基于虛擬儀器技術(shù)的地面電子單元自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)研究

王 丁，王財(cái)進(jìn)，徐 寧，王 瑞

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院通信信號(hào)研究所，北京 100081)

隨著我國(guó)高速鐵路的不斷發(fā)展，點(diǎn)式應(yīng)答器設(shè)備[1]在列控系統(tǒng)[2]中得到了普遍應(yīng)用，地面電子單元[3]作為有源應(yīng)答器[4-5]的關(guān)鍵控制設(shè)備，其出廠各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)直接關(guān)系到實(shí)際應(yīng)用中的可靠性，對(duì)列車運(yùn)行的安全性具有重大影響[6-7]。

CRCC(中鐵鐵路產(chǎn)品認(rèn)證中心)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)中規(guī)定了地面電子單元(LEU)每個(gè)單一接口的詳細(xì)參數(shù)指標(biāo)及判斷標(biāo)準(zhǔn)，由于LEU對(duì)外輸出實(shí)為不同接口信號(hào)的復(fù)合疊加，所以認(rèn)證試驗(yàn)中一般需要保留待測(cè)接口而屏蔽其他接口信號(hào)輸出，要做到這一點(diǎn)往往需要改動(dòng)受測(cè)設(shè)備。對(duì)于認(rèn)證試驗(yàn)，此方法可以做到精確測(cè)得每個(gè)接口參數(shù)，然而出于適應(yīng)設(shè)備批量生產(chǎn)出廠檢驗(yàn)的需求，設(shè)備檢測(cè)手段也必須做出相應(yīng)調(diào)整，要求在不改動(dòng)設(shè)備的前提下得到單一接口的參數(shù)，這就增加測(cè)試的難度，需要測(cè)試人員在由多個(gè)接口混合疊加的信號(hào)中分離出某個(gè)單一信號(hào)并測(cè)得其各項(xiàng)指標(biāo)。

在沒有實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測(cè)試前，地面電子單元(LEU)的出廠檢驗(yàn)測(cè)試通常需要3個(gè)環(huán)節(jié)：上位機(jī)通信測(cè)試、輸出信號(hào)質(zhì)量測(cè)試和信號(hào)數(shù)據(jù)內(nèi)容測(cè)試。上位機(jī)通信測(cè)試需要使用工控機(jī)及專用軟件模擬真實(shí)通信狀態(tài)；輸出信號(hào)質(zhì)量測(cè)試需由測(cè)試人員使用示波器從LEU各端口采集輸出信號(hào)，人工分析判斷波形是否達(dá)標(biāo)；信號(hào)數(shù)據(jù)內(nèi)容測(cè)試[8-9]則需要將LEU連接有源應(yīng)答器后由測(cè)試人員讀出報(bào)文內(nèi)容，人工核對(duì)數(shù)據(jù)正確性。人工測(cè)試的優(yōu)勢(shì)在于可以利用人對(duì)于圖形的理解根據(jù)波形圖線判斷設(shè)備是否達(dá)標(biāo)，而自動(dòng)測(cè)試則需要通過后臺(tái)編程將波形細(xì)分為數(shù)據(jù)點(diǎn)再逐點(diǎn)進(jìn)行分析最后給出判斷。

對(duì)于LEU設(shè)備的批量化檢測(cè)而言，傳統(tǒng)人工測(cè)試方式存在如下缺陷：(1)由人工負(fù)責(zé)判斷信號(hào)波形質(zhì)量，與有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)接模糊，很難去除隨意性；(2)測(cè)試的3個(gè)環(huán)節(jié)，各自使用不同設(shè)備測(cè)試，數(shù)據(jù)無法統(tǒng)一記錄；(3)測(cè)試需要在多個(gè)設(shè)備之間切換，操作繁瑣。這種工作模式已經(jīng)不能適應(yīng)我國(guó)當(dāng)前的鐵路信號(hào)系統(tǒng)裝備制造標(biāo)準(zhǔn)化、智能化發(fā)展的需求。

筆者針對(duì)這些實(shí)際情況，利用Labview虛擬儀器技術(shù)[10-11]，對(duì)構(gòu)建地面電子單元自動(dòng)化測(cè)試平臺(tái)作了有益探索。

使用NI PXI-1085系統(tǒng)附帶的硬件采集板卡，通過Labview虛擬儀器編程技術(shù)[12]實(shí)現(xiàn)：(1)模擬上位機(jī)通信[13]并自動(dòng)完成測(cè)試序列；(2)自動(dòng)采集設(shè)備輸出信號(hào)[14]并保存數(shù)據(jù)；(3)自動(dòng)判斷測(cè)試結(jié)果并記錄存檔。

虛擬儀器搭建自動(dòng)測(cè)試平臺(tái)具備如下優(yōu)點(diǎn)：(1)大幅提高測(cè)試速度并簡(jiǎn)化設(shè)備配置；(2)剔除人為因素，在分析信號(hào)時(shí)精確執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)；(3)完整高效地記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1 地面電子單元測(cè)試概述

LEU性能測(cè)試工作的重點(diǎn)在對(duì)兩個(gè)接口的測(cè)試上，一個(gè)是它與有源應(yīng)答器之間的通信接口C[15]；另一個(gè)是它與列控中心/聯(lián)鎖通信的接口S。其中C接口又細(xì)分為C1接口和C6接口。

原鐵道部“科技運(yùn)函[2004]114號(hào)”文對(duì)此類產(chǎn)品及品質(zhì)檢驗(yàn)有技術(shù)細(xì)則要求[16]，但在實(shí)際操作中，由于檢測(cè)條件的限制，人工檢測(cè)方法僅能夠?qū)EU輸出的信號(hào)進(jìn)行簡(jiǎn)單辨識(shí)。測(cè)試同一臺(tái)設(shè)備需要搭建兩個(gè)環(huán)境，一個(gè)用于測(cè)試報(bào)文內(nèi)容；另一個(gè)用于采集波形信號(hào)。之后再由人工判斷波形是否合格，如圖1所示。

圖1 測(cè)試同一臺(tái)設(shè)備需要兩套測(cè)試系統(tǒng)

現(xiàn)場(chǎng)工作時(shí)，單憑人工無法完成 C1接口數(shù)據(jù)傳輸速率的測(cè)試，往往需要采集數(shù)據(jù)后再使用專門軟件計(jì)算速率。在LEU與上位機(jī)通信接口測(cè)試和傳輸不同報(bào)文序列測(cè)試等項(xiàng)目中情況相同，無論是人工核對(duì)應(yīng)答器報(bào)文還是判斷波形信號(hào)各項(xiàng)參數(shù)，操作繁瑣且易出錯(cuò)。工作效率明顯低下。主要原因是人工測(cè)試方法試驗(yàn)的設(shè)備集成度不高，檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)須另搭建不同的測(cè)試環(huán)境。這種傳統(tǒng)方式測(cè)試精度有限且需要較長(zhǎng)測(cè)試周期和較高的試驗(yàn)成本。

2 自動(dòng)化測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)

針對(duì)上述情況，統(tǒng)籌考慮LEU與上位機(jī)通信的各種測(cè)試項(xiàng)目及其所用測(cè)試儀器的功能，選用NI PXIe-1085系統(tǒng)[17]作為測(cè)試平臺(tái)的核心設(shè)備比較合適。該設(shè)備不僅具有通用PXI/PXIe總線硬件平臺(tái)，還具有LabVIEW 軟件平臺(tái)[18]，可以在硬件測(cè)試的同時(shí)，通過LabVIEW圖形語言實(shí)時(shí)調(diào)用PXI-1085系統(tǒng)各外圍功能板卡，分析和處理板卡采集到的數(shù)據(jù)。實(shí)現(xiàn)測(cè)試系統(tǒng)和測(cè)試工作的集成集約化。該系統(tǒng)硬/軟件設(shè)計(jì)如圖2、圖3所示。圖中LEU各接口的信號(hào)或數(shù)據(jù)分別通過S和C接口傳遞到PXI系列串行口和示波器及C1信號(hào)采集電路。原始信號(hào)與接收、比較、分析數(shù)據(jù)均在一個(gè)硬件電路系統(tǒng)中。由統(tǒng)一的LabVIEW圖形語言實(shí)現(xiàn)對(duì)各板卡的硬件功能實(shí)時(shí)調(diào)用。圖4為測(cè)試配套一體化平臺(tái)儀器面板。

圖2 PXI-1085測(cè)試平臺(tái)組態(tài)框圖

圖3 測(cè)試平臺(tái)的LabVIEW編程

圖4 PXIe-1085測(cè)試平臺(tái)儀器面板

3 地面電子單元自動(dòng)化測(cè)試的實(shí)現(xiàn)

LEU設(shè)備整機(jī)測(cè)試[19]，要求在不改動(dòng)設(shè)備原始出廠封裝的情況下測(cè)試各個(gè)接口參數(shù)性能。 LEU對(duì)外輸出的信號(hào)是由多個(gè)不同功能接口信號(hào)混合疊加而成，如何既不拆卸設(shè)備改動(dòng)電路又能分別得到各個(gè)接口完整的信號(hào)參數(shù)？這當(dāng)中對(duì)C接口[20]的測(cè)試處理是整個(gè)平臺(tái)正常工作的關(guān)鍵所在。在測(cè)試中采用虛擬儀器的波形分析功能和外圍電路配合，對(duì)采集到的、混疊在一起的C1與C6復(fù)合信號(hào)進(jìn)行分解剝離處理。

3.1 C1接口數(shù)據(jù)傳輸速率測(cè)試模塊

C1接口信號(hào)承載報(bào)文數(shù)據(jù)信息。它以方波或眼圖[21]的形式疊加在C6信號(hào)上。因此必須先要抑制C6信號(hào)的影響和干擾，才能有效地測(cè)試C1信號(hào)的數(shù)據(jù)傳輸速率。

C1信號(hào)采集電路的硬件電路使用電容電感作一級(jí)濾波，減小對(duì)C1信號(hào)的干擾，再用電壓反饋型放大器對(duì)衰減的信號(hào)重新放大，最后使用比較器電路(圖5)將信號(hào)轉(zhuǎn)換為方波信號(hào)。該方波信號(hào)即為C1接口的報(bào)文信息。

圖5 硬件采集電路(電壓比較器)

C1接口采用DBPL編碼(差分雙向電平編碼，圖6)方式傳遞信息。當(dāng)碼元為1時(shí)，與上一位的波形保持一致，當(dāng)碼元為0時(shí)，與上一位波形相反。DBPL信號(hào)解碼算法通過分析波形高低電平的持續(xù)時(shí)間，判斷本碼元是否與上一碼元波形一致。測(cè)試C1接口的平均數(shù)據(jù)傳輸速率必須抓取超過一定數(shù)據(jù)量(1 500 bit)的波形原始信號(hào)，然后按照DBPL解碼算法才能將該原始信號(hào)承載的數(shù)據(jù)解析出來。

圖6 差分雙向差分電平編碼

通過統(tǒng)計(jì)1 500 bit數(shù)據(jù)的原始信號(hào)時(shí)間長(zhǎng)度得出傳輸速率，在虛擬儀器上該模塊工作前面板如圖7所示。

圖7 C1接口速率測(cè)試結(jié)果顯示

3.2 C1、C6信號(hào)幅值及頻率測(cè)試模塊

該測(cè)試模塊的功能是計(jì)算出C1、C6信號(hào)的峰峰值及C6信號(hào)的頻率。由于C1、C6信號(hào)是疊加在一起輸出的，從波形上看C6信號(hào)是周期性的正弦波，而C1信號(hào)是無周期性的方波信號(hào)。在保持LEU整體結(jié)構(gòu)不變的情況下，該測(cè)試模塊先利用外部電路將C1信號(hào)分離出來轉(zhuǎn)換為方波，再反饋給輸入端，與原始信號(hào)一同采集。此時(shí)兩路信號(hào)是同步且共享時(shí)間軸，見圖8。測(cè)試模塊通過方波脈沖定位C1信號(hào)的碼元，又經(jīng)過計(jì)算得出各個(gè)碼元的極值。這種利用0、1碼元的差值確定C1信號(hào)的峰峰值的方法，可以多次迭代分析大量波形數(shù)據(jù)求取最大值。

圖8 C1、C6信號(hào)的波形與相位

由于C6信號(hào)為周期正弦信號(hào)，測(cè)試模塊可以調(diào)用Labview內(nèi)嵌的提取單頻信息子VI，通過帶Hanmming窗的快速傅里葉變換(FFT)算法可以方便快捷地分析出C6信號(hào)的周期、頻率和幅值等必要參數(shù)。

得到C1、C6信號(hào)的基本特征后，C接口復(fù)合信號(hào)的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)就有了判定基礎(chǔ)。經(jīng)過分析處理，測(cè)試結(jié)果顯示在前面板，采集到的波形顯示在面板中部，并可用游標(biāo)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行人工擬合。如圖9所示。

圖9 C接口復(fù)合信號(hào)分析面板

3.3 S接口測(cè)試模塊設(shè)計(jì)

硬件使用PXIe-8431串口通信接口板卡。軟件使用Labview圖形語言編程。在其中調(diào)用VISA函數(shù)模塊設(shè)置串口參數(shù)。S接口的調(diào)試軟件可以選擇多路不同應(yīng)答器報(bào)文，按協(xié)議規(guī)范，通過S接口發(fā)送至LEU設(shè)備；每一路報(bào)文可以自由更換內(nèi)容及報(bào)文切換時(shí)間；顯示及記錄報(bào)文發(fā)送內(nèi)容；記錄LEU設(shè)備通信狀態(tài)等功能。

4 測(cè)試實(shí)例

以LKY1.LEU型LEU整機(jī)測(cè)試為例。使用本套基于虛擬儀器技術(shù)研發(fā)的地面電子單元自動(dòng)測(cè)試平臺(tái)，各檢測(cè)程序模塊按功能順序以選項(xiàng)卡方式從左到右依次切換。步驟如下：

步驟一，使用S接口測(cè)試模塊，模擬LEU和上位機(jī)通信的環(huán)境，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)S接口通信狀態(tài)。期間可以更換傳輸報(bào)文內(nèi)容，工作正常則綠燈亮。

步驟二，打開C1接口數(shù)據(jù)傳輸速率測(cè)試模塊。注意面板右側(cè)信息顯示，軟件會(huì)自動(dòng)計(jì)算信號(hào)的傳輸速率、核對(duì)報(bào)文內(nèi)容，若兩者均正確，如圖7所示，綠燈亮起。

步驟三，使用C1信號(hào)幅值、C6信號(hào)幅值及頻率測(cè)試模塊，對(duì)C接口復(fù)合信號(hào)的各個(gè)指標(biāo)進(jìn)行再確認(rèn)，測(cè)試結(jié)果顯示在面板右側(cè)，采集到的波形顯示在面板中部，可以使用游標(biāo)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行人工復(fù)合，如果測(cè)試合格，綠燈亮，如圖9所示。

最后，將選項(xiàng)卡切換到測(cè)試結(jié)果一欄，檢測(cè)結(jié)果會(huì)顯示在測(cè)試記錄表格內(nèi)。如果左上角的綠燈亮，則表示該LEU設(shè)備性能全部達(dá)標(biāo)，如圖10所示。

圖10 測(cè)試結(jié)果顯示前面板

5 結(jié)論

由于目前我國(guó)鐵路信號(hào)對(duì)地面電子單元整機(jī)檢測(cè)尚無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，制造廠家和驗(yàn)收單位對(duì)設(shè)備成品檢定的方法也各自為政。CRCC認(rèn)證試驗(yàn)中一般采用屏蔽其他接口硬件輸出的情況下對(duì)某單一接口進(jìn)行測(cè)量，此方法不適用于設(shè)備批量檢測(cè)。本測(cè)試平臺(tái)把先進(jìn)的虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用到檢測(cè)中，對(duì)地面電子單元做整機(jī)成品綜合性能檢驗(yàn)，在不屏蔽其他接口輸出的情況下，可以完成對(duì)單一接口信號(hào)參數(shù)的檢測(cè)，檢驗(yàn)精度和工作效率都收到了明顯的效果。相信隨著測(cè)試技術(shù)的不斷深入和大范圍的推廣應(yīng)用，其在高鐵信號(hào)設(shè)備品質(zhì)檢驗(yàn)、產(chǎn)品質(zhì)量把關(guān)方面發(fā)揮越來越大的作用。