一種分布式ATS控制結構層次模型設計

王正磊，周新力，許晴

（海軍航空工程學院山東煙臺264001）

自動測試系統(tǒng)（ATS）是由自動測試設備（ATE）和測試程序集（TPS）組成[1]。TPS需要運行在ATE基礎上，實現(xiàn)具體的測試功能。測試系統(tǒng)資源、測試接口適配器等構成系統(tǒng)的硬件平臺，應用開發(fā)環(huán)境、VISA、測試資源驅動程序和總線接口驅動等構成系統(tǒng)的軟件平臺?，F(xiàn)代自動測試系統(tǒng)的設計中，軟件和硬件之間的關聯(lián)在度越來越低，硬件平臺的變化對軟件平臺來說，其影響越來越小。因此，針對將來自動測試系統(tǒng)由集中式變?yōu)榉植际剑梢灾攸c關注硬件平臺的變化，而對于軟件平臺，只要需要稍微改變其配置文件，保證其測試程序的可移植性即可。

1 系統(tǒng)控制結構分層模型

測試系統(tǒng)是由若干相互作用、獨立統(tǒng)一的測試子系統(tǒng)組成的有機整體，各子系統(tǒng)又從屬與整體測試系統(tǒng)[2]。建立的分布式ATS，實際上就是一個具有分布式特點的網(wǎng)絡化ATS，也就是分布式測試網(wǎng)絡，而網(wǎng)絡是能夠直接或者間接進行通信的各方的集合。

網(wǎng)絡結構的設計通常采用層棧的設計方法，例如我們非常熟悉的OSI參考模型和TCP/IP參考模型[3]，其層次如圖1所示。

根據(jù)分布式ATS概念和網(wǎng)絡層次結構，將分布式ATS系統(tǒng)控制結構自底向上分為物理層、邏輯層和應用層3個層次。分布式ATS分層控制結構和支撐技術如圖2所示。

圖1 OSI和TCP/IP參考模型層次

圖2 分布式ATS控制結構層次

1）物理層。分布式ATS的基礎層，主體組成部分為模塊化測試單元及相關無線電設備。

2）邏輯層。分布式ATS的數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡層和傳輸層的綜合層，主體部分為基于自律分散系統(tǒng)特性建立的分布式網(wǎng)絡結構。

3）應用層。分布式ATS的用戶體驗層，主體成分為測試系統(tǒng)控制結構運行流程。

2 物理層設計

物理層是分布式測試網(wǎng)絡的基礎層，包括測試系統(tǒng)工作時各類測試命令、儀器信號、數(shù)據(jù)信息等直接接觸的基礎設備。

模塊化測試單元是測試系統(tǒng)的物理基礎，根據(jù)被測設備的實際測試需求，對所需的測試資源進行整合，形成便攜可移動的測試模塊，其結構取決于具體測試任務，將無線總線橋接入模塊化測試單元后，即可成為分布式ATS的測試子系統(tǒng)。模塊化測試單元內部結構如圖3所示。

圖3 模塊化測試單元內部結構

其中，供電模塊負責為單元內的各個組成設備提供工作電源；無線總線橋起到控制管理功能，各類測試儀器通過無線總線橋與測試主控建立連接，測試主控的控制命令也通過無線總線橋到達測試儀器。

3 邏輯層設計

分布式ATS的邏輯層的功能相當于OSI參考模型中的數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡層和傳輸層的集合。

3.1 自律分散系統(tǒng)

自律分散系統(tǒng)（ADS）是一種全新的基于網(wǎng)絡的系統(tǒng)運行模式。目前常用網(wǎng)絡型系統(tǒng)有客戶端/服務器（C/S）模式和瀏覽器/服務器（B/S）模式兩種組網(wǎng)方式[4]，無論是C/S還是B/S，在這兩種模式下子系統(tǒng)都隸屬于所屬服務器的管理，如果某個服務器癱瘓，則其所連子系統(tǒng)會全部掉線。ADS的基本思想是突破從屬關系，子系統(tǒng)自我管理、自發(fā)加入ADS、獨立完成任務[5]，與其他子系統(tǒng)協(xié)同工作實現(xiàn)整個ADS運行，但是相互獨立、彼此平等，其狀態(tài)和決策均不受其他子系統(tǒng)狀態(tài)和決策的影響。

ADS的先進體現(xiàn)在其自律可控性和自律可協(xié)調性[6]。自律，得益于ADS成員間松散的耦合關系，子系統(tǒng)自主控制自身異常情況的處理，既不影響其他子系統(tǒng)的狀態(tài)，也不會接受其他子系統(tǒng)管理；可控，ADS子系統(tǒng)的狀態(tài)是自我調節(jié)、自我控制的，在運行時可以自主應自身故障、維修、更新等異常情況；可協(xié)調，出現(xiàn)異常時，ADS的各類資源協(xié)調分擔異常部分的功能，確保系統(tǒng)正常運行。自律分散系統(tǒng)結構如圖4所示。

圖4 自律分散系統(tǒng)結構

3.2 基于WLAN的分布式ATS

分布式ATS，實際上是以網(wǎng)絡為基礎的ATS，其出現(xiàn)是為了應對不斷復雜的測試對象導致的測試過程參與者增多、相關測試數(shù)據(jù)增加的現(xiàn)象[7-9]。分布式ATS將分散在不同地理空間的測試儀器接入網(wǎng)絡，利用主控測試計算機，通過網(wǎng)絡這一信息傳遞媒介下達命令實現(xiàn)激勵、測試、數(shù)據(jù)處理和信息傳輸?shù)葴y試功能。分布式特征正是幫助ATS實現(xiàn)跨平臺、跨測試資源、跨測試信息、靈活協(xié)調各部分共同完成復雜裝備測試任務的最佳選擇。

基于ADS建立ATS結構模型，將ADS的在線擴展性、在線維護性和容錯特性擴展至整個測試網(wǎng)絡，同時也可以大大提高測試網(wǎng)絡的通用性、可替換性和靈活性，滿足分布式自動測試系統(tǒng)測試節(jié)點靈活的要求?；赪LAN的分布式ATS結構模型如圖5所示。

圖5 基于WLAN的分布式ATS結構模型

從圖7中可以看到，以ADS基本結構為基礎，分布式ATS的網(wǎng)絡拓撲結構結合了常見的C/S及B/S網(wǎng)絡系統(tǒng)組網(wǎng)模式，其主要組成部分為：測試數(shù)據(jù)域（TAF）和測試原子節(jié)點（TA）。

測試數(shù)據(jù)域的設計來源于自律分散系統(tǒng)的數(shù)據(jù)域，是測試信息、被測件信息、指令信息等關鍵信息傳遞的“通信區(qū)間”。測試數(shù)據(jù)域不是一個物理概念上存在的確實地理界線，而是抽象的區(qū)域范圍，測試數(shù)據(jù)域界線里的節(jié)點都可以通過測試數(shù)據(jù)域實現(xiàn)信息共享，測試節(jié)點控制端進入測試網(wǎng)絡后即算通過測試網(wǎng)絡界線，可以與測試網(wǎng)絡中的其他節(jié)點進行信息交互。從網(wǎng)絡拓撲結構來看，數(shù)據(jù)域相當于是C/S、B/S結構中的用戶網(wǎng)絡。

測試原子節(jié)點是實現(xiàn)測試功能的具體部分，也是整個測試系統(tǒng)的核心支架，數(shù)據(jù)域范圍內的測試節(jié)點之間是平等的關系，類似星型網(wǎng)絡拓撲結構[10-11]。每一個測試節(jié)點的專用測試儀器、通用測試儀器、GPIB、VXI、PXI、LXI總線儀器通過無線通信模塊接入WLAN；任何一臺接入WLAN的計算機都可以控制所有的測試設備，形成相互均等獨立地位；任何一個接入WLAN的計算機都可以通過測試數(shù)據(jù)域中流動的數(shù)據(jù)流信息自帶的測試內容碼（TCC）來確定是否需要此條信息，從而進行信息識別、收取、發(fā)送[12]。測試節(jié)點在功能既是客戶端也是服務端，作為客戶端可以運用數(shù)據(jù)域里的數(shù)據(jù)進行本節(jié)點的測試，作為服務器端是其產生的測試數(shù)據(jù)、信息均可用于網(wǎng)絡中其他測試節(jié)點使用。

4 應用層設計

應用層描述的是測試用戶分析被測對象，根據(jù)測試需求確立測試應用結構的過程。

4.1 分布式ATS的工作模式

根據(jù)測試環(huán)境的變化及限制，主要分為以下3種工作模式：

1）開放式全域無線測試環(huán)境

測試距離短且分布式ATS全域無線信號覆蓋，客戶端、服務器、測試儀器均處在無線覆蓋范圍內，而且具有無線通信功能，根據(jù)具體的測試需求，主控單元可以將指令由主控所連接的無線總線橋路由到分置的測試設備，進行測試。通過無線總線橋將分置的模塊化測試單元綜合形成分布式ATS。

2）半開放式全域無線測試環(huán)境

測試距離較短且分布式ATS跨測試間全域無線信號覆蓋，此時依舊可以按照開放式全域無線測試環(huán)境中的通信方式形成分布式ATS，與上述測試方案不同之處在于測試距離增加，為保證信號強度，從邏輯層的角度，在測試艙室之間增加無線路由設備，以保證數(shù)據(jù)鏈路的穩(wěn)定。

3）組合式全域有線覆蓋測試環(huán)境

由于測試間通信限制級別不同，有些測試間不允許與外界的無線連接，但鋪設有有線網(wǎng)絡，網(wǎng)絡通信方式可以利用無線、有線無線組合使用：通信安全的情況下，測試間內開放測試環(huán)境內各測試節(jié)點均可通過無線方式進行通信，形成無線分布式測試網(wǎng)絡；當測試網(wǎng)絡節(jié)點處在保密性強、屏蔽無線信號和鋪設有線網(wǎng)絡的封閉式環(huán)境，進行測試組網(wǎng)時，使用無線網(wǎng)絡添加開放環(huán)境測試節(jié)點、使用有線網(wǎng)絡連接封閉環(huán)境測試節(jié)點，形成組合分布式測試網(wǎng)絡。

4.2 基于有色Petri網(wǎng)的結構模型仿真

有色Petri網(wǎng)（CPN）是在基本Petri網(wǎng)的基礎上擴展而來的一種高級Petri網(wǎng)[13]?？梢郧逦恼故痉植际较到y(tǒng)主控與各子系統(tǒng)、子系統(tǒng)與子系統(tǒng)間的任務執(zhí)行關系[14]，同時引入時間、顏色集和層次結構等元素，這些元素通過CPN標記語言聲明，定義了顏色集（類型）、函數(shù)、運算和變量，從而使基于CPN建立的模型可以表現(xiàn)出不同類型的測試資源和測試任務。

CPNTools，是CPN建模和分析的基礎支持工具[15-17]。其交互性強的圖形用戶界面和反饋技術能夠顯示網(wǎng)絡元素之間的關系；其建模仿真過程可以在結構和邏輯上對測試過程進行檢驗，檢查分布式ATS模型是否達到設計要求；其狀態(tài)空間分析能力，能夠提供包含活性、公平性和有界性等標準狀態(tài)分析報告。

基于CPN基本理論，利用仿真工具CPN Tools，建立分布式ATS模型測試流程并仿真。測試仿真模型和流程圖分別如圖6、圖7所示。

圖6 分布式ATS仿真模型

在圖6中，圖中方框代表變遷，橢圓代表庫所，仿真結果驗證了分布式ATS測試流程的可行性。測試流程各狀態(tài)含義如表1所示。

5 結束語

文中通過對自動測試系統(tǒng)（ATS）基礎框架進行分析，構建了一種包含物理層、邏輯層和應用層的分布式ATS控制結構層次模型。在物理層，以模塊化測試單元技術、無線總線橋技術和無線通信網(wǎng)技術為支撐，形成系統(tǒng)平臺運行物理基礎。在邏輯層，基于自律分散系統(tǒng)（ADS）的兩個基本特性構成系統(tǒng)運行的主要邏輯基礎。在應用層，設計了具體的分布式測試系統(tǒng)的控制結構和專門面向測試任務執(zhí)行的應用流程，并通過有色Pertri網(wǎng)進行控制結構模型仿真，驗證了系統(tǒng)流程的可行性。

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圖7 分布式ATS模型測試流程

表1 測試流程各狀態(tài)含義

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