梁鶴鳴

（威凱檢測技術有限公司 廣州 510663）

引言

隨著社會科技的發(fā)展，人工智能、互聯(lián)網、大數(shù)據(jù)等等新技術不斷地沖刷我們的認知。如何利用新技術來構建完善的測試生態(tài)系統(tǒng)中是測試技術行業(yè)發(fā)展的大方向。測試自動化是實現(xiàn)該測試生態(tài)系統(tǒng)第一步。與制造業(yè)的自動化技術有所不同，自動化測試注重測試過程的控制及數(shù)據(jù)的采集和處理，追求數(shù)據(jù)的準確、可追溯。自動化測試包括試驗過程自動化、結果判斷自動化、數(shù)據(jù)處理自動化、報告生成自動化等。本文從檢測工程師的視角出發(fā)，闡述從設計規(guī)劃到方案實施的全過程，為推廣測試自動化提供一個參考。

1 自動化測試的意義

此前，我國的制造業(yè)由勞動密集型為主，憑借廉價的勞動力賺取巨大的利潤。而隨著人工成本的逐漸增加，利潤空間逐漸縮小，企業(yè)慢慢通過自動化機械設備替代工人，以往幾百上千的車間現(xiàn)在可能只有幾個工人在值守。保證了利潤的同時提高了產品生產的穩(wěn)定性，效率也有所提高。實現(xiàn)測試自動化，檢測行業(yè)同樣可以降低人力成本、提高測試準確性。另外將測試數(shù)據(jù)全數(shù)字化管理，便于數(shù)據(jù)的儲存及分析利用。

自動化技術從10多年前就開始在制造業(yè)普及發(fā)展，為什么檢測行業(yè)中的自動化程度還是那么低呢？首先有別于制造業(yè)的生產線，企業(yè)生產的產品比較單一，同一條生產線通常生產的是同一個規(guī)格型號的產品。而檢測行業(yè)本身對測試人員的要求較高，同時要檢測的產品則種類繁多，即使同類產品外觀參數(shù)上各式各樣五花八門。因此要針對某種產品進行自動化檢測從設計上難度不小。而且，產品檢測技術與自動化技術是兩門獨立的學科，因此自動化設備制造商往往不能很好地理解產品測試標準的要求，或缺乏對產品檢測的經驗。設計制造出來的設備不一定能滿足檢測行業(yè)的需求。因此阻礙了自動化測試的普及。

由檢測行業(yè)人員自行研究開發(fā)或主導開發(fā)自動化測試設備可提高檢測行業(yè)的自動化程度。我們可以將測試項目模塊化和將結構檢查等人為主觀判斷的項目與序號通過考核量化數(shù)據(jù)的項目分開。前者可以將測試工程師判斷后的結果輸入數(shù)據(jù)庫，作為結果直接輸出及作為其它測試條款的參數(shù)條件使用。而后者則是自動化測試的著重點，將測試過程控制、數(shù)據(jù)記錄及處理、條款的判定程式化，用電腦替代以往工程師的角色讀取數(shù)據(jù)，根據(jù)標準要求對數(shù)據(jù)進行處理然后判定結果。最后將數(shù)據(jù)及結果上傳到數(shù)據(jù)庫中，由數(shù)據(jù)庫匯總所有測試結果生成最終的測試報告。下文筆者以發(fā)熱管的測試為例子，從項目設計規(guī)劃、儀器選擇、控制電路、軟件程序、集成調試逐一介紹如何搭建自動化測試系統(tǒng)。

2 設計規(guī)劃

以發(fā)熱管測試為例，通過對標準的深入研究以及平常試驗的經驗總結，發(fā)熱管的主要測試按照JB/T 4088-2012《日用管狀電熱元件》標準中的表6試驗進行。這些試驗中序號5、管體溫度測量；8、功率偏差測量；9、冷態(tài)下電氣強度試驗；10、工作溫度下的泄漏電流試驗；11、工作溫度下的電氣強度試驗；這幾個試驗可通過電腦替代人工操作測試。而且這幾個測試的測試條件及主要設備大至相同，可將其整合在一個系統(tǒng)之中。因此將這幾個測試項目定為開發(fā)目標。而后再深入地分析這5個試驗需要測試的物理量、所需設備、測試條件。如表1所示的分析表將測試標準的條款要求進行分解。

有測試對象目標后，還需對它們進行統(tǒng)籌規(guī)劃，使得整個測試流程能夠高效地執(zhí)行。根據(jù)標準的測試順序要求，及根據(jù)試驗條件排列出最優(yōu)化的項目的測試順序。5個測試中冷態(tài)電氣強度試驗樣品是從初始狀態(tài)下進行而其余的都需要達到熱穩(wěn)定因此應排在第一個，而工作溫度下的電氣強度試驗則需熱穩(wěn)定后斷電測試，所以按樣品的通電順序應排在最后。剩下的實驗中工作溫度下的泄漏電流應放在第2個進行，因為該測試電壓不是額定電壓而是使功率達到額定功率1.15倍時的電壓，其余試驗的為額定電壓。較高的電壓也可以加速產品更快地達到熱穩(wěn)定，縮短測試的時間。那么整理一下得出表2測試順序。

圖1 JB/T 4088-2012日用管狀電熱元件標準形式試驗要求

表1 發(fā)熱管試驗分析表

表2 測試順序

再接下來繼續(xù)每個試驗逐一細化，根據(jù)標準中的測試條件及要求，將文字條款轉換為流程圖以便后面的軟件程序的編程。下面就以功率偏差測試為例介紹如何將標準中的條款轉換為測試流程圖。

對圖2中標準對產品功率偏差的要求，分析解讀一下就是樣品通額定電壓，穩(wěn)定后測量產品的功率在計算其與額定功率的偏差，最后判斷是否符合標準要求，我們將文字轉換為圖3所示的流程圖。

如此類推各個試驗的標準條款轉換為流程圖之后，項目前期的設計規(guī)劃就基本完成了。下面進入下一個硬件的選擇工作。

3 儀器選擇

在構建自動化測試系統(tǒng)時選擇硬件設備應遵循以下規(guī)則：功能滿足試驗的需求；儀器規(guī)格滿足試驗要求；儀器價格滿足成本要求。下面以功率偏差測試為例子介紹儀器選擇的過程。

在之前項目規(guī)劃中，已經分析過了測試的需求，明確需要什么測試儀器，可以將設備選擇縮小到特定的設備儀器種類。在表1的分析表中我們需要測量兩個物理量：電壓和功率。另外在整個測試過程中需要對測試進行監(jiān)控如：樣品通電后要判斷樣品是否穩(wěn)定，需要根據(jù)產品外管發(fā)熱溫度來判斷的，因此還需要對溫度進行測量。此外，需要一個電源為測試供電。

圖2 JB/T 4088-2012日用管狀電熱元件標準中關于功率偏差試驗內容截圖

圖3 功率偏差測試流程圖

表3 各種通訊接口綜合比較

在將測量任務縮小到特定儀器類別之后，下一步是對該類別的設備進行比較和權衡，選取合適的規(guī)格量程。在功率偏差實驗中，輸出設備是電源，在發(fā)熱管標準適用范圍規(guī)定了產品額定電壓不超過440 V，單管的功率不超過6 000 W。因此我們電源在參數(shù)上應該滿足產品的最大測試參數(shù)，并留有一定安全余量。一般在考慮成本的情況下余量系數(shù)約為1.3倍左右。即電源的最高輸出電壓應不小于600 V，功率不小于11 KW。而輸入儀器有：電壓表、功率表、熱電偶采集器。在考慮其量程時同樣要以標準及實際應用時的最大值來確定。例如電壓表和功率表則基本與電源的輸出范圍進行匹配。而熱電偶則根據(jù)產品實際最高發(fā)熱溫度來確定（同樣要預留一定余量系數(shù)約為1.5倍）。在量程選擇完成之后我們要根據(jù)我們試驗實際情況選擇儀器的帶寬/采樣率和分辨率/精度等參數(shù)。像功率測試屬于低速測試因此采樣率不需要太高一般的kHz等級設備即可，而儀器精度則滿足標準要求即可（見圖4）。除此在測試過程中有可能會出現(xiàn)產品擊穿、漏電等極端情況，因此儀器通道間及通道對地的隔離等級要滿足在出現(xiàn)極端情況下可以保護設備安全。

用電腦來控制儀器進行讀取數(shù)據(jù)，儀器與電腦連接有各種各樣的接口如：串口，USB、以太網/LAN、GPIB。選擇合適的總線接口兩個條件：帶寬和延時。

表3及圖5是各種接口總線帶寬（分辨率）及延時的比較和性能比較，在選擇儀器設備時可以作為參考。當然除了帶寬及延時的考慮之外還需要考慮成本。帶寬越寬延時越低的往往價格更高。因此我們根據(jù)實際，接口“夠用即可”。就如絕大多數(shù)常規(guī)家電產品檢測儀器設備，USB總線足以滿足。如通訊射頻波形的測量則最低至少要PCI/PXI總線的儀器。

圖4 JB/T 4088-2012日用管狀電熱元件標準中關于儀器設備精度要求的截圖

圖5 各通訊接口性能比較

4 控制電路

如果說流程圖是系統(tǒng)的骨架，儀器設備為器官，那么控制電路則是神經。測試過程中電腦通過I/O控制模塊控制開關電路對電源、負載、樣品以及儀器等進行切換。來實現(xiàn)樣品的通斷電、樣品測量、以及工位的切換。另外通過開關電路設計，可以實現(xiàn)一臺儀器測量多個工位樣品從而減少設備的重復投入以及提高儀器的利用率。

以功率偏差試驗為例子。圖6為3個工位的發(fā)熱管功率偏差的原理圖。當閉合總開關S后，1號、2號、3號樣品各自回路上的S1、S2、S3開關初始狀態(tài)為常閉NC狀態(tài)。3個樣品都開始通電，并開始檢測管體溫度或倒數(shù)計時。當樣品熱穩(wěn)定后，控制開關S1將它打到常開NO端。那么1號樣品的電流流過功率計的電流表，此時功率計的讀數(shù)為1號樣品的功率。當1號樣品讀取完數(shù)據(jù)之后，開關S1重新恢復到常閉NC端，1號樣品與功率計斷開連接。緊接著控制開關S2將它打到常開NO端。那么1號樣品的電流流過功率計的電流表，此時功率計的讀數(shù)為2號樣品的功率。當2號樣品讀取完數(shù)據(jù)之后，開關S2重新恢復到常閉NC端，2號樣品與功率計斷開連接。最后控制開關S3將它打到常開NO端。那么3號樣品的電流流過功率計的電流表，此時功率計的讀數(shù)為3號樣品的功率。當3號樣品讀取完數(shù)據(jù)之后，開關S3重新恢復到常閉NC端，3號樣品與功率計斷開連接。當所有完成后斷開總開關S。樣品斷電試驗結束。

以上只是較為簡單的功率測試電路，而要把5個試驗整合到一個電路中去，還需要在這個電路基礎上增加更多的開關進行切換。如：如果要在功率偏差試驗的基礎上增加電氣強度測試，那么每個工位需要增加開關，用于切斷樣品與供電電路的連接，將樣品切換至耐壓機輸出的高壓端，而耐壓機的另一端則連接到樣品的外殼上（如圖7所示）。因篇幅有限其余測試的電路這里就不一一介紹了。

在一般的測試電路中，常用的開關控制元件有繼電器、接觸器、固態(tài)繼電器等。在選擇開關元件時，其分斷能力及載流能力一定要與系統(tǒng)匹配。另外還需考慮預留一定數(shù)量的I/O通道以便設備以后功能擴展。

5 軟件程序

軟件程序時整個系統(tǒng)的大腦。軟件程序擔負著各個設備的控制，樣品工作狀態(tài)的監(jiān)控，試驗過程的控制及數(shù)據(jù)的采集處理。很多人都會覺得整個系統(tǒng)最難的就是軟件編程。實際上現(xiàn)在的編程軟件入門門檻并不高，簡單地說會用電腦的基本就可以學會。例如筆者并不是軟件工程出身，但這并不妨礙筆者開發(fā)測試系統(tǒng)程序。

我們的軟件系統(tǒng)大致分為：信息錄入、測試過程控制、數(shù)據(jù)采集及處理、結果輸出四個大模塊。

5.1 信息錄入

包括項目信息如：項目編號、制造商信息、產品型號規(guī)格、產品額定參數(shù)等；測試參數(shù)、條件；測試人員信息；測試時間等。該部分主要為了后面測試條件設置和數(shù)據(jù)保存及報告生成作準備。

5.2 測試過程控制

根據(jù)測試的控制流程圖，通過I/O口控制測試電路各開關元件，以及控制儀器的輸出輸入。

5.3 數(shù)據(jù)采集處理

通過設備儀器采集測試中的數(shù)據(jù)信心。如：電路中的電壓、電流、功率、產品的電阻、溫度等。并根據(jù)標準的要求對數(shù)據(jù)進行計算分析。

5.4 結果輸出

包括根據(jù)測試得出的結果生成測試報表、數(shù)據(jù)錄入原始記錄報告、數(shù)據(jù)上傳數(shù)據(jù)庫等。

圖6 功率偏差測試電路原理圖

圖7 發(fā)熱管電氣強度測試電路原理圖

以功率偏差試驗為例，列出功率偏差程序的基本架構。

6 集成調試

當各個試驗的硬件及軟件部分都已經就緒之后我們就可以進行最后一步的集成調試工作。集成分為硬件集成和軟件集成，硬件集成主要是將儀器設備與我們的控制開關電路進行連接，最終驗證電路的可靠性及安全性（如其它儀器對耐壓試驗高壓的隔離）。而軟件集成則是把多個測試的軟件模塊整合到一個程序中。因為之前軟件程序的模塊化設計會使得該步驟相對簡單。待整體調試完成后，我們的自動化測試系統(tǒng)就基本完成了。最后需要對整個系統(tǒng)進行驗證，要對采用人工方法測試與系統(tǒng)自動測試的結果進行比對，驗證整個測試方法是否正確才能投入實際應用。除此在實際運作之后某些地方需要進行修改或要增加新的功能。

7 結語

設計規(guī)劃是自動化測試系統(tǒng)的建造的整個過程最為關鍵一步，因為這個測試系統(tǒng)的合理性、實用性都取決于設計。雖然設備制作并不是檢測行業(yè)工作人員的專業(yè)，但是他們熟悉標準和產品測試，因而檢測人員參與設計自動化測試設備，可以使其更加符合測試要求。