牛雙誠1，趙秀麗2，許愛強1

（1.海軍航空工程學院科研部，山東煙臺 264001；2.海軍航空工程學院基礎部，山東煙臺 264001）

面向STD標準的信號通道模型研究

牛雙誠1，趙秀麗2，許愛強1

（1.海軍航空工程學院科研部，山東煙臺 264001；2.海軍航空工程學院基礎部，山東煙臺 264001）

IEEE 1641（STD）標準是IEEE標準委員會制定的新一代面向信號測試標準；首先對STD標準定義的連接及其動態(tài)模型進行了分析，梳理了常用的開關類型；接下來，提出了信號通道系統(tǒng)的描述模型和控制模型，并針對常用的多路開關和矩陣開關，給出了開關能力描述模型和開關組件接口定義，總結了資源管理器的工作步驟和虛擬連接的資源共享判斷準則；最后，給出了該信號通道模型的實現(xiàn)方法，并通過開發(fā)的一個圖形化信號通道系統(tǒng)管理軟件，簡化了用戶的開發(fā)工作。

自動測試系統(tǒng)；面向信號測試；信號通道系統(tǒng)；開關儀器

0 引言

開關儀器和系統(tǒng)連線共同構成了自動測試系統(tǒng)的信號通道系統(tǒng)，提供了被測對象接口和測試儀器接口間的電氣連接，實現(xiàn)了電源、激勵、測量、總線、觸發(fā)等電信號的轉接。借助信號通道系統(tǒng)，自動測試系統(tǒng)可以實現(xiàn)測試資源的分時復用，能夠利用有限的測試資源滿足被測對象的測試需求，降低整個測試系統(tǒng)的成本［1］。

面向信號測試方法是一種先進的測試儀器控制技術。它采用標準的信號模型直接描述被測試設備的測試需求，具有面向被測設備、與測試設備無關、測試程序可移植性好等優(yōu)點［2］。在面向信號測試方法中，信號通道系統(tǒng)的控制完全由軟件平臺自動完成。一個高效的信號通道控制模型是面向信號測試技術的核心，能夠提高測試效率，節(jié)約測試資源，更是測試程序可移植的關鍵技術。

IEEE Std.1641－2010（Signal and Test Definition，STD）是IEEE標準委員會制定的新一代面向信號測試標準，采用嚴格的數(shù)學形式定義信號模型，規(guī)范了14種連接類型，消除了信號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標準就獲得了廣泛的關注，得到了大量的研究和應用［4 7］。

本文結合軍用自動測試系統(tǒng)的實際，研究了面向STD標準的信號通道控制模型。首先分析了IEEE 1641標準定義的連接及其動態(tài)模型，然后梳理了常用的開關類型，提出了信號通道系統(tǒng)的描述模型和控制模型，并針對常用的多路開關和矩陣開關，給出了開關能力描述模型和開關組件接口定義。最后，總結了資源管理器的工作步驟和虛擬連接的資源共享判斷準則。

基于本文的模型，我們開發(fā)了面向STD標準的信號通道系統(tǒng)控制軟件，并應用在某型通用自動測試系統(tǒng)中，獲得了較好的應用效果。

1 STD標準

IEEE 1641標準采用信號建模語言定義了標準化的基本信號類型BSC和常用的復雜信號類型TSF，TSF由BSC信號組合而成［3］。在BSC中，IEEE 1641標準規(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）是信號流經(jīng)的點，并對應實際的物理針腳。一般的連接類型，一個端子對應唯一的物理針腳。

DigitalBus是STD標準定義的特殊連接類型，用于描述測試系統(tǒng)中的總線連接。該連接沒有確定的通道寬度，可擁有一至多個信號通道。DigitalBus只有一個端子pins，所有的物理針腳都在pins中描述。每個通道包括HI和LO兩個物理針（若使用公共地，則LO針可省略），兩個物理針之間用空格分隔。信號通道之間用“，”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標準定義的連接提供了一種映射信號到實際UUT物理針腳的方法。連接的動態(tài)模型如圖1所示。連接有4種狀態(tài)，并根據(jù)測試過程語言（TPL）語句命令在不同狀態(tài)間跳轉。

圖1 連接的動態(tài)模型

2 開關類型

開關是信號通道系統(tǒng)的可控制部分。其種類繁多、大小各異，可按開關的外形、動作結構、觸點形式和觸點數(shù)量等進行分類。本文主要考慮開關的連接關系，所以根據(jù)開關的連通關系將開關分為兩大類：

1）多路開關，包括常用的單刀單擲、單刀雙擲、單刀多擲、雙刀雙擲等開關，其特征是每個開關只有一個繼電器，用于實現(xiàn)一個公共輸入通道與多個輸出通道的信號轉接，任意時刻只能有一路信號導通。

2）矩陣開關，是結構為行列交叉排列的開關產(chǎn)品，其特征是有多個行、多個列，通過行列間的交叉點開關（繼電器），能夠實現(xiàn)多個輸入通道與多個輸出通道的任意相連，同時可以有多路信號導通。

圖2 常用開關類型

3 信號通道系統(tǒng)描述模型

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

信號通道系統(tǒng)描述模型分散存儲在測試系統(tǒng)描述、儀器能力描述、開關能力描述、適配器描述和被測設備描述文件中。其中，測試系統(tǒng)描述定義了系統(tǒng)擁有的測試儀器、開關儀器和系統(tǒng)連線表；儀器能力描述定義了測試儀器中信號資源的端口表；開關能力描述給出了開關資源的能力及其對應的端口；適配器描述定義了測試適配器和測試電纜的端口表及連線表；被測設備描述定義了被測設備的端口表。

圖3 信號通道系統(tǒng)描述模型

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

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

矩陣開關可用如下四元組描述：＜Widths，Rows，Cols，Default＞，分別表示線寬、行數(shù)及對應的物理針腳、列數(shù)及對應的物理針腳和開關的默認狀態(tài)。下面是一個4×4雙線矩陣開關的能力描述實例：

4 信號通道系統(tǒng)控制模型

接下來，我們建立了如圖4所示的信號通道系統(tǒng)控制模型。資源管理器負責接收測試需求，并根據(jù)測試系統(tǒng)描述、儀器能力描述、開關能力描述、適配器描述和被測設備描述，優(yōu)化配置開關資源，將虛擬連接映射為物理端口和開關資源的操作，并通過開關驅動程序完成對開關儀器的程控。資源管理為面向信號測試程序提供符合STD標準的函數(shù)調(diào)用接口。

圖4 信號通道系統(tǒng)控制模型

每臺開關儀器對應一個面向信號的開關驅動程序，由驅動程序通過儀器控制總線完成對開關儀器的程控。開關驅動程序采用軟組件技術設計，每個開關模塊對應一個開關組件。不同的開關類型具有不同的組件接口。為了便于資源管理器對開關儀器的管理，每個驅動程序還配有一個儀器管理組件。下面是我們定義的C函數(shù)組件接口：

信號通道系統(tǒng)為自動測試系統(tǒng)的電信號提供傳輸通路，必須保證信號傳輸?shù)陌踩院涂煽啃?，防止發(fā)生信號短路、信號串擾等問題。高效、魯棒的通道資源管理是解決這個問題的可靠保證，其工作步驟總結如下：

步驟一：資源管理器啟動時，讀取信號通道系統(tǒng)描述模型，構建端口、連線、開關的關聯(lián)表，建立活躍虛擬連接表、資源使用表和開關狀態(tài)的內(nèi)存實時映像。

步驟二：測試程序申請?zhí)摂M連接時，查找虛擬信號對應的物理信號資源，基于圖搜索算法尋找物理信號資源的端口與當前連接的物理端口之間的路徑。對于申請成功的虛擬連接，標記虛擬連接使用的資源為預分配狀態(tài)。

步驟三：測試程序連通虛擬連接時，通過開關驅動程序的開關組件將虛擬連接使用的開關資源設置為指定狀態(tài)，并標記虛擬連接使用的資源為占用狀態(tài)，記錄資源的使用計數(shù)。如果該資源已經(jīng)處于占用狀態(tài)，則不再操作該資源，只更新其使用計數(shù)。

步驟四：測試程序斷開虛擬連接時，更新資源的使用計數(shù)，如果更新后的使用計數(shù)為零，則斷開開關（或將開關設置為默認狀態(tài)），將資源標記為預分配狀態(tài)。

步驟五：測試程序釋放虛擬連接時，標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，釋放所有的虛擬連接，將所有開關資源設定為默認狀態(tài)，釋放所有占用的內(nèi)存空間。

以上步驟二中，搜索信號通路時，需要判斷當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資源。我們定義如下資源共享判斷準則：

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

2）兼容性。同時刻共享同一繼電器的兩個虛擬連接，其設定的繼電器狀態(tài)必須一致。分時共享繼電器時，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系。

5 信號通道模型的實現(xiàn)

LabWindows／CVI是一種標準C語言的軟件開發(fā)環(huán)境，具有函數(shù)庫功能強大、交互式編程、控件豐富的特點，在自動測試領域具有廣泛的應用。本文借鑒IVI－C儀器驅動程序的設計思想，實現(xiàn)了文中提出的信號通道描述模型和控制模型。

資源管理器和開關驅動程序以動態(tài)鏈接庫形式存儲于指定文件夾下。資源管理器實現(xiàn)了符合STD標準的函數(shù)接口。開關驅動程序實現(xiàn)了上節(jié)所述的開關組件接口。

信號通道描述模型以INI文件格式存儲于系統(tǒng)文件夾下。在開關能力描述文件中，我們?yōu)殚_關模塊增加了開關驅動程序及其開關組件的描述，以方便開關驅動程序的加載和調(diào)用。為減少驅動程序開發(fā)工作，我們允許一臺開關儀器內(nèi)的多個同類型開關模塊共享驅動程序內(nèi)的同一個開關組件。在開關能力描述模型中，通過增加tag屬性以區(qū)分不同的開關模塊。

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

6 結語

本文提出了面向IEEE 1641標準的信號通道系統(tǒng)描述模型和控制模型，給出了在LabWindows／CVI集成環(huán)境下信號通道模型的實現(xiàn)方法，實現(xiàn)了信號路徑的自動搜索和開關資源匹配。為了簡化開發(fā)工作，我們還設計了一個圖形化的信號通道管理軟件，極大地簡化了系統(tǒng)設計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標準的信號通道系統(tǒng)控制軟件，并應用在某型自動測試設備的軟件平臺上。應用結果表明，該軟件實現(xiàn)了面向信號的信號通道自動控制，具有較強的適用性和較廣的應用前景。

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

［2］杜 里，張其善.電子裝備自動測試系統(tǒng)發(fā)展綜述［J］.計算機測量與控制，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］嚴英強，楊鎖昌.面向信號的儀器驅動器結構研究［A］.第十七屆全國測控計量儀器儀表學術年會（MCMI'2007）論文集（上冊）［C］.2007.

［7］牛雙誠，宋振宇，孫保良.面向信號的儀器控制模型研究［J］.計算機測量與控制，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。

“泰山學者”建設工程專項經(jīng)費資助項目。

牛雙誠（1974-），男，河北新河人，博士，主要從事計算機軟件、自動測試系統(tǒng)、電子設備故障診斷、可測試性方向的研究。