LM-STAR案例分析及下一代测试技术展望

摘要：介绍了LM－STAR的发展历程以及软硬件特点。对其中应用的硬件方面，如高度模拟测试技术、合成仪器技术、公共测试接口技术和高速数据通信技术，软件方面诸如可互换虚拟仪器技术、自动化标志语言、TPS Winzard和Smart TPSs等下一代测试技术作了详细描述。LM－STAR的开发经验对指导国内军用ATS的开发具有重要的意义。
　　关键词：洛马之星；全寿命保障；下一代测试技术；自动测试系统

　　0引言
　　
　　根据2003年美国总预算办公室（GAO）向国防部提交的《DoD Needs to Better Manage Automatic Test Equipment Modernization》，保守的保障模式带来两个方面的巨大影响。
　　（1）老化设备的更新维修资金与日俱增。比如2004年空军F－15某种测试设备的更新就花费了32.5亿美元，而且还打算花费4亿美元更新电子战测试仪。而2002年B－52轰炸机的研究表明将来更新七大系统的六大系统的测试仪总共要花费14亿美元。同样，更新唯一的B－1轰炸机的测试仪预算超过1.5亿美元。正在开发中的F/A－22的测试仪早期预算中就超过了15亿美元。
　　（2）老化测试设备使得装备可用性降低。装备的老化促使必要的测试设备短缺，以至于无法完成必需的测试，使装备的可用性呈现大幅度滑坡。根据DoD可用性报告，在2000年只有28%的海军、空军和陆战队的飞机可用；2001年8月，由于ATE的测试结果不准确，不完整的测试信息影响了F－14的飞行任务。
　　测试系统在DoD的推动下不断扩散，但很少给政府和工业部门带来投资回报。在DoD的资金变得稀缺时，减少ATS采购费用和全寿命保障费用成为必须。而且由于不同的测试应用和相互关联的编程语言在军用系统的保障中大量采用，测试能力和测试资源在从一个维修级别转向另一个级别时根本就没有重用性。开放式的系统结构和标准化接口作为一种满足工业在测试设备上的投资手段开始成为必需。为此，DoD成立了一个集成产品组（Integrated Product Team，IPT）来定义下一代测试设备和代表未来方向的测试技术。
　　20世纪90年代末期，正是为了适应DoD政策的这种变化，军用航空和地面维修保障模式从昂贵的多种级别的维修保障模式向纵向集成的全寿命周期保障模式转换，这时提出了LM－STAR的系统概念。现在来看，LM－STAR的开发结果是货架化的、低费用的、CASS（Consolidated Automated Support System）兼容的，可以针对工厂和内场测试重组的测试系统。LM－STAR的成功开发，使之成为美军内部的未来工厂、内场和中间级测试应用的现实标准。本文介绍了测试领域中这一成功案例的发展历程以及软硬件特点。
　　
　　1 LM－STAR的发展历程
　　
　　20世纪90年代末期，Lockheed开始搭建最初的LM－STAR，它借用的是海军的CASS（图1）和RTCASS（Reconfigurable Transportable CASS）框架，并强调LM－STAR与CASS必须兼容。同时Lockheed对LM－STAR提出了五个目标：空前的板载诊断和监控；高度自动化的后勤信息系统；消除众多中间级的测试保障设备；共享诊断数据；满足军方提出的快速、便宜和简洁的维护保障设备的要求。
　　 LM－STAR产生了两种主要产品。第一种是2002年生产的用于下一代F－16 B60飞机的保障测试系统。在2001年，Lockheed Martin获得历史上规模最大的飞机研制合同，这就是联合歼击机（Joint Strike Fighter，JSF）合同，也叫做F－35合同，这个合同大约是2 000亿美元。而JSF合同中至关重要的一部分就是开发一个能够从生产到环境应力试验再到内场测试一直适合的测试设备，用于完成计划中的3 000架JSF的纵向集成全寿命保障。为了应对这个挑战，Lockheed Martin 的仿真训练保障部（LM STS ) 开发了适用于JSF项目的LM－STAR测试系统。还有一些LM－STAR产品进行了适当改变以支持CASS TPS的移植。大多数LM－STAR在2003年已经配发部队，在2005年为JSF设计LM－STAR也将配置完成。美国军方共花费了9.9亿美元购买了88套LM－STAR，用于JSF开发阶段的航电系统和武器系统的测试。据估计，这种产品能够将内场级和工厂级的测试保障协调起来以减少全寿命保障的总成本。
　　2 LM－STAR软硬件特点
　　
　　 LM－STAR（图2）在系统结构上大部分沿袭了CASS的组装箱形式。CASS是五个组装立箱，而JSF项目的LM－STAR将其中一个立箱改成卧箱，机箱的颜色从灰白色改成黑黄相间。但是由于该系统与CASS的兼容性，它们的内部结构组成没有太多的更改，这也是由于这种内部结构形式是美国军方所推荐的。LM－STAR全部采用商业现货，这样减少了升级改造的难度和组件采购费用。

　　
　　2．1基础构件的协调
　　JSF项目的核心就是LM－STAR与其他保障系统的协调。这种协调是指同一个测试设备既可以用于工厂级的测试，又可以用于内场测试。为了获得这种协调，JSF项目在系统的设计开发（System Design and Development，SDD）和小批量样机(Low Rate Initial Production，LRIP)阶段就将LM－STAR作为一种工厂可以接受的测试设备。2004年6月，全球建立了31个LM－STAR测试站，这占总的SDD阶段测试网点的一半。这些测试站主要用于TPS的开发，以及电源、中央处理器、分布式传感器、雷达、通信、导航、识别系统（CNI）和电子战系统的集成。　　为了获得这种协调一致性，必须保证测试设备面向UUT的软件接口和硬件接口是固定的。硬件接口标准采用CASS的通用接口。这种选择是由于全球存在613个CASS测试站。选择这种通用接口也是由于LM－STAR在开发之初就承诺了减小对CASS样式的冲击。
　　同样，软件接口定义成API。在API的底层，LM－STAR通过支持句柄、封装和IVI（Interchangeble Virtual Instruments,可互换虚拟仪器）接口来调用仪器驱动。当仪器改变时，封装、句柄和IVI接口相应进行改变以保持API的固定，不对TPS进行冲击。
　　在通用接口以外，LM－STAR采用了现今商用正在发展的技术，如光纤开关、1394B、边界扫描，和低电压微分信号（Low Voltage Differential Signaling，LVDS）等测试技术。这些技术通过公共测试接口在系统中进行集成，公共测试接口技术在一定程度上保证了测试程序的投资。
　　
　　2．2软件开发特点
　　 由于需要快速开发测试方案以及经济、高效和及时地支持用户的准确需求，LM－STAR应用TestStand和LabWindows/CVI作为测试管理的核心，应用ANSI－C作为测试开发的环境。
　　2．2．1开放的软件构架保证快速开发
　　
本文原文
　　LM－STAR的开放软件构架是基于TestStand和LabWindows/CVI之上的，这种构架支持从工厂到内场的无缝转变。LM－STAR方案提供了一个为所有电子设备提供商公用的测试系统，以便他们参与到JSF项目的协调计划中来。这些提供商包括BAE Systems、 Northrop Grumman、Rockwell Collins和Raytheon，他们都并行地应用NI TestStand和LabWindows/CVI开发为JSF准备的TPS。这种先进、开放的软件构架保证了快速开发和配置测试系统的完成，并且减少了长期维修投资。
　　2．2．2良好的测试适应性保证多种测试配置
　　所谓测试适应性就是测试系统快速完成测试方案转变的能力。TestStand保证了LM－STAR的测试适应性，TestStand就像一个灵活的模块适配器，可以调用任何测试开发环境测试；而LabWindows/CVI的开发环境保证各种仪器驱动的快捷插入和面向测试的代码优化。
　　2．2．3方便未来技术插入以阻止代码老化
　　正是由于TestStand和LabWindows/CVI的应用，方便了未来技术的插入。比如TestStand环境下可以直接调用ATLAS的TPS；下面还会说到LM－STAR的开发者还重视ATML来开发测试程序，用XML表示测试结果。TestStand 3.0是支持符合ATML（Automatic Test Markcup Language,自动化测试标志语言）规范的测试程序，并且可以产生XML格式的测试结果。
　　2．2．4标准化的软件开发节省了开发费用
　　这种应用商用现货的标准化开发方法对资金的节省，不但来自于方便各个TPS提供商的协调解决，而且更大一部分来自全寿命周期的保障费用的削减。
　　
　　3下一代测试技术展望
　　
　　 LM－STAR上应用了许多来自NxTest IPT定义的测试技术，对当前的工业前沿技术也是把握得当。正是由于LM－STAR的开发，让测试领域的许多先进技术有了一个可以实践的加速成长的环境。
3．1硬件技术
　　3．1．1高度模拟测试技术
　　为了满足并行和功能测试的需求，LM－STAR系统加入了Teradyne公司的模拟测试仪器（Anolog Test Instrument，ATI）。高度模拟测试技术允许开发者通过在项目的最初阶段仿真测试程序来减少他们的开发时间，从而方便系统集成和调试。Ai7技术（图3）就是其中的一项。Ai7技术的重要突破点还在于采用专用资源系统构架，从而将自动测试系统从资源共享构架的束缚中解脱出来。
　　3．1．2合成仪器技术
　　几年来，合成仪器已经发展到了子系统级(图4)。2002年，LM－STAR用合成仪器替代了系统中的离散RF仪器，并且没有对TPS进行冲击。现在LM STS正在考虑下一代LM－STAR采用RF/CNI合成子系统。合成仪器技术允许更好地仿效旧的测试能力，从而减少对TPS的冲击。

　　3．1．3公共测试接口技术
　　2003年8月，Lockheed Martin 开始积极支持公共测试接口的动议。公共测试接口(Common Test Interface，CTI)考虑了已经拥有的通用测试接口、RF(Radio Frequency)接口、光电开关(Electro Optic，EO)和LVDS接口以及未来可能出现的接口（图5）。公共测试接口技术将为测试系统的开关带来超过500 MHz的带宽，而现今通用接口的带宽仅在25 MHz。
　　3．1．4高速数据通信
　　测试系统的实质是为被测系统提供一个模拟工作环境，并在这种工作环境下监视或者评估被测系统的响应。这种模拟工作环境和被测系统的实际工作环境的差别决定了测试系统对被测系统进行功能测试的能力。被测系统的高速数据通信技术的快速发展也就意味着测试系统必须具备高速数据通信能力。目前这些高速数据通信技术主要有为了提高测试数据的传输速度技术，如1394B总线、光纤通道（Fibre－channel）和低电压微分信号，以及为了提高航电子系统互连的带宽技术，如Hotlink II(High－speed Optical Transceiver Link)和StarFabric。例如在1394总线的测试上， 为了提高灵活性和增长潜力，LM－STAR采用了Teradyne的1394B总线测试仪器（Bus Test Instrument，BTI），如图6所示。　　3．2软件技术
　　3．2．1可互换虚拟仪器技术
　　 可互换虚拟仪器（IVI）技术给测试系统开发者在现有技术条件下提供了诸多方便。比如当仪器变得老旧时，或者更高性能或低耗仪器出现时，采用新仪器不会对TPS构成冲击。其框架如图7所示。现实中，Lockheed Martin采用的办法是结合IVI已经定义好的仪器类来修改API，这种修改后的API就是现实中的IVI标准。而在LM－STAR的RF系统中则是直接应用了IVI标准和IVI驱动。
　　3．2．2自动化测试标志语言
　　ATML主要优势在三个方面：①加速测试系统的开发以及监控开发进程；②方便测试结果的管理以及测试过程的重建；③有利于测试系统间和测试系统与测试管理部门的信息交互以实现真正意义上的远程智能诊断。JSF项目的LM－STAR计划实施测试结果标志语言(Test Results Markup Language，TRML)，并且定义和开发诊断标识语言(Diagnostic Markup Language，DML)来支持自动测试设备的人工智能信息交互服务系统（Artificial Intelligence Exchange and Service Tie to ATE，AI－ESTATE）。ATML定义完成后，LM－STAR承诺首先进行实施，以保证在所有测试系统和军种之间的交互性。ATML在LM－STAR中的应用如图8所示。
　　3．2．3TPS Wizard 技术
　　TPS Wizard技术（图9）使得用户在输入测试序列文档必需的信息和产生测试程序序列层次的测试数据后,就可以得到可执行的测试程序。开发过程中，用户可以将某个测试移动到另一个模块中去，或者重组这些测试模块。TPS Wizard技术极大地提高了测试系统的测试适应性，加速了测试开发，而且把工程师从专注于TestStand的配置中解放出来，可以有更多的精力从事测试开发。
　　3．2．4AI－ESTATE框架和智能TPS技术
　　Lockheed Martin 积极支持IEEE－1232所倡导的AI－ESTATE，并且开发了一个框架应用故障推理器智能地完成对故障测试和维修位置的确定。在IR&D 阶段，Lockheed Martin他们通过智能Agent来执行智能TPS。
　　图10所示的是Lockheed Martin应用的AI－ESTATE框架。它的用户接口和应用执行块是他们公司的公共开发框架(Common Development Framework，CDF)提供的。CDF方便插入，并且可以与ERP、政府和合作伙伴信息系统、各种协议等合作。目前，LM－STAR的CDF和工业财经服务系统合作(Industrial and Financial Services，IFSs)以实现维修管理功能。故障推理机组件给CDF和智能TPS提供推理逻辑。一系列推理算法的性能通过监视故障数据的智能代理不断得到提高。在LM－STAR中测试控制器代表的就是智能TPS，它利用故障推理机给ATS操作者决策信息以确定TPS的入口和减少含糊的定义。它的优势表现在四个方面：减少了故障隔离时间；增加了测试的吞吐量；降低了测试站的利用率；通过来自先前或高级别的测试得来的信息提高了诊断准确性。总的说来就是消除了故障无法定位的现象，降低了测试成本。

　　
　　
　　4结束语
　　
　　美军的测试系统开发引领着全球测试领域的进步，LM－STAR则是走在美军测试领域前列的成功案例。我国军用ATE/ATS的发展应该是在积极引进国外先进技术和经验的基础上，抓住对俄的军事合作机遇，积极推动发展下一代测试系统的核心技术。同时纵览LM－STAR的全过程，军用ATE/ATS在设计理念也得有所转变，这些理念主要有如下三条：①最好采用实践过的商用标准。如果非政府的标准可用，尽量采用，只是在适当的时候考虑军用标准。这种结果降低了组件的采购费用。②广开渠道，集思广益。只要是满足真实的工作环境要求、能够提高性能、降低设计费用，并且可以再现的系统改建的建议都是可以接受的。③三维的并发工程观念。它是指综合产品设计、制造过程和供需链管理这三个方面，使之成为一个最优系统，从而满足费用目标和计划进度。
　　
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