高曉燕,丁國君

(1.河北交通職業(yè)技術學院，河北 石家莊 050035；2.北京交通大學 電氣工程學院，北京 100044)

我國已逐步掌握動車組制動系統(tǒng)作為列車運行安全的關鍵核心技術，但是由于國產化時間不長，制動系統(tǒng)的關鍵控制設備制動控制單元在實際運行中出現(xiàn)故障的次數(shù)較多，影響了列車的安全穩(wěn)定運行[1]。目前對制動控制單元的檢測集中于整體檢測，一旦設備存在故障，無法定位故障電路位置而增加維修成本和影響列車正常運行。為了能夠迅速對制動控制單元進行狀態(tài)檢測和故障定位，開發(fā)快速智能化的制動控制單元電路板自動檢測系統(tǒng)是十分必要和緊迫的。

借鑒目前集成測試和虛擬儀器的先進設計思想，通過編寫應用軟件，部分取代傳統(tǒng)儀器來實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據的采集與分析已成為可能[2]。目前，國內外許多公司推出了功能強大的計算機測試系統(tǒng)，品種較多，但價格相對昂貴，對特定研究對象而言，檢測與診斷的針對性不強[3]。因此研制開發(fā)了高集成度、智能化的適合于制動控制單元的單板自動化檢測系統(tǒng)，便于定位故障回路，同時適用于大批量生產產品的出廠檢測和維護維修。

根據動車組制動控制單元的工作性能和測試要求，本文以電流傳感器技術和虛擬儀器為開發(fā)平臺，從系統(tǒng)框架、硬件和軟件設計三部分對該系統(tǒng)進行詳細的闡述與分析，并進行了現(xiàn)場實際測試，驗證了系統(tǒng)的可行性和實用性。

1 系統(tǒng)整體結構及原理

制動控制單元是動車組制動系統(tǒng)的核心控制設備，在制動系統(tǒng)中擔負著制動力計算、電空制動演算控制、防滑控制、空壓機控制、通信、監(jiān)控及故障處理等任務。制動控制單元主要由CPU主板、接口板、防滑板、電源板等電路板組成，各電路板間的連接器采用扁平電纜線連接。

自動化測試系統(tǒng)實現(xiàn)動車組制動控制單元單板導通測試、功能測試和特性測試等功能。測試時，從被試板處輸入測試信號，通過信號調理電路，PXI數(shù)據采集卡對信號進行采樣處理，然后由嵌入式計算機進行自動化測試分析，并實時顯示、存儲和打印測試結果。通過自動測試，可定位到故障回路；通過手動試驗，可對單板進行手動單項測試，進一步確定故障位置及發(fā)生故障的元器件。測試系統(tǒng)的整體結構如圖1所示。

圖1 測試系統(tǒng)框圖

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 主控制器及板卡選型

嵌入式計算機是測試系統(tǒng)的核心，自動化測試系統(tǒng)是以PXI嵌入式控制器為核心,并結合PXI測試板卡,給被測板提供激勵信號，并將被測板的響應輸出信號采集并傳回計算機進行處理。系統(tǒng)的硬件結構圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件結構圖

根據測試的需求，選用PXI-8108高性能嵌入式控制器作為系統(tǒng)控制器，采用PXI-4070數(shù)字萬用表板卡、PXI-6528數(shù)字I/O板卡、PXI-6602 PWM產生及采集板卡、PXI-6723和PXI-6220多功能數(shù)據采集板卡等對輸入輸出信號進行采集處理。信號調理板在對PXI系統(tǒng)與被測電路板之間進行接口轉換的同時還有完成對PXI系統(tǒng)輸入輸出信號調理的任務，以滿足被測電路板的實際工作需要和與采集板卡信號類型匹配。

2.2 電流傳感器

針對CPU主板在進行EP閥功能測試時，需要對制動控制單元輸出的0～700 mA電流進行測量，但是PXI模擬輸入采集板卡是量程 0～5 V電壓輸入,因此需要采用電流傳感器進行電流電壓轉換。但是傳統(tǒng)的電流傳感器的靈敏度比較低，輸出信號有偏置電壓和噪聲,對于處理電路要求高,系統(tǒng)成本高[4]。測試系統(tǒng)采用北京森社電子的電流變送器 (宇波模塊)CHS-1AD/V0。宇波模塊采用霍爾傳感器的工作原理(如圖3所示)，是一種先進的能隔離主回路(原邊)與電子控制回路 (副邊)的電流變送器。其基本工作原理是磁平衡式的，即主電流回路所產生的磁場通過一個次級線圈的電流所產生的磁場進行補償，使霍爾元件始終處于檢測零磁通的工作狀態(tài)。具有體積小、功耗低、噪聲小、隔離效果好等優(yōu)點[5]。

3 系統(tǒng)軟件設計

自動化測試系統(tǒng)的軟件設計遵循模塊化設計原則，采用 LabVIEW軟件進行編程[6]，實現(xiàn)可視化實時顯示測試數(shù)據，給出測試結果，并能定位故障回路。測試軟件主要由電路板測試模塊、測試信息維護模塊和人機交互模塊組成，設計了包括底層設備驅動、測試過程管理控制、程序基本測試驅動以及數(shù)據管理等子軟件，并可自動生成報表，便于查詢與打印。軟件功能模塊框圖如圖4所示。

進入系統(tǒng)后，首先要對PXI采集板卡進行配置與自檢；然后根據測試需求進行測試模式選擇。如果是新類型的電路板，則需要在管理主數(shù)據功能中進行登記，并對測試項進行編輯，以完成本類型測試板的資源配置；然后執(zhí)行測試流程。如果測試結果顯示故障，則進行故障回路定位，輸出測試報表，釋放硬件資源占用，系統(tǒng)軟件的操作流程如圖5所示。

用戶可以根據測試需求選擇自動檢測和手動檢測兩種測試方案。在試驗過程中，測試軟件會自動記錄故障類型。系統(tǒng)在試驗完成后彈出提示框，并標記電路故障，用戶可以選擇進行下一項檢測，或者結束測試，進行維修。

4 實際測試分析

圖3 宇波模塊工作原理圖

圖4 軟件功能模塊框圖

圖5 電路板測試流程圖

以拖車CPU電路板在空車情況下EP電流測試為例，對工作正常和發(fā)生故障的CPU板進行分析對比。根據制動控制單元設計要求,EP電流輸出允許誤差為±15mA。圖6(a)所示為無故障CPU板在快速制動下制動控制單元輸出EP電流；圖6(b)為發(fā)生故障CPU板在快速制動下輸出EP電流；然后由手動單路測試確定是CPU板的AS1和AS2壓力輸入采集回路發(fā)生故障，導致輸出EP電流偏低。試驗結果證明了宇波模塊和測試系統(tǒng)的可靠性和準確性。

圖6 EP電流測試結果對比

根據集成測試和虛擬儀器的先進設計思想，開發(fā)了電路板自動化測試系統(tǒng)。整個測試系統(tǒng)集成度高、自動化程度高、擴展性強，充分體現(xiàn)了虛擬儀器的優(yōu)勢，功能擴展靈活、系統(tǒng)維護方便，具有良好的應用前景。

[1]陳戰(zhàn)勝.CRH2型動車組BCU故障原因及處理和應急措施[J].河南科技,2008(9):315-318.

[2]張琪,侯加林,閆銀發(fā),等.基于虛擬儀器的電路板故障檢測與診斷系統(tǒng)的研究[J].電子測量與儀器學報，2011,25(2):135-140.

[3]樊新海,戰(zhàn)軍,安鋼,等.裝甲車輛底盤關鍵部件綜合檢測系統(tǒng)研制[J].兵工學報,2009,30(7):849-852.

[4]郭軍,劉和平,劉平.基于大電流檢測的霍爾傳感器應用[J].傳感器與微系統(tǒng),2011,30（3）:142-145.

[5]郭清,王元昔.霍爾傳感器在直流電機轉速測量中的應用研究[J].傳感器與微系統(tǒng),2011,30（7）:54-56.

[6]李錚,苗曙光.基于 WSNs和 LabVIEW水溫控制系統(tǒng)的設計[J].傳感器與微系統(tǒng),2011,30（3）:118-120,124.