實現(xiàn)更高效率的測試。

3某紅外導彈并行測試實現(xiàn)

某導彈為紅外制導格斗彈，地面測試采用分步驟方式進行，不同步驟之間關(guān)聯(lián)性不強，可以根據(jù)操作人員的需要自由選擇。原有的設(shè)備為串行測試，逐項完成全部測試需要24 min左右。

根據(jù)前文分析，不同的測試功能之間關(guān)聯(lián)性不強是進行并行測試的條件之一。據(jù)此，以該紅外導彈為測試對象，通過導彈的X型放置使得多個測試信號可以并行測試，同時對不同的測試項目進行組合，使得能夠合并進行的測試項目采用并行測試的方式進行，可以將測試時間縮短50%以上，大大提高了測試效率。

3.1某紅外導彈測試項目

某紅外導彈測試分Ⅰ通道（導彈的左、右舵面即Ⅱ、Ⅳ舵面呈水平狀態(tài)，從導彈尾部看，Ⅰ通道在正上方）和Ⅱ通道（導彈的上、下舵面即Ⅰ、Ⅲ舵面呈水平狀態(tài)，從導彈尾部看，Ⅱ通道在正上方）兩種狀態(tài)，現(xiàn)在引入第三種狀態(tài)（導彈的左、右舵面和上、下舵面呈X狀態(tài)）稱為X通道狀態(tài)，三種通道狀態(tài)如圖1所示。

某紅外導彈的測試項目包括：

a.供電致冷測試；

b.電氣延遲測試；

c.轉(zhuǎn)速下降測試；

d.變流機測試：

e.連續(xù)性測試：

f.對稱性測試：

g.氣動延遲測試；

h.同軸一致性測試：

i.制導測試；

j.近目標測試；

k.操縱常數(shù)測試；

l.解除保險測試；

m.遠目標測試：

n.引信測試（引信1、引信2、引信3和引信4）。

其中，從i項至m項，均要進行I通道和Ⅱ通道測試。

3.2測試項目及與通道設(shè)置的關(guān)系分析

3.2.1供電致冷測試

測試中，首先檢查導彈的直流和交流供電電源，檢測合格后向?qū)椆╇?、供氣；監(jiān)測導彈輸出的F信號幅值、AGC信號幅值和PIPS信號頻率，判斷導彈致冷是否合格。

該項測試與導彈通道放置狀態(tài)無關(guān)，測試時間小于120 s。

3.2.2電氣延遲測試

測試中，向?qū)棸l(fā)出sD（安全距離）啟動信號，記錄導彈SD1和SD2信號出現(xiàn)時間。

該項測試與導彈通道放置狀態(tài)無關(guān)，測試時間為10 s。

電氣延遲是導彈正常工作必經(jīng)的一個狀態(tài)，在自動測試時可以結(jié)合制導檢測。

3.2.3轉(zhuǎn)速下降測試

測試中，停止向?qū)椡夤┙涣麟娫?0 s，測試斷電前和斷電10 s后陀螺轉(zhuǎn)速之差，判斷差值是否合格。

該項測試與導彈通道放置狀態(tài)無關(guān)，測試時間為15 s。

測試可以放在供電致冷檢測中完成，由于探測器致冷慢，陀螺啟動快，在陀螺達到正常轉(zhuǎn)速后，隨即進行該項測試，測試完畢繼續(xù)給陀螺供電進行后續(xù)測試。

3.2.4變流機測試

測試中，停止向?qū)椡夤┙涣麟?，同時發(fā)出ST（變流機）啟動信號，啟動導彈變流機工作，該狀態(tài)持續(xù)20 s，在這期間監(jiān)測陀螺頻率變化情況。

該項測試與導彈通道放置狀態(tài)無關(guān)，測試時間為30 s。

3.2.5連續(xù)性測試

測試主要檢查導彈電纜插座之間連續(xù)性，以及導彈兩種內(nèi)供電電壓的幅度和紋波。

該項測試與導彈通道放置狀態(tài)無關(guān)，測試時間為15 s，可與變流機或同軸一致性測試同時進行。

3.2.6對稱性測試

測試中，主要測試E指令（EU和ED、EL和ER）、N指令（NU和ND、NL和NR）之間的信號波形對稱情況。

該項測試與導彈通道放置狀態(tài)無關(guān)，測試時間為60 s。

在原測試中，由于測試資源所限，只能順次檢測EU和ED、EL和ER、NU和ND、NL和NR四對指令信號波形，每對信號用時10 s，共用時40s。實際上這些信號在導彈工作時是同時存在的，可以同時并行采集，測試用時小于20 s。

3.2.7氣動延遲測試

測試中，主要測試從開始供伺服氮氣到舵面有顯著反應的時間差。

該項測試與導彈通道放置狀態(tài)無關(guān)，測試時間為30 s。

3.2.8同軸一致性測試

測試中，主要測試位標器位置信號的相位以及E指令（EU）所表征的極限環(huán)頻率。

該項測試與導彈通道放置狀態(tài)無關(guān)，測試時間為25 s。

3.2.9制導測試

測試中。主要測試導彈跟蹤過程中相應的N指令（NU，ND，NR，NL），以及在目標偏離導彈軸線±30°和0°時，位標器角解算器輸出的方位信號（sin，sincos，sinsin）。

導彈Ⅰ通道狀態(tài)或Ⅱ通道狀態(tài)時，目標在水平面上左右運動和導彈“左、右”機動或“上、下”機動方向平行，只引起與其運動方向垂直的舵控指令輸出，另一方向的舵控指令輸出很小，即導彈Ⅰ通道狀態(tài)時，目標向右側(cè)運動測NU指令，向左側(cè)運動測ND指令；導彈Ⅱ通道狀態(tài)時，目標向右側(cè)運動測NR指令，向左側(cè)運動測NL指令。

當導彈X通道狀態(tài)時，目標在水平面上左右運動和導彈“左、右”機動或“上、下”機動方向成45°夾角，導彈“左或右”和“上或下”舵控指令均有正常輸出，可以同時測試兩組舵控指令。測試方法如下：當導彈X通道狀態(tài)時，目標向右運動時可以測試NU和NR指令，目標向左運動時可以測試ND和NL指令，目標一個左右運動循環(huán)可以測到4個舵控指令。

從對導彈角解算器功能檢測角度來說，Ⅰ，Ⅱ通道和X通道兩種情況都能檢驗該功能是否正常，區(qū)別僅在于測試結(jié)果的合格判定范圍需要進行一定的換算。

制導測試流程如圖2所示。

3.2.10近目標測試

測試中，主要測試在近目標跟蹤狀態(tài)下導彈的跟蹤性能，測試時間為35 s。

該項目的測試判據(jù)有F，AGC信號幅值和導彈跟蹤狀態(tài)。F，AGC信號幅值與導彈處于Ⅰ，Ⅱ通道或X通道無關(guān)；導彈跟蹤狀態(tài)與導彈“制導”項目分析相似，在X通道狀態(tài)可同時考察Ⅰ，Ⅱ通道跟蹤控制能力。

3.2.11操縱常數(shù)測試

測試中，主要測試導彈超前偏置回路工作狀況。該項測試與制導測試相似，當導彈在Ⅰ通道狀態(tài)或Ⅱ通道狀態(tài)測試時，目標只相對一對舵控制通道有偏置，當目標偏移30°進行彈目接近模擬時，只有一對舵有超前偏置響應；當導彈在X通道狀態(tài)測試時，會同時有兩對舵進行響應，同時采集兩路響應，可以加快測試速度。

當導彈X通道放置時，由于有兩對舵進行超前偏置設(shè)置，而舵控氣源流量有限，使得舵輸出力矩稍微有一些滯后，時間常數(shù)由均值60 ms增大到76 ms，但從舵控效果來說，由于兩對舵都起作用，導彈的超前偏置效果并未變差。

3.2.12解除保險測試

測試中，主要測試解除保險電路工作時序，測試時間為46 s。

目標是否進入解除保險環(huán)帶只與目標和導彈縱軸軸線的夾角有關(guān)系，與導彈處于Ⅰ，Ⅱ通道或X通道無關(guān)，可以在X通道狀態(tài)檢測導彈的這項特性。

3.2.13遠目標測試

測試中，主要測試在遠目標跟蹤狀態(tài)下導彈的跟蹤性能，測試時間為35 s（含目標降溫時間）。

該項合格判據(jù)中F信號幅值、AGC信號幅值、極限環(huán)頻率與Ⅰ，Ⅱ通道或X通道無關(guān)；導彈跟蹤狀態(tài)與導彈“制導”項目分析相似，在X通道狀態(tài)可以同時考察Ⅰ，Ⅱ通道跟蹤控制能力。

3.2.14引信測試

引信測試分為4個分項進行：引信1、引信2、引信3和引信4。

在原有設(shè)備中，各項目靠按鈕進行選擇，結(jié)果靠指示燈顯示，為了比較清楚地反映引信不同側(cè)面的功能，分成單獨的4項進行測試，這要求項目之間重復設(shè)置SD等測試準備信號。目前完成4項測試用時為140 s。

設(shè)備引入計算機后，操作顯示界面豐富，有條件在一次SD準備情況下完成相應的有目標測試內(nèi)容，并清楚地顯示測試結(jié)果；自炸功能測試則必須再啟動一次SD方可完成。

因此，可在上述4個分項單獨測試基礎(chǔ)上增加自動測試選項，綜合上述測試內(nèi)容，減少重復設(shè)置，從而加快測試速度。改進后可以在90 s內(nèi)完成引信測試。

3.3并行測試實現(xiàn)結(jié)果

根據(jù)上述測試試驗分析，對采取并行測試前后某紅外導彈的測試時間進行統(tǒng)計，如表1所示。

由表1看出，原來的測試時間為1 400 s（不包括Ⅰ，Ⅱ兩個通道調(diào)的兩次調(diào)環(huán)帶時間和通道轉(zhuǎn)換時間）。采用了并行測試策略后，完成全部測試的時間為531 s（未計算一次調(diào)換帶時間）。測試時間大大縮短，測試效率得到提高。

4結(jié)論

本文對并行測試在某紅外導彈中的應用進行了初步探索和工程實現(xiàn)，通過對多個測試項目的并行進行，及每個測試項目內(nèi)的多個測試參數(shù)的并行測試，可降低50%以上的測試時間，有效提高了導彈測試的效率，具有一定的工程實踐意義。這種在單UUT內(nèi)部的測試對軟件實現(xiàn)有一定的要求，對系統(tǒng)的硬件資源則不做新的要求，因而性價比較高，適合系統(tǒng)資源已經(jīng)固定、無法做大的改變的設(shè)備。

對多UUT的并行測試來說，由于對資源的要求較高，實現(xiàn)起來尚有一定的技術(shù)困難。多UUT的并行測試將是并行測試發(fā)展需要解決的問題之一，也是未來并行測試的研究重點，對全面提高測試質(zhì)量，優(yōu)化武器系統(tǒng)的維護保障具有重要的意義。