模塊類網(wǎng)絡(luò)安全產(chǎn)品的智能測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孟珞珈，郭元興，盛強(qiáng)強(qiáng)，楊 光，廖 熹，李建國

(中國電子科技集團(tuán)公司 第30研究所，成都 610041)

0 引言

網(wǎng)絡(luò)安全產(chǎn)品應(yīng)用遍布黨政以及金融、能源、交通、電子信息等關(guān)乎國計(jì)民生的重要行業(yè)[1-2]，其物理形態(tài)多為小型模塊化的電子產(chǎn)品，既有如USB-KEY等具有標(biāo)準(zhǔn)接口的模塊，也有接口與外形定制設(shè)計(jì)的模塊，工作時(shí)需將其安裝到對應(yīng)的宿主設(shè)備中使用。當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)安全產(chǎn)品生產(chǎn)批量大、交付周期短，但企業(yè)現(xiàn)有測試能力卻難以滿足產(chǎn)品的按期交付，以典型產(chǎn)品USB-KEY為例，單條測試線2名操作人員單日工作8小時(shí)產(chǎn)能不足600件，原因主要有兩點(diǎn)：1)現(xiàn)有測試工藝主要依賴人工操作，自動(dòng)化程度低，經(jīng)測算人工操作約占整個(gè)測試時(shí)間的25%；2)產(chǎn)品換線時(shí)間長，當(dāng)需要換線時(shí)，由于涉及到更換產(chǎn)品的測試工裝以及搭建測試環(huán)境，換線時(shí)間一般在70分鐘以上。經(jīng)企業(yè)評估，單日產(chǎn)能需達(dá)到1 500件才能滿足交付需求，雖然新增測試線與操作人員的方式可以短時(shí)間內(nèi)快速擴(kuò)充產(chǎn)能，但會(huì)導(dǎo)致測試成本大幅增加，企業(yè)難以接受，因此迫切需要通過智能化手段代替人工操作，在降低人力投入的同時(shí)提升測試效率與柔性換線能力[3-6]，滿足產(chǎn)能需求。

取代人工操作的關(guān)鍵在于采用機(jī)械手實(shí)現(xiàn)對產(chǎn)品的抓取、裝夾及分揀等操作。隨著勞動(dòng)力成本的不斷上升，工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備在很多領(lǐng)域正越來越多地被廣泛使用，其中工業(yè)機(jī)械手憑借其穩(wěn)定性好、適應(yīng)面廣、效率高等優(yōu)點(diǎn)，成為工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)的理想工具[7]。在歐美日等發(fā)達(dá)國家已廣泛使用機(jī)械手代替人工進(jìn)行上下料，從毛坯開始到加工成成品，整個(gè)生產(chǎn)線的上下料全部都使用機(jī)械手來完成，這已成為現(xiàn)代生產(chǎn)技術(shù)不可阻擋的發(fā)展趨勢[8]。例如工業(yè)流水線上常見的分揀機(jī)械手，可以通過基于PLC的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)控制機(jī)械手抓取生產(chǎn)流水線上不同形狀大小的物品，具有持續(xù)工作、效率高等優(yōu)點(diǎn)，可以極大地提升生產(chǎn)的靈活性和通用性，適用于在復(fù)雜場景下各種零部件的上料需求[9-12]。

提高測試效率的關(guān)鍵在于設(shè)計(jì)測試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)批量自動(dòng)化測試。在測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)方面，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)字化集成技術(shù)、自動(dòng)測控技術(shù)以及智能化技術(shù)的發(fā)展，測試系統(tǒng)向著標(biāo)準(zhǔn)化、智能化、通用化和網(wǎng)絡(luò)化的方向邁進(jìn)，而基于PXI總線架構(gòu)的測試系統(tǒng)則是當(dāng)前主流應(yīng)用。PXI總線是PCI在儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展，它將CompactPCI規(guī)范定義的PCI總線技術(shù)發(fā)展成適合于試驗(yàn)、測量與數(shù)據(jù)采集場合應(yīng)用的機(jī)械、電氣和軟件規(guī)范，從而形成了新的虛擬儀器體系結(jié)構(gòu)。PXI總線平臺具有良好的兼容性和擴(kuò)展性，適用于工業(yè)環(huán)境，它成為自動(dòng)化測試領(lǐng)域高性能、低成本的運(yùn)載平臺，廣泛應(yīng)用在汽車生產(chǎn)、機(jī)器監(jiān)控、軍事和航空、制造測試等各種領(lǐng)域。采用PXI總線平臺開發(fā)自動(dòng)化的測試系統(tǒng)，其測試業(yè)務(wù)在計(jì)算機(jī)軟件的控制下進(jìn)行，憑借計(jì)算機(jī)可操作性強(qiáng)、運(yùn)算速度快、處理能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在降低測試系統(tǒng)操作復(fù)雜度的同時(shí)提高了系統(tǒng)的精度和工作效率，實(shí)現(xiàn)了測試系統(tǒng)的自動(dòng)化和高效化[13-15]。

在智能制造相關(guān)技術(shù)快速發(fā)展的環(huán)境下，將智能測試技術(shù)與生產(chǎn)流水線的構(gòu)建相結(jié)合，提出智能設(shè)備新的功能需求和測試技術(shù)發(fā)展的新方向，尋求智能設(shè)備及測試技術(shù)在智能制造中新的應(yīng)用前景，這是推動(dòng)智能工廠建設(shè)的一項(xiàng)重要工作[16]。本文提出一種通用性強(qiáng)的模塊類網(wǎng)絡(luò)安全產(chǎn)品智能測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，通過構(gòu)建智能測試裝置，將搭載圖像傳感器的工業(yè)機(jī)械手控制技術(shù)與基于PXI架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)安全產(chǎn)品測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)上下料、型號識別與柔性換線、智能裝夾、批量測試、質(zhì)量感知及分揀處理等流程的全自動(dòng)化，大幅度提升網(wǎng)絡(luò)安全產(chǎn)品的調(diào)測效率及質(zhì)量控制能力，并有效降低人力成本。

1 系統(tǒng)組成和原理

1.1 系統(tǒng)組成

模塊類網(wǎng)絡(luò)安全產(chǎn)品的智能測試系統(tǒng)組成如圖1所示，由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成。硬件系統(tǒng)包括主控計(jì)算機(jī)、交換機(jī)、智能測試裝置、測試平臺、上料裝置和出料裝置，其中主控計(jì)算機(jī)是智能測試系統(tǒng)的控制中心，采用顯控一體化設(shè)計(jì)，負(fù)責(zé)智能測試系統(tǒng)各設(shè)備的調(diào)度與運(yùn)行控制。智能測試裝置主要包含工作臺面、機(jī)械手系統(tǒng)、圖像傳感器、治具傳輸帶、檔停定位機(jī)構(gòu)以及監(jiān)控?cái)z像頭等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的自動(dòng)傳輸、圖像信息識別、裝夾、分揀等操作。測試平臺安裝在智能測試裝置主體內(nèi)，由測試主機(jī)以及測試接口裝置組成，其中測試主機(jī)基于PXI總線架構(gòu)設(shè)計(jì)，主要包括主處理單元及多個(gè)獨(dú)立的測試單元，實(shí)現(xiàn)對產(chǎn)品的批量自動(dòng)化測試；測試接口裝置是對測試主機(jī)測試接口的轉(zhuǎn)接與延長，根據(jù)被測產(chǎn)品類型分為插接式和探針式，可按照不同產(chǎn)品測試需求靈活更換。上料裝置和出料裝置與智能測試裝置的治具傳輸帶連接，用于被測產(chǎn)品的批量自動(dòng)上料與出料。

圖1 網(wǎng)絡(luò)安全產(chǎn)品智能測試系統(tǒng)組成

軟件系統(tǒng)包括控制中心軟件和測試軟件?？刂浦行能浖\(yùn)行在主控計(jì)算機(jī)上，由主控模塊、人機(jī)交互界面、PLC控制模塊、CCD控制模塊和視頻監(jiān)控模塊組成，實(shí)現(xiàn)對智能測試系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備的運(yùn)行控制，并提供測試操作界面及多維度的信息交互看板。測試軟件運(yùn)行在測試平臺上，實(shí)現(xiàn)對產(chǎn)品的批量自動(dòng)化測試，并將測試結(jié)果反饋到控制中心軟件，測試軟件由產(chǎn)品批量測試模塊、測試代理模塊及多型網(wǎng)絡(luò)安全產(chǎn)品的測試用例組成，其中產(chǎn)品批量測試模塊運(yùn)行在測試平臺的主處理單元上，測試代理模塊及測試用例運(yùn)行在測試平臺各個(gè)獨(dú)立的測試單元上。

1.2 系統(tǒng)運(yùn)行原理

模塊類網(wǎng)絡(luò)安全產(chǎn)品現(xiàn)有測試流程主要包含安裝產(chǎn)品、產(chǎn)品初始化、寫入固件程序，物理與電子編號比對、寫入隨機(jī)數(shù)、寫入工作參數(shù)、業(yè)務(wù)測試、參數(shù)擦除以及分揀產(chǎn)品等步驟，通過流程再造與優(yōu)化，將需要人工操作與判別的步驟交由上料與出料裝置、機(jī)械手系統(tǒng)、圖像傳感器以及測試平臺來自動(dòng)控制完成，從而形成以產(chǎn)品上料、柔性換線、編號識別、產(chǎn)品裝夾、批量自動(dòng)測試、產(chǎn)品分揀及出料為流程的一站式測試場景，如圖2所示，并可根據(jù)測試需求進(jìn)行軟硬件的靈活重組與調(diào)用，實(shí)現(xiàn)流水線測試能力的快速構(gòu)建。系統(tǒng)運(yùn)行原理如下所述。

圖2 測試流程優(yōu)化與再造

1)準(zhǔn)備工作：前期準(zhǔn)備工作主要有四步：①將產(chǎn)品的測試平臺安裝到智能測試裝置內(nèi)；②配置坐標(biāo)參數(shù)，包括抓取坐標(biāo)參數(shù)、裝夾坐標(biāo)參數(shù)、拔取坐標(biāo)參數(shù)和分揀坐標(biāo)參數(shù)，用于機(jī)械手對產(chǎn)品進(jìn)行抓取、裝夾、拔取以及分揀的坐標(biāo)定位；③在產(chǎn)品治具的二維碼標(biāo)記槽位中粘貼產(chǎn)品信息二維碼；④將產(chǎn)品批量裝入產(chǎn)品治具中；

2)產(chǎn)品上料：將產(chǎn)品治具放入上料裝置后啟動(dòng)測試，控制中心軟件控制上料裝置將產(chǎn)品治具送入智能測試裝置中；

3)柔性換線：控制中心軟件控制治具傳輸帶將產(chǎn)品治具傳輸?shù)焦潭ㄎ恢煤髾n停，控制圖像傳感器讀取產(chǎn)品治具上的二維碼獲取被測產(chǎn)品型號，并控制機(jī)械手抓取方式、裝夾方式以及測試用例的聯(lián)動(dòng)切換，實(shí)現(xiàn)柔性換線；

4)編號識別：控制中心軟件控制機(jī)械手系統(tǒng)依次移動(dòng)至每個(gè)產(chǎn)品的上方，通過圖像傳感器拍照獲取每個(gè)產(chǎn)品外觀上的物理編號信息，同時(shí)檢測治具中的產(chǎn)品是否已擺放到位；

5)產(chǎn)品裝夾：控制中心軟件控制機(jī)械手系統(tǒng)根據(jù)坐標(biāo)參數(shù)將產(chǎn)品依次抓取，并裝入到測試平臺對應(yīng)的測試接口上。

6)批量自動(dòng)測試：完成裝夾后，控制中心軟件向測試軟件發(fā)出測試啟動(dòng)命令，測試軟件啟動(dòng)產(chǎn)品測試用執(zhí)行自動(dòng)化測試，并向控制中心軟件反饋測試結(jié)果，控制中心軟件通過人機(jī)交互界面顯示測試過程信息；

7)產(chǎn)品分揀：完成測試后，控制中心軟件控制機(jī)械手系統(tǒng)將合格品和不合格品分揀到對應(yīng)的治具上，分揀完成后通過治具傳輸帶將裝有合格產(chǎn)品的治具推送到出料裝置，并將機(jī)械手系統(tǒng)復(fù)位；

8)出料：將裝有合格產(chǎn)品的治具通過出料裝置轉(zhuǎn)送到后續(xù)工序，不合格產(chǎn)品由人工定期處理；

9)測試過程監(jiān)控：智能測試系統(tǒng)工作時(shí)，主控模塊會(huì)調(diào)用視頻監(jiān)控模塊，將系統(tǒng)運(yùn)行視頻通過人機(jī)交互界面進(jìn)行展示。

1.3 通信架構(gòu)

智能測試系統(tǒng)的通信架構(gòu)如圖3所示，采用局域網(wǎng)(LAN)總線構(gòu)建基本的通信網(wǎng)絡(luò)，主控計(jì)算機(jī)、測試平臺的測試主機(jī)、智能測試裝置PLC、上料裝置PLC、出料裝置PLC以及CCD工控機(jī)均通過網(wǎng)線接入到交換機(jī)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，主控計(jì)算機(jī)與PLC之間采用定制的PLC控制協(xié)議進(jìn)行通信。在智能測試裝置內(nèi)部，機(jī)械手系統(tǒng)、治具傳輸帶、氣缸以及傳感器等其他設(shè)備通過RS485總線連接到智能測試裝置PLC上；在上料與出料裝置內(nèi)部，傳感器、傳輸帶以及氣缸等設(shè)備通過RS485總線連接到對應(yīng)的PLC上。

圖3 系統(tǒng)通信架構(gòu)圖

1.4 產(chǎn)品裝夾方式

產(chǎn)品的裝夾方式根據(jù)產(chǎn)品外形特點(diǎn)主要分為兩類：一類是在裝夾時(shí)采用夾抓將產(chǎn)品抓取后插接到測試接口裝置上，此種方式適合于外形特點(diǎn)如USB-KEY等適合夾抓的產(chǎn)品，如圖4(a)所示；另一類是通過吸盤吸取后放置到測試槽位上，再控制壓接固定機(jī)構(gòu)將產(chǎn)品向下壓，使產(chǎn)品接口與測試接口裝置的探針式測試接口相接觸，以保證產(chǎn)品接口與測試接口探針接觸良好，此種方式適合于接口在產(chǎn)品下方的定制模塊，如圖4(b)所示。

圖4 產(chǎn)品裝夾方式示意圖

1.5 批量測試原理

為提高測試效率，產(chǎn)品的批量測試采用了并行測試架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，其原理如圖5所示，執(zhí)行單個(gè)產(chǎn)品測試流程的是產(chǎn)品測試用例，測試用例由產(chǎn)品的一系列具體測試項(xiàng)目組合形成。在完成產(chǎn)品的批量裝夾操作后，控制中心軟件的主控模塊向測試軟件的產(chǎn)品批量測試模塊發(fā)起測試通知，產(chǎn)品批量測試模塊通過測試代理模塊啟動(dòng)對應(yīng)的產(chǎn)品測試用例，產(chǎn)品的測試用例在啟動(dòng)后，會(huì)自動(dòng)按照測試項(xiàng)目順序，產(chǎn)生相應(yīng)的測試激勵(lì)發(fā)送到被測產(chǎn)品，被測產(chǎn)品產(chǎn)生測試應(yīng)答給測試用例，測試用例進(jìn)行結(jié)果判斷，并將過程數(shù)據(jù)和結(jié)果數(shù)據(jù)通過測試代理模塊發(fā)送給產(chǎn)品批量測試模塊；產(chǎn)品批量測試模塊將接收到的測試結(jié)果轉(zhuǎn)發(fā)到主控模塊，由主控模塊調(diào)用人機(jī)交互界面進(jìn)行結(jié)果呈現(xiàn)。這一架構(gòu)的優(yōu)勢在于，不同的產(chǎn)品測試用例是在測試平臺各自獨(dú)立的測試單元上運(yùn)行，因此各個(gè)產(chǎn)品的測試流程是并行執(zhí)行，不會(huì)受到其它產(chǎn)品測試過程的影響，測試效率明顯提高。

圖5 批量測試原理圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

智能測試系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)包括智能測試裝置設(shè)計(jì)、機(jī)械手系統(tǒng)設(shè)計(jì)、測試平臺設(shè)計(jì)三部分。

2.1 智能測試裝置設(shè)計(jì)

智能測試裝置設(shè)計(jì)原理如圖6所示，主要由工作臺面、機(jī)械手系統(tǒng)、圖像傳感器、治具傳輸帶、檔停定位機(jī)構(gòu)、壓接固定機(jī)構(gòu)、監(jiān)控?cái)z像頭和位置傳感器組成，產(chǎn)品治具在智能測試裝置內(nèi)通過治具傳輸帶進(jìn)行傳輸。工作臺面上提供了兩組獨(dú)立測試工位，可同時(shí)安裝兩組相同或不同測試平臺的測試接口裝置，以適配不同網(wǎng)絡(luò)安全產(chǎn)品的混線測試，當(dāng)需更換測試接口裝置時(shí)，只需將測試接口裝置從定位銷釘中取出，再將新的測試接口裝置插入定位銷釘即可，換線操作簡單；工作臺面內(nèi)部用于放置測試平臺；工作臺面上設(shè)置有支架，用于放置主控計(jì)算機(jī)。機(jī)械手系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的裝夾與分揀。圖像傳感器搭載在多功能機(jī)械手上，實(shí)現(xiàn)圖像信息的識別。治具傳輸帶兩端分別與自動(dòng)上料裝置和自動(dòng)出料裝置相連接，控制產(chǎn)品治具在智能測試裝置內(nèi)進(jìn)行傳輸。檔停定位機(jī)構(gòu)將在治具傳輸帶上傳輸?shù)漠a(chǎn)品治具進(jìn)行檔停與提升，并精確定位固定，使產(chǎn)品治具脫離治具傳輸帶，為機(jī)械手系統(tǒng)抓取產(chǎn)品提供精確坐標(biāo)位置，并在完成測試后將治具下放至治具傳輸帶。壓接固定機(jī)構(gòu)主要由壓接氣缸部件、壓板和橫移氣缸部件組成，壓接氣缸部件向產(chǎn)品施加向下的壓力，通過壓板將產(chǎn)品壓緊；橫移氣缸部件用于在產(chǎn)品放置的過程中將壓接氣缸部件移開，防止干擾機(jī)械手行程。監(jiān)控?cái)z像頭用于實(shí)時(shí)采集測試裝置主體內(nèi)部的運(yùn)行視頻。位置傳感器主要實(shí)現(xiàn)對產(chǎn)品治具在裝置入口位置、檔停位置以及出口位置的檢測。

圖6 智能測試裝置設(shè)計(jì)圖

產(chǎn)品治具外形尺寸為統(tǒng)一的長260 mm×寬250 mm設(shè)計(jì)，內(nèi)有根據(jù)產(chǎn)品外形定制設(shè)計(jì)的若干槽位，用于批量放置產(chǎn)品，治具上設(shè)有二維碼標(biāo)記槽，用于粘貼記錄有產(chǎn)品型號信息的二維碼。

2.2 機(jī)械手系統(tǒng)設(shè)計(jì)

機(jī)械手系統(tǒng)由龍門三軸機(jī)械臂和多功能機(jī)械手組成，機(jī)械臂為多功能機(jī)械手提供XYZ三個(gè)軸向運(yùn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)模型如圖7所示，有效行程為600 mm*550 mm*150 mm，速率達(dá)到800 mm/s；多功能機(jī)械手模型如圖8所示，由夾爪、吸盤、夾抓汽缸和吸盤汽缸組成，抓取精度達(dá)到0.02 mm，并搭載圖像傳感器。工作時(shí)，控制中心軟件首先控制多功能機(jī)械手移動(dòng)到產(chǎn)品治具二維碼上方，通過圖像傳感器拍攝二維碼識別產(chǎn)品型號，自動(dòng)選用夾抓或吸盤。自動(dòng)選用的原理是當(dāng)系統(tǒng)識別產(chǎn)品型號為適合夾抓抓取的產(chǎn)品時(shí)，系統(tǒng)控制夾爪氣缸打開，彈出夾爪抓取產(chǎn)品，同時(shí)將吸盤汽缸關(guān)閉并退回吸盤；當(dāng)系統(tǒng)識別產(chǎn)品型號為適合吸盤吸取的產(chǎn)品時(shí)，系統(tǒng)控制吸盤氣缸打開，彈出吸盤吸取產(chǎn)品，同時(shí)將夾爪氣缸關(guān)閉并退回夾爪。

圖7 機(jī)械臂模型圖

圖8 多功能機(jī)械手模型圖

控制中心軟件控制多功能機(jī)械手依次移動(dòng)至每一個(gè)產(chǎn)品的正上方，通過圖像傳感器拍攝產(chǎn)品的物理編號信息并轉(zhuǎn)換為文本信息輸出，用于產(chǎn)品批量測試階段檢測電子編號和物理編號是否一致，同時(shí)檢測產(chǎn)品是否已準(zhǔn)確放置到產(chǎn)品治具槽位。完成物理編號信息獲取后，對于裝夾方式為夾抓抓取的產(chǎn)品，由多功能機(jī)械手的夾抓依據(jù)坐標(biāo)參數(shù)將產(chǎn)品直接抓起并對準(zhǔn)插接到測試接口裝置對應(yīng)的接口上，并通過固定機(jī)構(gòu)固定，如圖9所示；對于裝夾方式為吸盤吸取的產(chǎn)品，由多功能機(jī)械手的吸盤依據(jù)坐標(biāo)參數(shù)依次將產(chǎn)品吸取后放置到測試接口裝置相應(yīng)的測試槽位上，并通過壓接固定機(jī)構(gòu)將產(chǎn)品接口與測試接口裝置的彈簧探針接觸緊密。

圖9 產(chǎn)品裝夾操作示意圖

完成測試后，對于裝夾方式為夾抓抓取的產(chǎn)品，控制中心軟件控制多功能機(jī)械手的夾抓將產(chǎn)品拔出，將不合格品放置到不合格品治具，合格品則放回到原產(chǎn)品治具；對于裝夾方式為吸盤吸取的產(chǎn)品，控制中心軟件控制壓接固定機(jī)構(gòu)將壓板升起并移開，再控制多功能機(jī)械手的吸盤將產(chǎn)品從測試槽位中吸取出來進(jìn)行分揀。

2.3 測試平臺設(shè)計(jì)

模塊類網(wǎng)路安全產(chǎn)品在接口上差異較大，既有USB-KEY、mini-PCIe等計(jì)算機(jī)模塊，也有RapidIO、Serdes等高速接口模塊，還有由各種高速信號與低速RS232、TTL信號組合而成的綜合接口模塊，其參數(shù)加載需要通過宿主機(jī)從參數(shù)管理設(shè)備中讀取并寫入，因此測試平臺需提供高通信帶寬，以滿足根據(jù)不同接口進(jìn)行靈活配置的需求，并為產(chǎn)品提供參數(shù)加載的通道。而基于PXI總線的測試平臺性能優(yōu)越，既能有效解決測試平臺在高速通信中的帶寬瓶頸，也能支持系統(tǒng)中各單元之間的獨(dú)立運(yùn)行與靈活互換[17-21]。

網(wǎng)絡(luò)安全產(chǎn)品測試平臺由測試主機(jī)以及測試接口裝置組成。其中測試主機(jī)基于PXI總線架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，由PXI機(jī)箱、主處理單元和6個(gè)獨(dú)立測試單元組成，各單元之間通過PXI背板總線實(shí)現(xiàn)信號交互，測試單元及測試接口裝置根據(jù)被測產(chǎn)品的測試需求定制設(shè)計(jì)，可通過升級測試單元及更換測試接口裝置實(shí)現(xiàn)測試平臺的快速重構(gòu)。以USB-KEY測試平臺為例，該平臺可支持6件USB-KEY并行批量測試，由于USB-KEY在上電初始化后需加載隨機(jī)數(shù)KEY和工作參數(shù)KEY，因此測試平臺既需要滿足產(chǎn)品批量接入測試，也要實(shí)現(xiàn)隨機(jī)數(shù)KEY和工作參數(shù)KEY的自動(dòng)切換與讀取，其設(shè)計(jì)原理如圖10所示。測試單元由“計(jì)算機(jī)模塊+切換電路”構(gòu)成，計(jì)算機(jī)模塊提供測試所需的計(jì)算機(jī)接口及測試驅(qū)動(dòng)，并控制切換電路依次讀取隨機(jī)數(shù)KEY和工作參數(shù)KEY并加載到產(chǎn)品中。測試接口裝置與測試單元之間通過電纜進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)USB信號的延長與轉(zhuǎn)接。

圖10 USB-KEY測試平臺設(shè)計(jì)原理圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件總體設(shè)計(jì)

智能測試系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括控制中心軟件設(shè)計(jì)和測試軟件設(shè)計(jì)，其總體設(shè)計(jì)如圖11所示?？刂浦行能浖\(yùn)行在主控計(jì)算機(jī)上，由主控模塊、人機(jī)交互界面、PLC控制模塊、CCD控制模塊和視頻監(jiān)控模塊組成，主控模塊實(shí)現(xiàn)對控制中心軟件各個(gè)軟件模塊的調(diào)度與流程管控；人機(jī)交互界面提供測試操作界面及多維度的信息交互看板；PLC控制模塊實(shí)現(xiàn)對智能測試裝置內(nèi)的機(jī)械手系統(tǒng)、治具傳輸帶等設(shè)備以及上料、出料裝置的動(dòng)作控制；CCD控制模塊控制圖像傳感器獲取產(chǎn)品的物理標(biāo)識、治具二維碼等圖像信息；視頻監(jiān)控模塊控制監(jiān)控?cái)z像頭實(shí)時(shí)獲取智能測試裝置內(nèi)部的運(yùn)行視頻。測試軟件運(yùn)行在測試平臺上，由產(chǎn)品批量測試模塊、測試代理模塊及多型網(wǎng)絡(luò)安全產(chǎn)品的測試用例組成，其中產(chǎn)品批量測試模塊運(yùn)行在測試平臺的主處理單元上，與控制中心軟件的主控模塊進(jìn)行交互，實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)安全產(chǎn)品批量自動(dòng)測試的流程管控；測試代理模塊及測試用例運(yùn)行在測試平臺各個(gè)獨(dú)立的測試單元上，測試代理模塊實(shí)現(xiàn)對測試用例的選擇以及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，測試用例根據(jù)不同產(chǎn)品測試需求定制設(shè)計(jì)，自動(dòng)按照流程執(zhí)行單件產(chǎn)品的測試，并將測試結(jié)果通過測試代理模塊反饋到產(chǎn)品批量測試模塊。本文主要介紹主控模塊設(shè)計(jì)、產(chǎn)品批量測試模塊設(shè)計(jì)以及測試用例設(shè)計(jì)。

圖11 軟件總體設(shè)計(jì)框圖

3.2 主控模塊設(shè)計(jì)

3.2.1 運(yùn)行流程設(shè)計(jì)

主控模塊運(yùn)行如流程如圖12所示，主控模塊向上料裝置發(fā)出上料通知，上料裝置將產(chǎn)品治具推入智能測試裝置的治具傳輸帶；主控模塊通過到位傳感器檢測產(chǎn)品治具已傳輸?shù)綑n停位置后，控制機(jī)械手移動(dòng)到產(chǎn)品治具的二維碼標(biāo)記槽，通過識別產(chǎn)品二維碼獲取被測產(chǎn)品型號，并通知測試平臺啟動(dòng)相應(yīng)的測試用例；主控模塊依據(jù)產(chǎn)品型號選擇抓取或吸取方式并將坐標(biāo)參數(shù)加載到智能測試裝置PLC中；主控模塊控制機(jī)械手依次移動(dòng)到產(chǎn)品編號位置，控制圖像傳感器識別產(chǎn)品編號信息；主控模塊控制機(jī)械手依次將產(chǎn)品抓取并裝夾到測試接口上；主控模塊發(fā)送產(chǎn)品編號信息給測試平臺，并通知其執(zhí)行測試；主控模塊接收到測試平臺反饋的測試結(jié)果后，控制機(jī)械手進(jìn)行合格品與不合格品的分揀，并在分揀完成后，將產(chǎn)品治具移出傳輸帶；主控模塊查詢出料裝置無告警信息后，向上料裝置發(fā)出上料通知，運(yùn)行下一輪流程。

圖12 主控模塊運(yùn)行流程圖

3.2.2 PCL控制協(xié)議

主控模塊與PLC之間通過ModBus-TCP協(xié)議進(jìn)行控制與交互，實(shí)現(xiàn)上料控制、治具在位檢測、機(jī)械手運(yùn)行軌跡控制等操作，PLC主要控制協(xié)議如表1所示。

表1 主要PLC控制協(xié)議

3.3 產(chǎn)品批量測試模塊設(shè)計(jì)

產(chǎn)品批量測試流程如圖13所示。產(chǎn)品批量測試模塊在開始運(yùn)行后等待主控計(jì)算機(jī)發(fā)送測試消息；在接收到測試消息后，分別向6個(gè)測試單元發(fā)送啟動(dòng)測試命令以及對應(yīng)的產(chǎn)品物理編號，并等待測試單元返回測試結(jié)果；在收到測試結(jié)果后將信息轉(zhuǎn)發(fā)到主控計(jì)算機(jī)，并循環(huán)接收下一項(xiàng)測試結(jié)果，直到測試完成。

圖13 產(chǎn)品批量測試流程圖

3.4 測試用例設(shè)計(jì)

以USB-KEY為例，測試用例按照既定流程執(zhí)行具體的測試項(xiàng)目并將每項(xiàng)測試結(jié)果上報(bào)給產(chǎn)品批量測試模塊，主要分為產(chǎn)品初始化與參數(shù)加載、業(yè)務(wù)測試以及證書信息擦除三部分，如圖14所示。

圖14 USB-KEY測試用例流程圖

1)產(chǎn)品初始化與參數(shù)加載流程：測試用例啟動(dòng)后依次按照產(chǎn)品初始化、寫入固件程序、物理與電子編號比對、寫入隨機(jī)數(shù)以及寫入工作參數(shù)的順序向USB-KEY發(fā)起測試，并接收應(yīng)答。其中物理與電子編號比對是指測試用例發(fā)出產(chǎn)品編號查詢命令獲取USB-KEY的電子編號，再與產(chǎn)品物理編號進(jìn)行比對，兩個(gè)編號一致則通過測試。

2)業(yè)務(wù)測試：包括業(yè)務(wù)循環(huán)測試及算法性能測試。其中業(yè)務(wù)循環(huán)測試是對USB-KEY的加解密業(yè)務(wù)進(jìn)行循環(huán)測試并統(tǒng)計(jì)業(yè)務(wù)成功率，其流程包括：將待加密數(shù)據(jù)發(fā)送到USB-KEY進(jìn)行加密，接收到USB-KEY返回的已加密數(shù)據(jù)后驗(yàn)證其協(xié)議符合性，再將有效數(shù)據(jù)封裝為待解密數(shù)據(jù)發(fā)送到USB-KEY進(jìn)行解密，將接收到的已解密數(shù)據(jù)與待加密數(shù)據(jù)進(jìn)行比對驗(yàn)證，上述流程循環(huán)執(zhí)行100次后統(tǒng)計(jì)業(yè)務(wù)成功率。

3)參數(shù)擦除：向USB-KEY發(fā)起參數(shù)擦除命令并接收是否擦除成功的應(yīng)答。

4 系統(tǒng)運(yùn)行效果分析

智能測試系統(tǒng)實(shí)物如圖15所示，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了一站式無人值守測試，支持多產(chǎn)品混線測試，具備柔性換線能力，換線時(shí)間從平均70分鐘減少到10分鐘以內(nèi)，并且大幅提高了測試效率，降低了人力成本，為模塊類網(wǎng)絡(luò)安全產(chǎn)品規(guī)?；圃彀l(fā)揮積極作用。智能測試系統(tǒng)已應(yīng)用于USB-KEY的批量測試，與人工測試能力對比如表2所示，單日產(chǎn)能提升超過180%，滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)，人員投入減少50%，現(xiàn)場只需1名操作人員每間隔6小時(shí)負(fù)責(zé)一次批量備料與收料，單日總工時(shí)減少93%以上，質(zhì)量判斷方式從依賴人工判斷轉(zhuǎn)變?yōu)榛跀?shù)據(jù)的自動(dòng)判決，質(zhì)量控制能力得到明顯提升。

表2 智能測試與人工測試能力對比表

圖15 智能測試系統(tǒng)實(shí)物圖

此外，智能測試系統(tǒng)在測試執(zhí)行過程中會(huì)實(shí)時(shí)更新測試執(zhí)行看板信息。測試執(zhí)行看板在設(shè)計(jì)上分為四個(gè)區(qū)域，如圖16所示，包括狀態(tài)看板、質(zhì)量信息看板、實(shí)時(shí)視頻看板以及測試過程看板，狀態(tài)看板用于顯示當(dāng)前執(zhí)行測試狀態(tài)，并可人為控制啟停測試；質(zhì)量信息看板用于提供實(shí)時(shí)質(zhì)量信息，通過圖文結(jié)合的方式進(jìn)行展示；實(shí)時(shí)視頻看板可直觀展示智能測試系統(tǒng)內(nèi)部的運(yùn)行狀態(tài)；測試過程看板用于實(shí)時(shí)展示測試流程以及出現(xiàn)異常時(shí)的過程追溯。

圖16 測試執(zhí)行過程看板圖

為提高網(wǎng)絡(luò)安全產(chǎn)品的生產(chǎn)線的運(yùn)轉(zhuǎn)效率，需對智能測試系統(tǒng)與生產(chǎn)線上與其它工序進(jìn)行有效整合，將上料裝置和出料裝置分別與前后工序相連接，其上一道工序?yàn)檠b配工序，下一道工序?yàn)榘b工序，裝配完成的網(wǎng)絡(luò)安全產(chǎn)品可立即送入智能測試系統(tǒng)進(jìn)行測試，測試完成后直接流入包裝工序進(jìn)行包裝，實(shí)現(xiàn)裝、調(diào)、檢、包一體化生產(chǎn)。

5 結(jié)束語

本文從當(dāng)前模塊類網(wǎng)絡(luò)安全產(chǎn)品測試工藝中存在的自動(dòng)化程度低、測試難度大，難以適應(yīng)規(guī)?；a(chǎn)等問題入手進(jìn)行需求分析，針對產(chǎn)品自身特點(diǎn)提出了將工業(yè)機(jī)械手控制技術(shù)與基于PXI架構(gòu)的測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)相融合的智能測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)架構(gòu)，詳細(xì)闡述了系統(tǒng)組成、運(yùn)行原理及各功能模塊設(shè)計(jì)方案并加以實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)已在模塊類網(wǎng)絡(luò)安全產(chǎn)品制造中得到應(yīng)用，可顯著提升產(chǎn)品的測試效率及質(zhì)量控制能力。隨著各行業(yè)對網(wǎng)絡(luò)安全的日益重視，未來網(wǎng)絡(luò)安全產(chǎn)品的需求會(huì)呈現(xiàn)較快的增長趨勢，可以預(yù)見本系統(tǒng)將得到更為廣泛的應(yīng)用。下一步將對系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化升級，以增強(qiáng)對不同產(chǎn)品的適應(yīng)能力與閉環(huán)調(diào)整能力。