并行测试技术工程化应用研究

    宋扬　王清海

    

    

    

    摘要：并行测试技术在测试系统中应用广泛，采用并行测试技术能够提高系统的测试效率和性价比。本文提出了几种并行测试结构形式，并结合实际测试需求进行并行测试分析与实践，详细分析了针对某型导弹开展并行测试的可行性及实施方法，最终选择多个被测对象并行测试的方法。结果表明，并行测试有效减少了测试时间，提高了测试速度，使该型导弹的测试效率提高了50%以上，提升了装备使用效率。

    关键词：并行测试；自动测试系统；测试效率；导弹

    中图分类号：TJ760.6 文献标识码：A 文章编号：1673-5048（2017）02-0065-06

    0引言

    在自动测试系统中，传统的测试方法为串行测试，即在一定时间段内只能测试一个被测对象（UUT，Unit Under Test），因而系统中价格昂贵的测试仪器平均空闲时间占整个测试时间的50%以上。随着并行处理技术的引入，并行测试逐渐替代了串行测试。

    并行测试是指自动测试系统在同一时间内完成多个测试数据处理、多项测试任务等。根据并行测试的对象不同，可将并行测试分为不同情况：在同一时间内完成多个UUT的测试，即多UUT的并行测试；在单个UUT上同步或异步地运行多个测试任务，同时完成UUT多項参数的测试，即单个UUT内部的并行测试。

    并行自动测试系统即采用了并行测试技术的自动测试系统。并行测试技术通过对系统资源的并行利用，大大提高了系统的测试效率和性价比。并行测试系统在同一时间内完成多个UUT的测试，大大提高了系统的吞吐率，减少了测试时间。一定时间内，在执行两个测试任务时，并行测试要比传统顺序测试效率提高50%；并行测试减少仪器的空闲时间、充分利用仪器资源，大大提高仪器的使用效率，从而提高系统的性价比。并行测试中测试任务不断地运行，并发出占用仪器的申请，仪器一旦空闲就会再次被新的测试任务申请使用。在最理想的状态下，整个测试过程中仪器一直处于工作状态。

    1并行测试概述

    1.1并行自动测试系统性能评估

    系统性能需要评估的指标有很多种，常见的有系统的吞吐率（throughput）即系统在单位时间内处理作业的平均数，以及资源的利用率即资源处于忙状态的时间比等等。自动测试系统经常需要对被测件进行数十次的循环测试，测试花费时间是系统性能的一个重要指标，因此本文主要通过测试时间这一指标来对并行测试系统的性能进行评估。

    1.2并行自动测试系统任务调度策略

    在系统中，各个任务可以并行或串行的执行。传统的自动测试系统采用串行测试技术，测试任务之间根据测试顺序依次调用，并不需要任何调度的策略。一旦自动测试系统采用并行测试技术，测试任务的调度顺序直接影响系统的性能，因此测试任务之间一般有一定的优先次序约束。任务调度的目标是要在满足一定的性能指标和优先约束关系的前提下，将可并行执行的任务按适当分配策略确定一种分派和执行顺序，合理分配到CPU上有序地执行，以达到优化的目的。

    因此，实现并行测试的关键是设计良好的任务调度策略，按照系统资源的需求，分析并行测试的可能和效果。

    1.3并行测试种类

    1.3.1多UUT并行测试

    多UUT并行测试是同时并行测试多个UUT。这类并行测试需要有足够多的测试资源对每个UUT进行并行测试。

    如果可以通过开关系统的切换实现多个UUT的测试共享，那么就可以减少测试资源的需求，提高系统的性价比。但测试资源是共享的，必须对资源的使用进行协调，要在适当时间分配适当的资源给某一UUT。如果测试资源是专用的，那么就不存在这种资源调配的复杂性。

    多个UUT并行测试中，每个UUT的测试内部仍为串行测试。

    1.3.2单UUT并行测试

    单UUT并行测试是在一个UUT内同时进行多个测试。

    当UUT的各个测试功能之间关联性不太强时，可以进行多测试功能的并行测试，但在每个测试功能内部，仍为串行测试。这种测试有可能需要更多的测试资源，例如要测量多个电阻器的阻值，那么就需要同样多的数字多用表对其进行并行测试。

    计算机科学中的并行执行程序也是一种并行测试，即同一项测试中并行执行多个测试步骤或动作。在这类测试中，测试动作是同时完成的，增加了测试系统软件的复杂性。

    1.4并行测试系统架构

    根据并行测试的实现方式，并行测试系统可划分为两类基本架构形式：一类是多处理器的并行测试结构，具有两个以上的处理器，在各自操作系统的控制下，通过高速通信网络、共享的主存或输入/输出子系统进行测试，对系统的软硬件都有较高的要求；另一类是在单处理器上实现的并行测试结构，通过对不同测试任务的调度来分配单个处理器处理任务的时间，从而实现并行测试，主要通过软件设计来实现。

    1.4.1多处理器并行测试结构

    多处理器的并行测试结构中，根据处理器之间的关系分为分布式和主从处理器结构。分布式并行测试结构中的每台计算机均可独立高效地执行测试任务，主要通过网络来实现测试同步和仪器、数据共享；主从处理器结构中，从处理机与主处理器并行工作，从处理机分担主处理器的部分工作，减轻主处理器的负担，提高测试效率。

    1.4.2单处理器并行测试结构

    单处理器的并行测试主要通过软件的多进程或多线程实现。

    多进程结构是单个处理器中有多个进程同时执行测试任务的结构，通过CPU在进程间的切换来完成并行测试任务。在多进程结构中应由操作系统来隔离每个进程的内存地址空间，防止出现一个进程故障导致整个系统崩溃的现象。

    多线程结构是一个进程中的多个线程同时执行测试任务的结构，主要是通过线程间的切换来完成并行测试任务。多线程结构中，并行测试程序在一个进程中执行，这个进程拥有一个简单内存地址。进程有一个主线程，其只有一个控制流程来控制所有步骤的执行，其他线程为从线程，主线程可以创建或删除其他不同的线程来完成并行测试任务。

    在工程应用中，尤其是大型测试系统中，被测试对象复杂，且其参数测试繁琐，往往混合使用上述集中并行测试方式，如在系统级建立分布式并行测试结构，然后在每个子测试节点中再建立多进程结构，每个进程中又是多线程结构。

    2并行测试在导弹测试中的应用分析

    在导弹测试系统中，用来进行参数测试的仪器是系统的组成部分之一；同时，用来进行环境目标模拟的各类目标模拟器、高度模拟器是系统中价格最昂贵的组成部分；用来进行电源、气源供给的模拟部分则是系统中体积最庞大的部分。并行测试在导弹测试中的应用效能分析，从以上三个组成部分来看，有不同的效果。

    采用多UUT并行对导弹测试来说，可以减少仪器的空闲时间，提高仪器的使用效率，但由于导弹测试对目标模拟器、高度模拟器的独占性，对电源、气源供应的持续要求，通常要求目标模拟器、高度模拟器的通道数增加，要求电源、气源的能力增加，这就大大增加了系统的经济成本，对整个系统的性价比来说不一定是最优的。

    采用单UUT测试内部的并行测试方法则可以避免上述问题，是工程上常用的方法。主要有多个测试项目的并行测试、同一测试项目内部多个参数的同时采集及多个数据的同步处理等。这就需要尽可能详尽地分析不同测试项目之间并行测试的可行性、不同参数同时测试有无资源冲突等，在软件设计上采用多线程等，并确保在不增加系统需求的基础上实现更高效率的测试。

    3某红外导弹并行测试实现

    某导弹为红外制导格斗弹，地面测试采用分步骤方式进行，不同步骤之间关联性不强，可以根据操作人员的需要自由选择。原有的设备为串行测试，逐项完成全部测试需要24 min左右。

    根据前文分析，不同的测试功能之间关联性不强是进行并行测试的条件之一。据此，以该红外导弹为测试对象，通过导弹的X型放置使得多个测试信号可以并行测试，同时对不同的测试项目进行组合，使得能够合并进行的测试项目采用并行测试的方式进行，可以将测试时间缩短50%以上，大大提高了测试效率。

    3.1某红外导弹测试项目

    某红外导弹测试分Ⅰ通道（导弹的左、右舵面即Ⅱ、Ⅳ舵面呈水平状态，从导弹尾部看，Ⅰ通道在正上方）和Ⅱ通道（导弹的上、下舵面即Ⅰ、Ⅲ舵面呈水平状态，从导弹尾部看，Ⅱ通道在正上方）两种状态，现在引入第三种状态（导弹的左、右舵面和上、下舵面呈X状态）称为X通道状态，三种通道状态如图1所示。

    某红外导弹的测试项目包括：

    a.供电致冷测试；

    b.电气延迟测试；

    c.转速下降测试；

    d.变流机测试：

    e.连续性测试：

    f.对称性测试：

    g.气动延迟测试；

    h.同轴一致性测试：

    i.制导测试；

    j.近目标测试；

    k.操纵常数测试；

    l.解除保险测试；

    m.远目标测试：

    n.引信测试（引信1、引信2、引信3和引信4）。

    其中，从i项至m项，均要进行I通道和Ⅱ通道测试。

    3.2测试项目及与通道设置的关系分析

    3.2.1供电致冷测试

    测试中，首先检查导弹的直流和交流供电電源，检测合格后向导弹供电、供气；监测导弹输出的F信号幅值、AGC信号幅值和PIPS信号频率，判断导弹致冷是否合格。

    该项测试与导弹通道放置状态无关，测试时间小于120 s。

    3.2.2电气延迟测试

    测试中，向导弹发出sD（安全距离）启动信号，记录导弹SD1和SD2信号出现时间。

    该项测试与导弹通道放置状态无关，测试时间为10 s。

    电气延迟是导弹正常工作必经的一个状态，在自动测试时可以结合制导检测。

    3.2.3转速下降测试

    测试中，停止向导弹外供交流电源10 s，测试断电前和断电10 s后陀螺转速之差，判断差值是否合格。

    该项测试与导弹通道放置状态无关，测试时间为15 s。

    测试可以放在供电致冷检测中完成，由于探测器致冷慢，陀螺启动快，在陀螺达到正常转速后，随即进行该项测试，测试完毕继续给陀螺供电进行后续测试。

    3.2.4变流机测试

    测试中，停止向导弹外供交流电，同时发出ST（变流机）启动信号，启动导弹变流机工作，该状态持续20 s，在这期间监测陀螺频率变化情况。

    该项测试与导弹通道放置状态无关，测试时间为30 s。

    3.2.5连续性测试

    测试主要检查导弹电缆插座之间连续性，以及导弹两种内供电电压的幅度和纹波。

    该项测试与导弹通道放置状态无关，测试时间为15 s，可与变流机或同轴一致性测试同时进行。

    3.2.6对称性测试

    测试中，主要测试E指令（EU和ED、EL和ER）、N指令（NU和ND、NL和NR）之间的信号波形对称情况。

    该项测试与导弹通道放置状态无关，测试时间为60 s。

    在原测试中，由于测试资源所限，只能顺次检测EU和ED、EL和ER、NU和ND、NL和NR四对指令信号波形，每对信号用时10 s，共用时40s。实际上这些信号在导弹工作时是同时存在的，可以同时并行采集，测试用时小于20 s。

    3.2.7气动延迟测试

    测试中，主要测试从开始供伺服氮气到舵面有显著反应的时间差。

    该项测试与导弹通道放置状态无关，测试时间为30 s。

    3.2.8同轴一致性测试

    测试中，主要测试位标器位置信号的相位以及E指令（EU）所表征的极限环频率。

    该项测试与导弹通道放置状态无关，测试时间为25 s。

    3.2.9制导测试

    测试中。主要测试导弹跟踪过程中相应的N指令（NU，ND，NR，NL），以及在目标偏离导弹轴线±30°和0°时，位标器角解算器输出的方位信号（sin，sincos，sinsin）。

    导弹Ⅰ通道状态或Ⅱ通道状态时，目标在水平面上左右运动和导弹“左、右”机动或“上、下”机动方向平行，只引起与其运动方向垂直的舵控指令输出，另一方向的舵控指令输出很小，即导弹Ⅰ通道状态时，目标向右侧运动测NU指令，向左侧运动测ND指令；导弹Ⅱ通道状态时，目标向右侧运动测NR指令，向左侧运动测NL指令。

    当导弹X通道状态时，目标在水平面上左右运动和导弹“左、右”机动或“上、下”机动方向成45°夹角，导弹“左或右”和“上或下”舵控指令均有正常输出，可以同时测试两组舵控指令。测试方法如下：当导弹X通道状态时，目标向右运动时可以测试NU和NR指令，目标向左运动时可以测试ND和NL指令，目标一个左右运动循环可以测到4个舵控指令。

    从对导弹角解算器功能检测角度来说，Ⅰ，Ⅱ通道和X通道两种情况都能检验该功能是否正常，区别仅在于测试结果的合格判定范围需要进行一定的换算。

    制导测试流程如图2所示。

    3.2.10近目标测试

    测试中，主要测试在近目标跟踪状态下导弹的跟踪性能，测试时间为35 s。

    该项目的测试判据有F，AGC信号幅值和导弹跟踪状态。F，AGC信号幅值与导弹处于Ⅰ，Ⅱ通道或X通道无关；导弹跟踪状态与导弹“制导”项目分析相似，在X通道状态可同时考察Ⅰ，Ⅱ通道跟踪控制能力。

    3.2.11操纵常数测试

    测试中，主要测试导弹超前偏置回路工作状况。该项测试与制导测试相似，当导弹在Ⅰ通道状态或Ⅱ通道状态测试时，目标只相对一对舵控制通道有偏置，当目标偏移30°进行弹目接近模拟时，只有一对舵有超前偏置响应；当导弹在X通道状态测试时，会同时有两对舵进行响应，同时采集两路响应，可以加快测试速度。

    当导弹X通道放置时，由于有两对舵进行超前偏置设置，而舵控气源流量有限，使得舵输出力矩稍微有一些滞后，时间常数由均值60 ms增大到76 ms，但从舵控效果来说，由于两对舵都起作用，导弹的超前偏置效果并未变差。

    3.2.12解除保险测试

    测试中，主要测试解除保险电路工作时序，测试时间为46 s。

    目标是否进入解除保险环带只与目标和导弹纵轴轴线的夹角有关系，与导弹处于Ⅰ，Ⅱ通道或X通道无关，可以在X通道状态检测导弹的这项特性。

    3.2.13远目标测试

    测试中，主要测试在远目标跟踪状态下导弹的跟踪性能，测试时间为35 s（含目标降温時间）。

    该项合格判据中F信号幅值、AGC信号幅值、极限环频率与Ⅰ，Ⅱ通道或X通道无关；导弹跟踪状态与导弹“制导”项目分析相似，在X通道状态可以同时考察Ⅰ，Ⅱ通道跟踪控制能力。

    3.2.14引信测试

    引信测试分为4个分项进行：引信1、引信2、引信3和引信4。

    在原有设备中，各项目靠按钮进行选择，结果靠指示灯显示，为了比较清楚地反映引信不同侧面的功能，分成单独的4项进行测试，这要求项目之间重复设置SD等测试准备信号。目前完成4项测试用时为140 s。

    设备引入计算机后，操作显示界面丰富，有条件在一次SD准备情况下完成相应的有目标测试内容，并清楚地显示测试结果；自炸功能测试则必须再启动一次SD方可完成。

    因此，可在上述4个分项单独测试基础上增加自动测试选项，综合上述测试内容，减少重复设置，从而加快测试速度。改进后可以在90 s内完成引信测试。

    3.3并行测试实现结果

    根据上述测试试验分析，对采取并行测试前后某红外导弹的测试时间进行统计，如表1所示。

    由表1看出，原来的测试时间为1 400 s（不包括Ⅰ，Ⅱ两个通道调的两次调环带时间和通道转换时间）。采用了并行测试策略后，完成全部测试的时间为531 s（未计算一次调换带时间）。测试时间大大缩短，测试效率得到提高。

    4结论

    本文对并行测试在某红外导弹中的应用进行了初步探索和工程实现，通过对多个测试项目的并行进行，及每个测试项目内的多个测试参数的并行测试，可降低50%以上的测试时间，有效提高了导弹测试的效率，具有一定的工程实践意义。这种在单UUT内部的测试对软件实现有一定的要求，对系统的硬件资源则不做新的要求，因而性价比较高，适合系统资源已经固定、无法做大的改变的设备。

    对多UUT的并行测试来说，由于对资源的要求较高，实现起来尚有一定的技术困难。多UUT的并行测试将是并行测试发展需要解决的问题之一，也是未来并行测试的研究重点，对全面提高测试质量，优化武器系统的维护保障具有重要的意义。