地面電子單元防雷試驗(yàn)自動(dòng)測(cè)試技術(shù)

王丁

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 通信信號(hào)研究所，北京 100081）

0 引言

地面電子單元（LEU）是鐵路信號(hào)點(diǎn)式應(yīng)答器傳輸系統(tǒng)［1-3］的關(guān)鍵設(shè)備，與有源應(yīng)答器［4-6］組合，構(gòu)成軌道交通列控系統(tǒng)［7-8］最前端的重要環(huán)節(jié)。由于LEU的產(chǎn)品特性［9］涉及鐵路信號(hào)系統(tǒng)安全［10］，因此對(duì)其認(rèn)證測(cè)試要求非常嚴(yán)格。作為應(yīng)答器傳輸系統(tǒng)中唯一跨越室內(nèi)、室外［11］連接的設(shè)備，LEU需要與室外有源應(yīng)答器進(jìn)行長(zhǎng)距離（最大2.5 km）有線通信，因此國(guó)家鐵路產(chǎn)品認(rèn)證中心（CRCC）規(guī)定LEU 必須進(jìn)行有關(guān)雷電防護(hù)試驗(yàn)［12］鑒定。2019 年5 月，國(guó)家鐵路局科技司規(guī)定，在包括列控系統(tǒng)等5 個(gè)系統(tǒng)的鐵路信號(hào)產(chǎn)品CRCC認(rèn)證中，開(kāi)始全面使用TB/T 3498—2018 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行防雷試驗(yàn)［13］，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定被試設(shè)備的所有端口均在其電纜芯線上施加雷電浪涌沖擊。由于信號(hào)設(shè)備端口設(shè)計(jì)時(shí)，一般有浪涌防護(hù)器件或者防護(hù)電路，當(dāng)端口受到雷擊、浪涌時(shí)，利用防護(hù)器件對(duì)地短路或泄流，可將外界輸入的電壓鉗位控制在一定范圍內(nèi)，避免后級(jí)電路的損壞，新的防雷試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：施加沖擊電壓的測(cè)試點(diǎn)是端口電纜芯線而非電纜屏蔽層，意味著浪涌雷擊時(shí)會(huì)觸發(fā)信號(hào)設(shè)備端口的防護(hù)器件，導(dǎo)致端口瞬時(shí)對(duì)地短接，期間端口的信號(hào)傳輸也會(huì)受到影響。

傳統(tǒng)LEU 設(shè)備防雷試驗(yàn)的測(cè)試環(huán)境搭建，需將車載應(yīng)答器傳輸模塊（BTM）［14］、有源應(yīng)答器在內(nèi)的整個(gè)應(yīng)答器傳輸系統(tǒng)設(shè)備都包括進(jìn)來(lái)，LEU 設(shè)備的狀態(tài)需要通過(guò)有源應(yīng)答器、BTM 等輔助設(shè)備的反饋間接判斷，但在試驗(yàn)中引入過(guò)多輔助設(shè)備會(huì)增加誤判風(fēng)險(xiǎn)。在此，分析傳統(tǒng)測(cè)試方法中存在的不足，并據(jù)此設(shè)計(jì)一套基于虛擬儀器技術(shù)的LEU 防雷試驗(yàn)自動(dòng)測(cè)試儀，實(shí)現(xiàn)直接采集信號(hào)并自動(dòng)判斷對(duì)比結(jié)果的功能，可替代試驗(yàn)中的輔助設(shè)備，從而降低誤判風(fēng)險(xiǎn)。

1 傳統(tǒng)防雷試驗(yàn)問(wèn)題分析

LEU設(shè)備防雷/電磁兼容［15］類試驗(yàn)的測(cè)試［16］環(huán)境見(jiàn)圖1，試驗(yàn)的輔助設(shè)備為有源應(yīng)答器、BTM設(shè)備［17］、監(jiān)控電腦，雷電信號(hào)直接注入LEU 和有源應(yīng)答器之間的C 接口信號(hào)電纜中，試驗(yàn)人員通過(guò)監(jiān)控電腦觀察BTM讀取到的有源應(yīng)答器報(bào)文，判斷LEU是否異常。

圖1 LEU設(shè)備防雷/電磁兼容［15］類試驗(yàn)測(cè)試環(huán)境

采集防雷試驗(yàn)中的沖擊電壓波形（見(jiàn)圖2），電壓快速上升至2 000 V 時(shí)開(kāi)始下降，其電壓波形變化符合GB/T 17627.1 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的10/700 μs 波形（測(cè)試脈沖上升時(shí)間為10 μs，持續(xù)時(shí)間為700 μs）［18］。由于設(shè)備處于高電壓狀態(tài)時(shí)，其內(nèi)部器件可能對(duì)臨近地線產(chǎn)生異常放電，進(jìn)而導(dǎo)致設(shè)備元器件損壞。為預(yù)防上述情況，通過(guò)防護(hù)器件對(duì)地泄放大功率沖擊信號(hào)，是鐵路信號(hào)產(chǎn)品較為常見(jiàn)的電磁兼容防護(hù)措施，不同廠家設(shè)計(jì)的產(chǎn)品，其保護(hù)器件泄放的電壓限值也不相同。LKY·LEU1-YH 型LEU 設(shè)備電壓鉗位后的沖擊電壓波形見(jiàn)圖3，經(jīng)過(guò)防護(hù)器件的泄放，沖擊電壓基本上被控制在150 V以下，超過(guò)150 V部分的電壓被削平。設(shè)定150 V的限值由3個(gè)方面綜合考慮而確定：（1）限值應(yīng)低于相應(yīng)元器件的耐壓值；（2）限值應(yīng)高于正常工作電壓；（3）在符合前2條的基礎(chǔ)上，可適當(dāng)提高限值電壓以增加大功率容量。

圖2 防雷試驗(yàn)電壓沖擊波形

圖3 防護(hù)器件保護(hù)后的防雷試驗(yàn)沖擊電壓波形

正常情況下，LEU 設(shè)備信號(hào)端口輸出的波形為連續(xù)不間斷信號(hào)（見(jiàn)圖4），當(dāng)端口承受雷電沖擊電壓時(shí)，由于設(shè)備的防護(hù)器件主動(dòng)對(duì)地泄放，使端口對(duì)地電阻瞬時(shí)下降，在泄放外界輸入干擾信號(hào)的同時(shí)也在短時(shí)間內(nèi)阻斷了信號(hào)的傳輸，被阻斷的信號(hào)見(jiàn)圖5。

圖4 LEU端口正常波形

圖5 防雷試驗(yàn)中被阻斷的信號(hào)波形

TB/T 3485—2017《應(yīng)答器傳輸系統(tǒng)技術(shù)條件》有關(guān)章節(jié)規(guī)定［19］：有源應(yīng)答器最多可以容忍341 bit 無(wú)效數(shù)據(jù)（或信號(hào)中斷超過(guò)341 bit 對(duì)應(yīng)的時(shí)間），當(dāng)無(wú)效數(shù)據(jù)超過(guò)這個(gè)限值后，有源應(yīng)答器便會(huì)轉(zhuǎn)為發(fā)送其自身存儲(chǔ)的默認(rèn)報(bào)文，并且只要BTM 提供的射頻能量信號(hào)能夠維持應(yīng)答器工作，即使LEU 的C 接口信號(hào)恢復(fù)正常，有源應(yīng)答器也會(huì)繼續(xù)發(fā)送默認(rèn)報(bào)文，直至能量信號(hào)無(wú)法維持應(yīng)答器工作。上述規(guī)定的目的在于：防止當(dāng)列車正在讀取有源應(yīng)答器報(bào)文時(shí)，因LEU和有源應(yīng)答器之間的鏈路異常導(dǎo)致讀取過(guò)程中報(bào)文出現(xiàn)變化，該規(guī)定符合故障導(dǎo)向安全的原則。LEU的C接口標(biāo)準(zhǔn)通信速率為564.480 kbit/s，按此計(jì)算341 bit數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間為：

T=341×約為604 μs。防雷試驗(yàn)中，若要將作為干擾信號(hào)注入的10/700 μs 沖擊電壓波形中大于150 V的部分削去，則防護(hù)器件作用時(shí)間至少要超過(guò)1 500 μs，超出了錯(cuò)誤數(shù)據(jù)容忍范圍，并且按TB/T 3485—2017《應(yīng)答器傳輸系統(tǒng)技術(shù)條件》的規(guī)定，有源應(yīng)答器內(nèi)部芯片需要依賴C接口內(nèi)的8.82 kHz信號(hào)提供電源，信號(hào)中斷時(shí)間過(guò)長(zhǎng)可能導(dǎo)致芯片掉電。綜合上述原因，如在防雷試驗(yàn)中采用防護(hù)器件對(duì)超過(guò)150 V 以上沖擊電壓進(jìn)行防護(hù)，就一定會(huì)導(dǎo)致有源應(yīng)答器進(jìn)入異常狀態(tài)（發(fā)送默認(rèn)報(bào)文模式），而由于試驗(yàn)環(huán)境中有源應(yīng)答器位于BTM 天線下方，始終處于BTM 天線發(fā)射的能量信號(hào)作用范圍內(nèi)，因此試驗(yàn)中有源應(yīng)答器一旦進(jìn)入發(fā)送默認(rèn)報(bào)文狀態(tài)便無(wú)法恢復(fù)，除非關(guān)閉BTM，待有源應(yīng)答器恢復(fù)后再打開(kāi)BTM，但卻無(wú)法連續(xù)監(jiān)控報(bào)文變化情況。由于LEU 的防雷試驗(yàn)重點(diǎn)在于測(cè)試LEU 設(shè)備端口對(duì)于沖擊電壓的耐受性而非輔助設(shè)備的耐受性，且合格要求為A 級(jí)，若因?yàn)橛性磻?yīng)答器（試驗(yàn)輔助設(shè)備）特性而導(dǎo)致誤判，則會(huì)影響測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此，有必要研究并采用一種更為準(zhǔn)確的LEU防雷試驗(yàn)測(cè)試方法。

2 基于虛擬儀器技術(shù)的防雷試驗(yàn)

使用虛擬儀器技術(shù)設(shè)計(jì)一種防雷試驗(yàn)自動(dòng)測(cè)試儀器，其主要目的是簡(jiǎn)化試驗(yàn)過(guò)程中的輔助設(shè)備以消除誤判風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)防雷試驗(yàn)自動(dòng)測(cè)試儀，LEU的C接口輸出信號(hào)可直接由自動(dòng)測(cè)試儀器進(jìn)行采集，采集后直接在虛擬儀器后臺(tái)進(jìn)行解碼運(yùn)算得出報(bào)文信息，無(wú)需通過(guò)車載BTM 設(shè)備間接讀取有源應(yīng)答器報(bào)文，該方法可避免試驗(yàn)中使用輔助設(shè)備間接讀取報(bào)文信息帶來(lái)的問(wèn)題，而測(cè)試環(huán)境中有源應(yīng)答器也可使用耐高壓且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的水泥電阻替代。

將LEU 的信號(hào)輸出端口直接連接到水泥電阻上，虛擬儀器設(shè)備可利用三通接頭或BNC 探頭采集水泥電阻上的電壓信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算分析，以水泥電阻替代應(yīng)答器可避免試驗(yàn)過(guò)程中因應(yīng)答器故障而導(dǎo)致的誤判。使用虛擬儀器技術(shù)搭建LEU 防雷試驗(yàn)系統(tǒng)見(jiàn)圖6。由圖1、圖6 對(duì)比可見(jiàn)，使用虛擬儀器后搭建的試驗(yàn)環(huán)境得到明顯簡(jiǎn)化。

圖6 使用虛擬儀器技術(shù)搭建LEU防雷試驗(yàn)系統(tǒng)

3 防雷試驗(yàn)自動(dòng)化測(cè)試儀軟硬件設(shè)計(jì)

由于防雷試驗(yàn)中需要每隔2 s 實(shí)時(shí)讀取1 次應(yīng)答器中的數(shù)據(jù)，所以使用虛擬儀器的主要原因之一是：借助其內(nèi)部的PXI 高速總線，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析。雖然利用USB、網(wǎng)線配合示波器也可采集數(shù)據(jù)，但難以做到實(shí)時(shí)分析，其單次數(shù)據(jù)傳輸耗時(shí)數(shù)十秒，數(shù)據(jù)傳輸完畢再由上位機(jī)后臺(tái)程序運(yùn)算分析，效率低下，難以滿足認(rèn)證試驗(yàn)的要求。

引入功能強(qiáng)大的NI虛擬儀器設(shè)備作為自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備的硬件基礎(chǔ)，此類設(shè)備帶有PXI高速總線，可實(shí)時(shí)對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行后臺(tái)運(yùn)算分析，后臺(tái)軟件使用Lab-VIEW［20］作為編程語(yǔ)言，時(shí)域信號(hào)采集板卡集成在其機(jī)箱內(nèi)部，編程時(shí)可直接利用其系統(tǒng)自帶的驅(qū)動(dòng)，將采集到的信號(hào)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為一維、二維數(shù)組格式，配合信號(hào)采樣率設(shè)置，對(duì)輸入的差分雙向電平編碼（DBPL）信號(hào)進(jìn)行解碼操作。防雷試驗(yàn)自動(dòng)測(cè)試設(shè)備主體帶有PXI高速總線的機(jī)箱，其中包括采集和運(yùn)算2塊板卡及1個(gè)高壓探頭。試驗(yàn)時(shí)，受試LEU設(shè)備將信號(hào)端口連接到水泥電阻上，由水泥電阻充當(dāng)負(fù)載，而NI機(jī)箱集成的信號(hào)采集板卡通過(guò)將高壓探頭并聯(lián)在水泥電阻兩端，采集電阻上的電壓信號(hào)（見(jiàn)圖7）。

圖7 防雷試驗(yàn)自動(dòng)測(cè)試儀結(jié)構(gòu)

LEU 的C 接口信號(hào)為“C1”“C6”2 個(gè)接口疊加的復(fù)合信號(hào)，按TB/T 3485—2017《應(yīng)答器傳輸系統(tǒng)技術(shù)條件》規(guī)定：C 接口信號(hào)中“C1”信號(hào)的峰峰值電壓Vpp應(yīng)為14～18 V，“C6”信號(hào)的幅值為20～23 V，2 路信號(hào)疊加后C 接口復(fù)合信號(hào)的Vpp范圍為34.0～40.5 V。典型的C 接口復(fù)合信號(hào)Vpp為38.6 V（見(jiàn)圖8）。NI-PXI-5142 時(shí)域信號(hào)采集板卡具有14 位AD 采樣分辨率，輸入電壓范圍為±50 V，為保護(hù)設(shè)備，在防雷試驗(yàn)中可采用高壓探頭對(duì)C接口電纜芯線的傳輸信號(hào)進(jìn)行采集，探頭的衰減量設(shè)置為50∶1即可保護(hù)后級(jí)設(shè)備。

自動(dòng)測(cè)試設(shè)備從水泥電阻上采集到的LEU輸出信號(hào)（見(jiàn)圖8）為正弦波與方波信號(hào)疊加組成的混合信號(hào)，由于混合信號(hào)無(wú)法進(jìn)行解調(diào)譯碼，需要對(duì)其進(jìn)行數(shù)字濾波處理，濾波后的信號(hào)見(jiàn)圖9，此時(shí)混合信號(hào)中的正弦波被濾除，只保留方波信號(hào)，該方波的編碼方式見(jiàn)圖10，電平由高轉(zhuǎn)低為A相，反之為B相，當(dāng)相發(fā)生變化時(shí)代表bit“0”，沒(méi)有變化時(shí)代表bit“1”。后臺(tái)解碼程序的邏輯可根據(jù)上述編碼方法設(shè)計(jì)，該自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)采用較為簡(jiǎn)單的過(guò)零點(diǎn)判斷方式進(jìn)行，后臺(tái)解碼程序見(jiàn)圖11。

圖8 LEU端口輸出信號(hào)

圖9 對(duì)混合信號(hào)進(jìn)行濾波處理后的信號(hào)

圖10 差分雙相電平編碼

圖11 后臺(tái)解碼程序

4 防雷試驗(yàn)自動(dòng)化測(cè)試實(shí)現(xiàn)

防雷試驗(yàn)中將制作好的水泥電阻連線與LEU 信號(hào)端口連接，自動(dòng)測(cè)試設(shè)備使用2個(gè)探頭分別連接水泥電阻兩端，2個(gè)探頭地線短接，后臺(tái)使用差分方式算出波形，也可直接使用高壓探頭采集水泥電阻上的電壓波形信號(hào)。

試驗(yàn)中可利用防雷自動(dòng)測(cè)試設(shè)備集成的串口通信功能，用RS422 串口直接向LEU 傳輸報(bào)文信息以模擬TCC 通信環(huán)節(jié)，或者直接在報(bào)文對(duì)比對(duì)話框中輸入需要對(duì)比的報(bào)文內(nèi)容，省略模擬通信環(huán)節(jié)。自動(dòng)測(cè)試設(shè)備每間隔2 000 ms 對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行1 次譯碼運(yùn)算，運(yùn)算時(shí)首先將雙向差分電平信號(hào)翻譯為0、1 bit 數(shù)據(jù)，隨后再將該數(shù)據(jù)翻譯為1 023 bit報(bào)文，報(bào)文內(nèi)容在后臺(tái)與模擬通信界面發(fā)送的報(bào)文進(jìn)行對(duì)比，其結(jié)果會(huì)顯示在相應(yīng)對(duì)話框中（見(jiàn)圖12）。

圖12 防雷自動(dòng)測(cè)試設(shè)備信號(hào)采集譯碼界面

5 結(jié)束語(yǔ)

使用虛擬儀器技術(shù)開(kāi)展防雷測(cè)試、認(rèn)證試驗(yàn)，可簡(jiǎn)化試驗(yàn)中輔助設(shè)備的運(yùn)用，消除由輔助設(shè)備引起的誤判，并通過(guò)提高測(cè)試設(shè)備的自動(dòng)化，降低試驗(yàn)中的人為因素，有利于提升認(rèn)證試驗(yàn)的科學(xué)性和權(quán)威性。隨著我國(guó)鐵路裝備事業(yè)的飛速發(fā)展，對(duì)各類型設(shè)備的認(rèn)證、測(cè)試、試驗(yàn)等標(biāo)準(zhǔn)的要求越來(lái)越高，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的研究也愈發(fā)深化，因此相應(yīng)的試驗(yàn)、測(cè)試技術(shù)也應(yīng)緊跟時(shí)代要求。隨著虛擬儀器測(cè)試技術(shù)的不斷進(jìn)步和推廣，防雷試驗(yàn)自動(dòng)測(cè)試技術(shù)在高鐵信號(hào)設(shè)備的認(rèn)證試驗(yàn)、產(chǎn)品檢測(cè)把關(guān)等方面將發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。