電腦輔助測試
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電腦輔助測試(Computer Aided Testing)
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什麼是電腦輔助測試[1]
電腦輔助測試簡稱CAT，它是隨著電腦技術與其應用水平的不斷提高，以及為滿足日益複雜的、大規模的、高速度和高精度的測試要求而逐漸興起的一門新型綜合性學科。它所涉及的範圍包括：微型電腦技術、測試技術、數字信號處理、現代控制理論、軟體工程、可靠性理論等諸多門類。
電腦輔助測試的技術原理[1]
1．CAT的組成
CAT系統由軟體和硬體兩大部分組成，其硬體除電腦外，還包括多種轉換器件，典型的CAT系統框圖如圖1所示。
(1)硬輸入子系統
該子系統的任務是將被測對象的各種參數P輸入到中央處理器。其中P／A是感測器，其作用是將非電模擬量轉換為電模擬量；A／A是電模擬變換裝置，它包括採樣、保持、放大、解調、濾波等；A／D是模／數轉換器。
(2)硬輸出子系統
該子系統的任務是由CPU向被測對象及裝置發出各種控制信號、應急處理命令、激勵信號等。
(3)軟輸入子系統
它的任務是由電腦輸入設備通過介面向CPU輸入各種軟信息，例如程式、原始數據、操作員命令等。輸入設備可以是鍵盤、磁碟機、磁帶機、數字化輸入板、圖形輸入設備和語音輸入設備等。
(4)軟輸出子系統
它的任務是將各種軟信息，例如測試結果、報警信號、圖形等輸出。輸出設備可以是顯示器、印表機、繪圖儀、語音設備等。
2．介面
介面處於電腦和外部設備(例如各種程式控制儀器、可控開關等)之間，是電腦與外部設備的連接裝置，其基本功能是：在電腦和外部設備之間傳輸數據，實現電腦對外部設備的控制。
採用標準化的測試介面匯流排，是CAT系統的主要特點之一。目前，在CAT中所採用的測試介面匯流排系統有多種，應用較為廣泛的有CAMAC匯流排系統、GPIB系統、RS232串列介面、VXI匯流排系統等，這些系統均符合相應的國際標準，具有模塊化、系統化、通用化的特點。這類系統組建方便，組成CAT系統的各個器件(例如電腦、各種程式控制測試儀器、記錄儀器、繪圖儀等)均配有介面功能電路，用統一的匯流排電纜，一端插在欲接入系統的器件上，另一端插在系統內的一個插座上，即可組成測試系統。這類系統對更改、增刪測試內容等也很方便靈活，使用完畢後拆散容易，拆散後的各個器件又可移作它用，因此顯示了很大的優越性。
3．軟體
(1)程式語言
在CAT系統中，對編程語言有如下一些基本要求；
①能編製產生激勵信號、採集響應信號和進行簡單預處理的程式；
②能編程，進行信息的運算和處理，作出判決和估值；
③編出的程式要有較高的運行速度。
在CAT中採用的電腦語言有以下三種：
①機器語言和彙編語言用這類語言編製出的程式具有較高的運行速度，但在編程和調試時均不太方便。
②通用高級語言在CAT中，常用的高級語言有QBASIC、visualBAsIC、C和C++、PASCAL、FORTRAN等語言，在對程式運行速度要求不高的場合，也可使用BASIC語言。為便於編製測試程式，目前在某些高級語言的基礎上增加了一些測試專用語句和命令，形成了用於測試的各種擴展高級語言，這類擴展的高級語言可由製造測試設備的工廠提供。
③專用測試語言近幾年來，出現了幾種專門面向測試的編程語言，如ATLAS語言、PLACE語言、ELATE語言、DIMATE語言等，這些語言的共同特點是：直觀、自然、面向測試、簡單明瞭、易於掌握。
在CAT系統中使用著大量的數據，如採樣數據、中間修正數據、檢測結果數據等，這些數據均應採用一定的結構，以供存儲、檢索和運算使用。在CAT系統中常用的數據結構有：向量、可變向量、數組、記錄、鏈、樹等。當數據量較大、使用頻繁時，可建立資料庫，常用的資料庫有：dBASEⅢ和dBASEⅣ、FoxBASE、FoxPro等。
(3)編程
在編製CAT程式之前，首先應規劃測試方法和步驟，在充分理解測試任務和要求的基礎上建立測試數學模型，確定人機交互方案，畫出程式的流程框圖，然後進行編程。
(4)測試程式庫
CAT典型的程式有輸入輸出程式、執行程式、調度程式、數據處理程式、可靠性程式等幾類，其中大量的程式具有通用性，可適用於不同的測試對象、不同規格、不同性能的測試。此外，還有數量眾多的各種設備驅動程式。因此，可建立CAT程式庫，以減少新CAT系統的軟體開發工作量，並提高質量。
4．數學模型
CAT系統的數學模型描述了系統中量的關係和規律，根據CAT的測試任務，其基本的數學模型可歸納為三類：
I類 X=F1(U，Y) (1)
此類數學模型可用於產品質量檢測、參數測量等。
Ⅱ類 UF2(X，Y) (2)
此類數學模型可用於數據採集、參數監控等。
Ⅲ類 Y=F3(U，X) (3)
此類數學模型可用於測試過程式控制制、可編程激勵等。
在式(1)、(2)、(3)中：X表示被測系統狀態矩陣；Y表示被控輸出矩陣或表示響應矩陣；U表示輸入矩陣或表示激勵矩陣。
在一個CAT系統中，可抽象出三種數學模型：
(1)測試模型該模型是測試系統中輸入量、輸出量和狀態量之間關係的抽象。它的任務是根據兩個已知量求第三個量。
(2)準確度模型該模型描述測試系統中各個量的誤差及其相互影響關係的規律。研究此模型的目的是保證和提高測試的準確度。
(3)數可靠性模型該模型是研究CAT系統及其組成系統的各個器件，在規定條件下和規定時間內完成規定功能的概率。它的任務是保證和提高測試系統的可靠性。研究數學模型是為了保證和提高CAT系統的三個主要質量指標，即可測試性、確定性和可靠性。正確運用數學模型，可得到切實的經濟效益。
電腦輔助測試的功能[2]
用電腦及外部設備取代了人的動作、感覺功能和思維功能所進行的測試，其中電腦在測試中的作用有以下幾個方面：
(1)控制測試過程；
(2)產生可編程的激勵信號，加在被測件上；
(3)採集響應信號，併進行預處理、變換、存儲；
(4)進行數據處理，對響應信號進行各種邏輯運算，作出相應的判斷和估值；
(5)以各種方式輸出測試結果；
(6)監控報警，對測試對象和測試系統本身進行監控，必要時可作出報警等反應；
(7)測試管理，建立測試檔案。
CAT系統的上述功能是由其硬體和軟體共同完成的。CAT的突出優點表現在其軟體功能上，在CAT系統中利用軟體資源提高測試的準確性、可靠性、經濟性，其投資小、收效大，性能價格比好；且軟體具有柔性，在硬體不變的情況下，通過改變軟體可以使測試系統具有不同的測試功能，使測試系統具有通用性。
電腦輔助測試系統的技術指標[3]
1)可測試性
目前，科研與生產中，存在有大量需要測試而不能測試的項目，導致其不可測試的原因有：
①測試信號的雜訊過大，信噪比太低；
②測試系統的精度達不到被測量精度的要求；
③測試系統動態特性的局限性；
④未能建立正確的測試基本模型。
衡量可測試性的定量指標有：
①故障檢測率，可檢測的故障占全部故障數的百分比，也稱為檢測覆蓋率；
②故障隔離率，可確定部位的故障占全部故障數的百分比；
③故障辨識率，可定量的故障占全部故障數的百分比；
④被測信號的頻帶。
2)測試確定性
測試的結論可以分為定性的判決與定量的估值兩類。由於各種因素的影響，測試得出的結論在一定程度上存在不確定性。如對某零件進行檢測的定性判決中，以確定零件是合格或超差，可能出現如下4種情況：
①合格品判為合格；
②超差品判為超差；
③合格品判為超差，稱為虛檢；
④超差品判為合格，稱為漏檢。
後兩種情況均為誤檢。
在定量估值時，如對機械零件幾何尺寸的測量，測量值或估值一般不可能等於真值，估值與真值之差稱為估值誤差，也即測試誤差。選成測試不確定性的原因是測量數據的誤差和概念的模糊性。
3)測試可靠性
由於測試系統中各部分可能出現故障，測試過程中的操作者操作發生差錯等原因均可導致測試系統不能正常工作，或使測試產生誤差。
可靠性的指標有可靠率、失效率、平均無故障工作時間等。
CAT系統體繫結構決定CAT系統技術的總體構造，包括組件關係、功能分配、信息通過方式、輸入輸出方式等。
第一代的CAT體繫結構如圖2所示。其特點是激勵、響應組件與電腦的工作相對獨立，電腦只對激勵組件進行開關控制，而不對激勵信號進行編程。電腦只接受響應信號併進行分析處理，而不對響應組件的功能和參數進行編程。因此，電腦的功能局限於數據處理和檢測步驟控制，電腦還沒有成為CAT的有機組成部分，它的潛力還沒有充分發揮。
第二代CAT體繫結構如圖3所示，其特點如下：
(1)激勵信號可編程，激勵信號由軟體和硬體綜合形成；
(2)響應組件的功能和參數可編程；
(3)採用可編程的多路開關；
(4)軟體線上使用，在第一代CAT系統中，軟體運行和數據測量是在兩個獨立的階段進行的。
第二代CAT系統中，由於電腦軟體參與了測量的全過程，潛在資源得到充分發揮，顯著提高了檢測系統的準確性、可靠性和通用性，但也帶來了一些問題，主要是檢測速度一般低於第一代，單項精度一般不如專用儀器，信號的頻寬也受到軟體速度的限制。
CAT體繫結構主要向分散式、內含式和小型化等方向發展。
1．分散式體繫結構
圖4所示為多介面CAT體繫結構，這種體系有多個介面，可同時對幾個被測對象uuT(UnitUnderTest)進行檢測，系統共用所有的激勵單元和響應單元，調度由電腦系統統一完成。該結構可充分利用電腦，一般用在多個被測對象相同，且檢測程式也相同的情況。
2．內含式CAT體繫結構
內含式CAT體繫結構是將CAT的部分組件包含在被測組件內部，這主要用於一些結構複雜的被測組件。
3．小型化體繫結構
小型化體繫結構現階段的水平是手提式CAT系統，主要措施是廣泛應用CMOS電路，減小電源質量和體積。進一步微型化的目標是插頭式CAT系統，將CAT系統全部裝入相當於一個插頭的殼體中，將它插入被測組件的插座上，即可進行檢測。
電腦輔助測試的發展趨勢[4]
隨著電腦技術和電子技術的高速發展，CAT技術也在功能、自適應能力及通用性等方面不斷進步，它的發展趨勢可總結為以下兩個方面。
1．自適應測試
傳統的CAT系統中的採樣和變換組件將被測量的測量值輸入電腦，其中的主要參數包括量程、解析度、採樣周期、採樣數量等是通過程式設定的，一旦軟體編好，這些參數就固定，在測試過程中不能再改變，所以在測試過程中不具有自適應性。而自適應測試系統是一種能根據待測件、待測量或測試環境變化而自動改變其結構或參數，以獲得最優測試性能的測試系統。自適應測試系統可實現三個環節的自適應，即根據採樣信號的不同改變採樣的時間、量程、周期等，使採樣是信號質量最優的自適應採樣；根據待處理數據的特性決定數據處理的方法和參數，使數據處理是結果最優的自適應數據處理，根據待測試件不同的靜動態特性調節系統結構或參數，使系統的性能具有最優的測試系統結構參數的自適應調節。
2．構成柔性製造系統(FMS)和電腦集成製造系統(C1MS)
可將CAD(電腦輔助設計)、CAM(電腦輔助製造)、CAT(電腦輔助測試)的信息集成，根據CAD信息製成CAM程式，工件加工好後通過CAT檢驗，再通過CAT的信息修改CAD數據和CAM程式；也可通過CAT繪製圖紙，自動生成數控程式進行CAM；或者通過CAM加工試件後，通過CAT進行測試，然後根據測試數據，通過CAD繪出圖紙。這樣可以顯著減少人工費用，且質量穩定。
