摘要：本文首先简单介绍了智能测量仪器可测性设计基本概念和内容，最后针对智能测量仪器的具体特点从工程应用角度阐述了智能测量仪器可测试性设计的思想和方法。

关键词：智能测量仪器；可测试性设计；BIT；固有测试性

1 引言

可测试性设计是为满足系统高可靠性需求而诞生的，是与系统维修性、可靠性和可用性密切相关的一种技术。可测试性设计要求在设计研制过程中使系统具有自检测和为诊断提供方便的设计特性。具有良好测试性的智能测量仪器，能够对智能测量仪器软硬件平台进行全面的测试与诊断，及时排除和隔离潜在故障，并进行必要的告警或者修复，从而有效降低使用过程中的故障率，提高系统的性能指标，提高其质量和可靠性，降低装备的全寿命周期费用。

因此，可测试性设计已经成为衡量现代智能测量仪器智能性以及维修水平高低的一个重要标志。

2 智能测量仪器可测性设计基本概念

智能测量仪器的可测试性设计主要包括固有测试性、内建测试和外部测试，它们共同构成了智能测量仪器的综合可测试性设计体系。

2.1 固有测试性

固有测试性是指仅取决于产品硬件设计，不依赖于测试激励和响应数据的测试性。它是从硬件设计角度考虑便于内部和外部测试设备检测和隔离其故障的特性。固有测试性设计通常包括功能和结构的合理划分、测试可控性和可观测性、初始化、元器件选用以及与测试设备兼容性等。

固有测试性是智能测量仪器可测性设计的基础和前提，它既支持BIT，也支持外部测试。因此，在测试性设计中，应尽早进行固有测试性的分析与设计，避免返工和浪费。

2.2内建测试

随着智能测量仪器复杂性的提高，迫切需要测量仪器系统本身具备检测、隔离故障的能力以缩短维修时间，因此内建测试（BIT—Build In Test）应运而生。

内建测试是指测量仪器本身为故障检测、隔离或诊断提供的自动测试能力。设计有内建测试的智能测量仪器，可以不用外部测试设备就能完成对仪器设备功能检查、故障诊断与隔离以及性能测试，从而成为联机检测技术的新发展。

现代智能测量仪器智能性不仅仅表现在优美而人性化的人机界面、丰富多样的输入输出接口、强大的测量和处理功能，而是更多地表现在测量仪器的高智能性和高精度、高指标。而这些能力的获得除了通过对整个系统的硬件电路和器部件进行精心地设计和调试外，更多地表现提供了功能完备的内建测试设计上。

现代智能测量仪器作为一种复杂的电子装备，任何一部分电路和微波器部件发生故障都会导致系统不正常工作或者造成性能指标的下降。因此，作为智能测量仪器必须能提供必要的系统测试、诊断和故障定位能力，以便及时发现问题隐患并进行排除或者提醒使用人员的功能，从而有效提高系统的可靠性。随着电子技术和计算机技术的发展，现在智能测量仪器越来越复杂，各功能模块之间相互协同、彼此联系又相互影响。同时，仪器设备在使用过程中，由于环境、温度的变化以及元器件和微波部件的性能变化等原因，仪器的一些性能指标可能会同样发生着变化。因此，智能测量仪器在进行可测试性设计的同时，往往还需要具备自我调节和补偿的能力，以适应这些变化，提高测量仪器设备的性能指标。

因此，现代智能测量仪器的内建测试不单纯实现对测量仪器的测试诊断与故障定位，而往往是与相应的调节、补偿和校准功能一道，形成了一个集系统测试、故障诊断、调节和校准补偿于一体的专家系统。

2.3 外部测试

随着测试和故障诊断技术的发展，外部测试技术已经非常成熟，也涌现出大量的测试和诊断规范、标准，如机内测试标准IEEE1149、诊断服务标准IEEE 1232和数据维护与资源管理标准IEEE1226等。尽管现代智能测量仪器普遍都采用了BIT技术，而且外部测试费用高、操作复杂且只能离线检测，但由于BIT存在不可能面面俱到的局限性，故外部测试仍然是必不可少的，以便实现更全面、更细致的测试。

因此，在智能测量仪器的设计中，通常在BIT设计的基础上为每一可更换单元设计设计一定的外部测试节点和接口，同时整机设计必要的通信和测试接口，并提供相应的程控命令和通信协议，以便通过组建自动测试系统来实现对智能测量仪器的功能、性能的测试与故障定位。

3 智能测量仪器可测试性设计

在进行智能测量仪器设计时，首先要进行固有可测试性设计。其中重要的一环就是考虑将硬件电路和微波单元划分不同等级的可更换单元（LRU）。LRU的划分通常是按照测试流程和信号流向，根据硬件和微波部件的功能和结构特点进行划分，以便于检测、分离和拆卸为目的。一般而言，LRU的划分应遵循模块间最小相关原则和模块内最小相似原则：在电气上，应尽量减少LRU之间的连线与信息交叉；在结构上，要便于故障的隔离和电路单元的更换；在具体设计上，应保证使其具有明确的可预置初始状态。

测试电路和部件通常由激励源、信号传输通道和测试电路与装置等组成。测试电路和部件可以完全包含在被测部件中，也可以根据需要部分放置在外部。此外，测试节点的选择应具有代表性，能准确反映电路的特点，便于故障的检测和隔离。被测单元或模块的外部测试接口设计应尽可能保证与外部测试设备的结构和电气性能的兼容性，减少使用专用接口装置所可能带来的影响。

在此基础上，进一步规划和设计智能测量仪器内建测试。但是智能测量仪器内建测试更多地以实用为目的，一般不追求面面俱到，通常只考虑提供影响系统性能指标的关键测试、调节和校准，或针对主要模块和部件的测试与诊断，同时在设计时也保留一定的外部测试节点和测试接口，以便用于外部测试。

在智能测量仪器中，内建测试一般采取分层、分级的思路进行设计，一般可根据需要划分为上电测试、操作测试、性能测试和诊断测试。

3.1 上电测试

上电测试一般围绕着处理器进行接口通信、系统控制、数据采集和数据处理的基本能力以及一些关键的器部件进行展开的，通常包括处理器的运算能力测试（如ALU测试）、中断响应能力测试、内外部程序和数据存储器测试、各电路和部件接口通信及控制能力测试、各处理器之间通信能力测试、各种通信接口自检测试、扫描触发能力测试、ADC线性及偏移测试、仪器选项及配置测试，等等。这些测试功能往往是智能测量仪器能够正常工作的最基本条件。

上电测试所采用的技术和方法需要根据具体测试项目的具体特点而采取不同的设计方法，如：ROM存储器采取校验和或循环冗余码校验法；处理器之间的通信能力测试采取按照事先规定的协议和规则对相应通信单元的数据进行处理并与期望值验证的思路，等等。

上电测试为提高测试速度，一般只注重能够有效检测故障，进一步的故障隔离、定位和修复往往由后续的测试来予以实现。

3.2 操作测试

操作测试是往往需要人为介入操作或观察才能进行的测试，通常包括仪器按键和转轮测试、显示能力测试（常包括色彩、亮度、对比度、分辨力、保真度等）、开关重复性测试、接收机功能测试、仪器选项使能测试等等。

操作测试是一种软件驱动的测试，通常不需要借助于外部设备，而只是通过执行嵌入式测试软件，由操作者按照软件的提示进行操作并观察测试结果是否正确。这些测试只有在上电自检发现问题或者操作者干预时才进行。

3.3 性能测试

性能测试是智能测量仪器可测试性设计中最重要的一环，主要指那些可能影响系统性能指标的测试诊断项。保持良好的性能指标一直是智能测量仪器设计者梦寐以求的目标，但是电路和部件的故障、长期使用所造成的器部件性能的下降以及环境对系统所造成的影响等都会给智能测量仪器的性能指标带来一定的影响。因此，智能测量仪器必须能够及时检测这些故障隐患，并通过相应的电路进行补偿、调节和校准，从而达到修正和弥补系统性能指标的目的，这是性能测试所设置的主要意义所在。

性能测试设计通常包括人为选择测试和定期自动测试两种。其中人为选择的性能测试通常需要借助于必要的外部设备与工具，需要操作者的介入方可进行，一般用于对外部环境不太敏感，变化不太频繁的应用场合，如：频率范围及精度测试、输出功率范围及精度测试、功率线性测试、测试端口噪声电平测试、测试端口串绕测试、接收动态范围测试以及幅度压缩比测试等等。这种测试通常是在出厂交付、计量检测、维修或者外部环境差异较大时才由操作者选择进行。

而定期自动测试一般根据电路和部件的具体特点，采取定时或周期性的方式进行自动测试，常用于一些性能指标随电路、环境和工作状态变换较大的应用场合，如：温度测试、锁相环路测试、功率过载测试等等。

性能测试的目的往往不单单是发现性能指标的降低，更重要的是为了通过相关的电路模块和嵌入式软件进行调解、补偿和校准，从而达到修复和改进性能指标的目的。

在智能测量仪器设计中，与测量性能指标相关的电路往往都是数模混合电路，因此可测试性设计也必须充分考虑这种特点。一般地，性能测量相关电路设计往往是充分利用各电路板的数字I/O通道，并针对仪器的功能特点，在每块主要电路板的关键点设置数量不等的模拟测试节点和调节节点，通过各种信号检测、A/D转换、D/A转换以及相应的电路构成模拟I/O通道。信号的检测通常使用各种传感器、检波器等，以便将待检测信号转换成一定的电流或电压波形信号，然后经过必要的信号调理、通道选择和A/D转换后送往处理器接口。然后，由嵌入式软件进行分析处理与定位，确定性能指标能否满足测量需要。如检测到性能指标超过设定值要，则往往根据测试的结果并借助于D/A转换器构成模拟输出通道实现对模拟电路的校准、调节与补偿功能。从而形成如图3-1所示的硬件原理组成示意框图：

在具体的设计中，往往需要根据电路的具体特点来选择合适的A/D和D/A器件构建模拟通道。在精度、速度、分辩力等指标许可的前提下，尽可能使用串行、多通道以及具有采样保持器的A/D和D/A转换器构建模拟通道，以有效降低成本，简化电路板的设计复杂度，减轻模拟通道对其他电路的干扰。校准、调节及补偿的结果会产生大量针对硬件电路板的补偿与校准参数。为了方便针对硬件电路板相关参量进行存储，故在智能测量仪器中往往还会采用一些EEPROM存储器等。

4 小结

鉴于内建测试增加了智能测量仪器系统设计的复杂性，考虑成本、可靠性等因素，因此在智能测量仪器内建测试设计时，一般不追求面面俱到，通常只考虑提供影响系统性能指标的关键测试、调节和校准，或针对主要模块和部件的测试与诊断。但是，为提高可测试性，智能测量仪器通常设计必要的可用于外部测试的接口，以便通过人工或者构建自动测试系统来实现必要的外部测试，实现更进一步的测试和诊断。从而实现将BIT、脱机自动测试和人工测试向结合的综合可测试性设计，以提供符合系统可用性要求和寿命周期费用要求的全面测试能力。

参考文献：

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