计算机辅助测试
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计算机辅助测试(Computer Aided Testing)
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什么是计算机辅助测试[1]
计算机辅助测试简称CAT，它是随着计算机技术与其应用水平的不断提高，以及为满足日益复杂的、大规模的、高速度和高精度的测试要求而逐渐兴起的一门新型综合性学科。它所涉及的范围包括：微型计算机技术、测试技术、数字信号处理、现代控制理论、软件工程、可靠性理论等诸多门类。
计算机辅助测试的技术原理[1]
1．CAT的组成
CAT系统由软件和硬件两大部分组成，其硬件除计算机外，还包括多种转换器件，典型的CAT系统框图如图1所示。
(1)硬输入子系统
该子系统的任务是将被测对象的各种参数P输入到中央处理器。其中P／A是传感器，其作用是将非电模拟量转换为电模拟量；A／A是电模拟变换装置，它包括采样、保持、放大、解调、滤波等；A／D是模／数转换器。
(2)硬输出子系统
该子系统的任务是由CPU向被测对象及装置发出各种控制信号、应急处理命令、激励信号等。
(3)软输入子系统
它的任务是由计算机输入设备通过接口向CPU输入各种软信息，例如程序、原始数据、操作员命令等。输入设备可以是键盘、磁盘机、磁带机、数字化输入板、图形输入设备和语音输入设备等。
(4)软输出子系统
它的任务是将各种软信息，例如测试结果、报警信号、图形等输出。输出设备可以是显示器、打印机、绘图仪、语音设备等。
2．接口
接口处于计算机和外部设备(例如各种程控仪器、可控开关等)之间，是计算机与外部设备的连接装置，其基本功能是：在计算机和外部设备之间传输数据，实现计算机对外部设备的控制。
采用标准化的测试接口总线，是CAT系统的主要特点之一。目前，在CAT中所采用的测试接口总线系统有多种，应用较为广泛的有CAMAC总线系统、GPIB系统、RS232串行接口、VXI总线系统等，这些系统均符合相应的国际标准，具有模块化、系统化、通用化的特点。这类系统组建方便，组成CAT系统的各个器件(例如计算机、各种程控测试仪器、记录仪器、绘图仪等)均配有接口功能电路，用统一的总线电缆，一端插在欲接入系统的器件上，另一端插在系统内的一个插座上，即可组成测试系统。这类系统对更改、增删测试内容等也很方便灵活，使用完毕后拆散容易，拆散后的各个器件又可移作它用，因此显示了很大的优越性。
3．软件
(1)程序语言
在CAT系统中，对编程语言有如下一些基本要求；
①能编制产生激励信号、采集响应信号和进行简单预处理的程序；
②能编程，进行信息的运算和处理，作出判决和估值；
③编出的程序要有较高的运行速度。
在CAT中采用的计算机语言有以下三种：
①机器语言和汇编语言用这类语言编制出的程序具有较高的运行速度，但在编程和调试时均不太方便。
②通用高级语言在CAT中，常用的高级语言有QBASIC、visualBAsIC、C和C++、PASCAL、FORTRAN等语言，在对程序运行速度要求不高的场合，也可使用BASIC语言。为便于编制测试程序，目前在某些高级语言的基础上增加了一些测试专用语句和命令，形成了用于测试的各种扩展高级语言，这类扩展的高级语言可由制造测试设备的工厂提供。
③专用测试语言近几年来，出现了几种专门面向测试的编程语言，如ATLAS语言、PLACE语言、ELATE语言、DIMATE语言等，这些语言的共同特点是：直观、自然、面向测试、简单明了、易于掌握。
在CAT系统中使用着大量的数据，如采样数据、中间修正数据、检测结果数据等，这些数据均应采用一定的结构，以供存储、检索和运算使用。在CAT系统中常用的数据结构有：向量、可变向量、数组、记录、链、树等。当数据量较大、使用频繁时，可建立数据库，常用的数据库有：dBASEⅢ和dBASEⅣ、FoxBASE、FoxPro等。
(3)编程
在编制CAT程序之前，首先应规划测试方法和步骤，在充分理解测试任务和要求的基础上建立测试数学模型，确定人机交互方案，画出程序的流程框图，然后进行编程。
(4)测试程序库
CAT典型的程序有输入输出程序、执行程序、调度程序、数据处理程序、可靠性程序等几类，其中大量的程序具有通用性，可适用于不同的测试对象、不同规格、不同性能的测试。此外，还有数量众多的各种设备驱动程序。因此，可建立CAT程序库，以减少新CAT系统的软件开发工作量，并提高质量。
4．数学模型
CAT系统的数学模型描述了系统中量的关系和规律，根据CAT的测试任务，其基本的数学模型可归纳为三类：
I类 X=F1(U，Y) (1)
此类数学模型可用于产品质量检测、参数测量等。
Ⅱ类 UF2(X，Y) (2)
此类数学模型可用于数据采集、参数监控等。
Ⅲ类 Y=F3(U，X) (3)
此类数学模型可用于测试过程控制、可编程激励等。
在式(1)、(2)、(3)中：X表示被测系统状态矩阵；Y表示被控输出矩阵或表示响应矩阵；U表示输入矩阵或表示激励矩阵。
在一个CAT系统中，可抽象出三种数学模型：
(1)测试模型该模型是测试系统中输入量、输出量和状态量之间关系的抽象。它的任务是根据两个已知量求第三个量。
(2)准确度模型该模型描述测试系统中各个量的误差及其相互影响关系的规律。研究此模型的目的是保证和提高测试的准确度。
(3)数可靠性模型该模型是研究CAT系统及其组成系统的各个器件，在规定条件下和规定时间内完成规定功能的概率。它的任务是保证和提高测试系统的可靠性。研究数学模型是为了保证和提高CAT系统的三个主要质量指标，即可测试性、确定性和可靠性。正确运用数学模型，可得到切实的经济效益。
计算机辅助测试的功能[2]
用计算机及外部设备取代了人的动作、感觉功能和思维功能所进行的测试，其中计算机在测试中的作用有以下几个方面：
(1)控制测试过程；
(2)产生可编程的激励信号，加在被测件上；
(3)采集响应信号，并进行预处理、变换、存储；
(4)进行数据处理，对响应信号进行各种逻辑运算，作出相应的判断和估值；
(5)以各种方式输出测试结果；
(6)监控报警，对测试对象和测试系统本身进行监控，必要时可作出报警等反应；
(7)测试管理，建立测试档案。
CAT系统的上述功能是由其硬件和软件共同完成的。CAT的突出优点表现在其软件功能上，在CAT系统中利用软件资源提高测试的准确性、可靠性、经济性，其投资小、收效大，性能价格比好；且软件具有柔性，在硬件不变的情况下，通过改变软件可以使测试系统具有不同的测试功能，使测试系统具有通用性。
计算机辅助测试系统的技术指标[3]
1)可测试性
目前，科研与生产中，存在有大量需要测试而不能测试的项目，导致其不可测试的原因有：
①测试信号的噪声过大，信噪比太低；
②测试系统的精度达不到被测量精度的要求；
③测试系统动态特性的局限性；
④未能建立正确的测试基本模型。
衡量可测试性的定量指标有：
①故障检测率，可检测的故障占全部故障数的百分比，也称为检测覆盖率；
②故障隔离率，可确定部位的故障占全部故障数的百分比；
③故障辨识率，可定量的故障占全部故障数的百分比；
④被测信号的频带。
2)测试确定性
测试的结论可以分为定性的判决与定量的估值两类。由于各种因素的影响，测试得出的结论在一定程度上存在不确定性。如对某零件进行检测的定性判决中，以确定零件是合格或超差，可能出现如下4种情况：
①合格品判为合格；
②超差品判为超差；
③合格品判为超差，称为虚检；
④超差品判为合格，称为漏检。
后两种情况均为误检。
在定量估值时，如对机械零件几何尺寸的测量，测量值或估值一般不可能等于真值，估值与真值之差称为估值误差，也即测试误差。选成测试不确定性的原因是测量数据的误差和概念的模糊性。
3)测试可靠性
由于测试系统中各部分可能出现故障，测试过程中的操作者操作发生差错等原因均可导致测试系统不能正常工作，或使测试产生误差。
可靠性的指标有可靠率、失效率、平均无故障工作时间等。
CAT系统体系结构决定CAT系统技术的总体构造，包括组件关系、功能分配、信息通过方式、输入输出方式等。
第一代的CAT体系结构如图2所示。其特点是激励、响应组件与计算机的工作相对独立，计算机只对激励组件进行开关控制，而不对激励信号进行编程。计算机只接受响应信号并进行分析处理，而不对响应组件的功能和参数进行编程。因此，计算机的功能局限于数据处理和检测步骤控制，计算机还没有成为CAT的有机组成部分，它的潜力还没有充分发挥。
第二代CAT体系结构如图3所示，其特点如下：
(1)激励信号可编程，激励信号由软件和硬件综合形成；
(2)响应组件的功能和参数可编程；
(3)采用可编程的多路开关；
(4)软件在线使用，在第一代CAT系统中，软件运行和数据测量是在两个独立的阶段进行的。
第二代CAT系统中，由于计算机软件参与了测量的全过程，潜在资源得到充分发挥，显著提高了检测系统的准确性、可靠性和通用性，但也带来了一些问题，主要是检测速度一般低于第一代，单项精度一般不如专用仪器，信号的频宽也受到软件速度的限制。
CAT体系结构主要向分布式、内含式和小型化等方向发展。
1．分布式体系结构
图4所示为多接口CAT体系结构，这种体系有多个接口，可同时对几个被测对象uuT(UnitUnderTest)进行检测，系统共用所有的激励单元和响应单元，调度由计算机系统统一完成。该结构可充分利用计算机，一般用在多个被测对象相同，且检测程序也相同的情况。
2．内含式CAT体系结构
内含式CAT体系结构是将CAT的部分组件包含在被测组件内部，这主要用于一些结构复杂的被测组件。
3．小型化体系结构
小型化体系结构现阶段的水平是手提式CAT系统，主要措施是广泛应用CMOS电路，减小电源质量和体积。进一步微型化的目标是插头式CAT系统，将CAT系统全部装入相当于一个插头的壳体中，将它插入被测组件的插座上，即可进行检测。
计算机辅助测试的发展趋势[4]
随着计算机技术和电子技术的高速发展，CAT技术也在功能、自适应能力及通用性等方面不断进步，它的发展趋势可总结为以下两个方面。
1．自适应测试
传统的CAT系统中的采样和变换组件将被测量的测量值输入计算机，其中的主要参数包括量程、分辨率、采样周期、采样数量等是通过程序设定的，一旦软件编好，这些参数就固定，在测试过程中不能再改变，所以在测试过程中不具有自适应性。而自适应测试系统是一种能根据待测件、待测量或测试环境变化而自动改变其结构或参数，以获得最优测试性能的测试系统。自适应测试系统可实现三个环节的自适应，即根据采样信号的不同改变采样的时间、量程、周期等，使采样是信号质量最优的自适应采样；根据待处理数据的特性决定数据处理的方法和参数，使数据处理是结果最优的自适应数据处理，根据待测试件不同的静动态特性调节系统结构或参数，使系统的性能具有最优的测试系统结构参数的自适应调节。
2．构成柔性制造系统(FMS)和计算机集成制造系统(C1MS)
可将CAD(计算机辅助设计)、CAM(计算机辅助制造)、CAT(计算机辅助测试)的信息集成，根据CAD信息制成CAM程序，工件加工好后通过CAT检验，再通过CAT的信息修改CAD数据和CAM程序；也可通过CAT绘制图纸，自动生成数控程序进行CAM；或者通过CAM加工试件后，通过CAT进行测试，然后根据测试数据，通过CAD绘出图纸。这样可以显著减少人工费用，且质量稳定。
