關(guān)曉曄，申宇燕，劉志杰，宋 娜

（中國鐵道科學(xué)研究院 機(jī)車車輛研究所，北京100081）

6A系統(tǒng)綜合試驗臺系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

關(guān)曉曄，申宇燕，劉志杰，宋 娜

（中國鐵道科學(xué)研究院 機(jī)車車輛研究所，北京100081）

從機(jī)車車載安全防護(hù)系統(tǒng)（簡稱6A系統(tǒng)）檢修現(xiàn)場運用實際需求出發(fā)，基于QNX操作系統(tǒng)，設(shè)計了用于檢測6A系統(tǒng)中央處理平臺、各子系統(tǒng)板卡以及外圍傳感器的6A系統(tǒng)綜合試驗臺，闡述了6A系統(tǒng)綜合試驗臺系統(tǒng)的總體方案設(shè)計，詳細(xì)介紹了各檢測模塊檢測原理以及系統(tǒng)軟件設(shè)計與實現(xiàn)，概述了6A系統(tǒng)綜合試驗臺的測試內(nèi)容。實際應(yīng)用結(jié)果表明，6A系統(tǒng)綜合試驗臺具有很高的自動化水平和現(xiàn)場實用性。

6A系統(tǒng)；試驗臺；功能試驗；QNX操作系統(tǒng)

機(jī)車車載安全防護(hù)系統(tǒng)（簡稱6A系統(tǒng)：ABDR：Air Brake safety monitoring and Data Record system，制動監(jiān)測子系統(tǒng)；AFDR：Fire Alarm and Data Record system，防火監(jiān)測子系統(tǒng)；AGDR：Anti-Ground Detection system for Resistance of high voltage equipment，高壓絕緣檢測子系統(tǒng)；APDR：Appliances train Power Diagnosis and Record system，列車供電監(jiān)測子系統(tǒng)；ATDR：Advanced Truck Defect diagnosis and Record system，走行部監(jiān)測子系統(tǒng)；AVDR：Automatic Video Display and Record system，視頻監(jiān)控子系統(tǒng)。）是針對機(jī)車的高壓絕緣、防火、視頻、列車供電（以下簡稱列供）、空氣制動、走行部等危及安全的重要事項、重點部件和部位，采用實時檢測、監(jiān)視、報警，并可實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸、統(tǒng)一固態(tài)存儲和智能人機(jī)界面，經(jīng)整體研究設(shè)計而形成的平臺化安全防護(hù)裝置。

隨著6A系統(tǒng)車載裝置的批量安裝與正式投入運用，車載裝置各部件的檢測、檢修以及維護(hù)也逐步納入各鐵路局、機(jī)務(wù)段的日常工作?，F(xiàn)場運用中需要配備專門的地面檢測設(shè)備，綜合測試6A系統(tǒng)的各項功能與技術(shù)參數(shù)是否符合行業(yè)技術(shù)條件的要求。研制開發(fā)6A系統(tǒng)綜合試驗臺，可在檢修現(xiàn)場對6A系統(tǒng)中央處理平臺、各子系統(tǒng)板卡以及外圍傳感器的各項功能與技術(shù)參數(shù)進(jìn)行現(xiàn)場檢驗，實時存儲和顯示檢驗結(jié)果，并可實現(xiàn)檢驗結(jié)果打印功能。6A系統(tǒng)綜合試驗臺具有自動化程度高、檢測項目全面、實時性強(qiáng)、有良好的人機(jī)交互界面以及操作方便等特點，對于提高6A系統(tǒng)運行過程中的可靠性具有重大意義。

1 功能需求分析

6A系統(tǒng)綜合試驗臺通過實際物理量模擬和軟件模擬結(jié)合的方式，對6A系統(tǒng)中央處理平臺、各子系統(tǒng)板卡及外圍傳感器分別進(jìn)行測試，該試驗臺應(yīng)具備以下功能。

（1）中央處理平臺功能測試

中央處理平臺主要由電源、處理板卡、存儲板卡、交換板卡、音視頻顯示終端等組成。6A系統(tǒng)綜合試驗臺應(yīng)能根據(jù)中央處理平臺的功能要求，對中央處理平臺的功能進(jìn)行測試。中央處理平臺主要測試的內(nèi)容包括：

①子系統(tǒng)關(guān)聯(lián)診斷及分析功能

②向子系統(tǒng)發(fā)送公共信息功能

③網(wǎng)絡(luò)傳輸功能

④數(shù)據(jù)存儲功能

⑤數(shù)據(jù)下載功能

⑥播放6A系統(tǒng)語音報警功能

（2）子系統(tǒng)板卡功能測試

綜合試驗臺應(yīng)能對各子系統(tǒng)板卡的功能進(jìn)行測試，測試項目如表1所示。

表1 6A系統(tǒng)綜合試驗臺對各子系統(tǒng)板卡的測試項目

（3）子系統(tǒng)傳感器測試

6A系統(tǒng)綜合試驗臺應(yīng)能對各子系統(tǒng)的外圍傳感器進(jìn)行檢測，檢測方法與檢測內(nèi)容包括：

①提供空氣壓力對壓力變送器精度與功能進(jìn)行測試，②提供空氣流量對流量變送器精度與功能進(jìn)行測試，③提供直流電流對漏電流檢測模塊精度與功能進(jìn)行測試，④提供煙霧、高溫及火焰環(huán)境對防火子系統(tǒng)傳感器功能進(jìn)行測試。

（4）人機(jī)交互功能

6A系統(tǒng)綜合試驗臺應(yīng)提供友好的人機(jī)交互界面，用戶可以通過人機(jī)交互界面來控制綜合試驗臺測試程序?qū)?A系統(tǒng)的待測子系統(tǒng)進(jìn)行測試。在對6A系統(tǒng)中央處理平臺、各子系統(tǒng)板卡和各子系統(tǒng)傳感器進(jìn)行測試時，能夠?qū)崟r顯示采集到的數(shù)據(jù)以及各測試模塊故障信息。

（5）測試結(jié)果輸出

6A系統(tǒng)綜合試驗臺應(yīng)能實時打印輸出測試結(jié)果。

（6）測試結(jié)果存儲

6A系統(tǒng)綜合試驗臺應(yīng)能存儲各測試項目測試結(jié)果，存儲時間應(yīng)不少于1年。

2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

根據(jù)上述需求，設(shè)計用于6A系統(tǒng)中央處理平臺，各子系統(tǒng)板卡以及外圍傳感器功能測試的6A系統(tǒng)綜合試驗臺。

6A系統(tǒng)綜合試驗臺系統(tǒng)組成主要包括：一體機(jī)，網(wǎng)絡(luò)路由器、程控直流源、高壓絕緣檢測箱、氣壓模擬箱、火災(zāi)探測器、流量控制及采集模塊、壓力控制及采集模塊、存儲單元和打印單元等。其中一體機(jī)作為控制系統(tǒng)核心對整個測試過程進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)采集、處理及分析，并對測試結(jié)果進(jìn)行顯示、存儲和打印；網(wǎng)絡(luò)路由器用于一體機(jī)和6A主機(jī)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)通信；程控直流源用于產(chǎn)生0～300 m A直流電流，用于對漏電流檢測模塊的測試；高壓絕緣檢測箱能夠產(chǎn)生高壓絕緣板卡測試試驗所需的短路、開路、負(fù)載、外網(wǎng)有電和電鑰匙開外部環(huán)境；氣壓模擬箱用于產(chǎn)生制動板卡測試所需的模擬氣壓；火災(zāi)探測器用于產(chǎn)生防火探頭檢驗所需的煙霧、高溫或火焰外部環(huán)境；流量控制及采集模塊用于產(chǎn)生流量變送器測試所需的氣體流量，同時能夠采集流量變送器當(dāng)前檢測流量值并可以為制動板卡測試提供模擬流量值；壓力控制及采集模塊用于產(chǎn)生壓力變送器測試所需的氣體壓力，同時能夠采集壓力變送器當(dāng)前檢測壓力值；存儲模塊用于存儲測試結(jié)果數(shù)據(jù)；打印模塊用于測試結(jié)果打印。6A系統(tǒng)綜合試驗臺總體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

6A系統(tǒng)綜合試驗臺由主控試驗臺和部件試驗臺兩部分組成。主控試驗臺是6A系統(tǒng)綜合試驗臺的核心，承擔(dān)著測試流程的控制、測試數(shù)據(jù)的采集和分析、數(shù)據(jù)存儲顯示以及數(shù)據(jù)打印等功能。部件試驗臺主要為外圍傳感器測試提供模擬物理量，配合主控試驗臺完成對各子系統(tǒng)和外圍傳感器的測試。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)與關(guān)鍵技術(shù)

3.1 壓力控制及采集模塊

壓力變送器受到外部施加的氣體壓力其阻值會產(chǎn)生變化，外部施加電壓不變的情況下，其輸出電流和所受氣體壓力值成一定的函數(shù)關(guān)系，其原理框圖如圖2所示。一體機(jī)通過壓力控制及采集模塊施加標(biāo)準(zhǔn)壓力同時測量待測壓力變送器輸出電流值，然后根據(jù)公式將壓力變送器產(chǎn)生電流值轉(zhuǎn)換為壓力值。分別比較標(biāo)準(zhǔn)輸入壓力值和壓力變送器采集的壓力值，并計算誤差。通過多點測試及誤差分析來確定壓力變送器是否符合要求。

圖2 壓力變送器原理框圖

壓力控制及采集模塊主要由控制（MCU：Micro Control Unit，微控制單元），執(zhí)行結(jié)構(gòu)，壓力缸體及輸出機(jī)構(gòu)和壓力標(biāo)準(zhǔn)及數(shù)據(jù)采集裝置組成。一體機(jī)通過RS232接口和壓力控制及采集模塊的MCU通信，控制壓力控制及采集模塊產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)壓力值，一體機(jī)同時能通過壓力數(shù)據(jù)采集裝置采集壓力變送器測試壓力值。如圖3所示。

圖3 壓力控制及采集模塊原理框圖

3.2 流量控制及采集模塊

流量變送器受到外部氣體流量變化會輸出4～20 m A電流，外部電壓不變的情況下，其輸出電流和所受氣體流量成一定的函數(shù)關(guān)系。一體機(jī)通過RS232接口和壓力控制及采集模塊的MCU通信，控制流量控制及采集模塊輸出標(biāo)準(zhǔn)流量，同時采集待測流量變送器測量的電流值，然后根據(jù)公式將流量變送器測試的電流值轉(zhuǎn)換為流量值，就能計算出流量變送器測量值與標(biāo)準(zhǔn)輸入流量值的誤差。通過多點測試及誤差分析來確定流量變送器是否符合要求。

流量控制及采集模塊主要由控制MCU，驅(qū)動機(jī)構(gòu)，空氣流量輸出機(jī)構(gòu)和流量標(biāo)準(zhǔn)及數(shù)據(jù)采集裝置組成。一體機(jī)通過RS232接口和流量控制及采集模塊的MCU通信，控制流量控制及采集模塊產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)流量值，一體機(jī)同時能通過流量數(shù)據(jù)采集裝置采集流量變送器測試流量值。如圖4所示。

圖4 流量控制及采集模塊原理框圖

3.3 漏電流檢測模塊測試原理

一體機(jī)通過控制程控直流源向漏電流檢測模塊輸出0～300 m A電流值，漏電流檢測模塊將采集到的電流數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為485報文，一體機(jī)通過485總線和漏電流模塊進(jìn)行通信，獲取漏電流模塊檢測的漏電流值，并將該值與程控直流源輸出的標(biāo)準(zhǔn)電流值進(jìn)行比較，從而確定漏電流模塊是否符合要求，如圖5所示。

圖5 漏電流檢測模塊測試原理

3.4 高壓絕緣檢測箱

高壓絕緣板卡功能測試內(nèi)容及所需環(huán)境有短路測試試驗需要高壓絕緣板卡輸出端外接0Ω電阻；空載測試試驗需要高壓絕緣板卡輸出端外接1 kΩ電阻；負(fù)載測試試驗需要高壓絕緣板卡輸出端外接50Ω電阻；外圍有電測試試驗需要高壓絕緣板卡輸出端外接60 V交流；電鑰匙開測試試驗需要高壓絕緣板卡電鑰匙信號輸入110 V直流。

為了提供高壓絕緣板卡所需測試環(huán)境，高壓絕緣檢測箱主要由控制MCU，繼電器以及繼電器負(fù)載組成。一體機(jī)通過通信接口和高壓絕緣檢測箱MCU進(jìn)行通信，間接控制高壓絕緣檢測箱相應(yīng)繼電器的閉合和斷開，從而為高壓絕緣板卡測試提供所需測試環(huán)境，原理框圖如圖6所示。

3.5 子系統(tǒng)板卡測試原理

（1）制動子系統(tǒng)板卡測試

6A系統(tǒng)綜合試驗臺通過氣壓模擬箱為制動子系統(tǒng)板卡提供標(biāo)準(zhǔn)模擬壓力值，通過流量控制及采集模塊為折關(guān)子系統(tǒng)板卡提供標(biāo)準(zhǔn)模擬流量值。一體機(jī)通過采集制動子系統(tǒng)板卡當(dāng)前工作狀態(tài)以及板卡采集的壓力值和流量值，判斷和分析制動子系統(tǒng)板卡精度以及功能是否符合要求。

圖6 高壓絕緣檢測箱原理框圖

（2）列供子系統(tǒng)板卡測試

一體機(jī)通過485總線發(fā)送模擬列供信息至列供子系統(tǒng)板卡，同時采集列供子系統(tǒng)板卡當(dāng)前工作狀態(tài)以及板卡采集的列供信息，通過比較模擬輸入列供信息和列供子系統(tǒng)板卡輸出列供信息是否相同來判斷列供子系統(tǒng)板卡功能是否符合要求。

（3）高壓絕緣子系統(tǒng)板卡測試

一體機(jī)控制高壓絕緣檢測箱分別對高壓絕緣子系統(tǒng)板卡進(jìn)行短路試驗，開路試驗，負(fù)載試驗，外網(wǎng)有電試驗和電鑰匙開試驗，同時采集高壓絕緣子系統(tǒng)板卡工作狀態(tài)以及絕緣檢測值，通過測試結(jié)果分析來判斷高壓絕緣子系統(tǒng)板卡是否符合要求。

（4）防火子系統(tǒng)測試

利用火災(zāi)探測器對相應(yīng)的煙霧、溫度（簡稱：煙溫）復(fù)合探頭、高溫探頭、火焰探頭分別產(chǎn)生煙霧、高溫以及火焰環(huán)境，一體機(jī)采集防火子系統(tǒng)板卡的狀態(tài)信息和相應(yīng)探頭的報警信息，通過對測試結(jié)果進(jìn)行分析來判斷防火子系統(tǒng)板卡和探頭是否符合要求。

（5）視頻子系統(tǒng)測試

一體機(jī)采集視頻板卡當(dāng)前通信狀態(tài)和視頻通道的工作狀態(tài)，用戶通過查看攝像頭采集的視頻圖像以及板卡當(dāng)前工作狀態(tài)來判斷視頻板卡和攝像頭是否符合要求。

3.6 中央處理平臺測試原理

（1）子系統(tǒng)關(guān)聯(lián)診斷及分析功能檢測：通過6A系統(tǒng)防火子系統(tǒng)模擬防火監(jiān)控子系統(tǒng)的探頭報警，中央處理平臺音頻、視頻（簡稱：音視頻）顯示終端自動切換到該探頭所對應(yīng)的視頻通道。

（2）發(fā)送公共信息功能檢查：6A系統(tǒng)主機(jī)上電，一體機(jī)發(fā)送機(jī)車信息模擬報文，在中央處理平臺音視頻顯示終端上應(yīng)能觀察到主機(jī)廣播的車次、車號、速度、公里標(biāo)等內(nèi)容。

（3）傳輸、顯示、語音報警功能檢查：機(jī)箱內(nèi)插入中央處理平臺板卡及子系統(tǒng)板卡，6A系統(tǒng)主機(jī)上電，查看音視頻顯示終端界面，應(yīng)能觀察到子系統(tǒng)的監(jiān)測內(nèi)容。模擬一種監(jiān)測子系統(tǒng)故障，音視頻顯示終端應(yīng)能發(fā)出相應(yīng)的語音報警。

（4）存儲、下載功能檢查：使用已授權(quán)的空白移動存儲設(shè)備，連接處理板卡的USB接口，處理板卡面板的顯示屏上顯示下載進(jìn)度，下載完成后使用計算機(jī)查看USB移動存儲設(shè)備內(nèi)應(yīng)有數(shù)據(jù)文件。

3.7 QNX系統(tǒng)軟件設(shè)計

一體機(jī)操作系統(tǒng)平臺選用QNX操作系統(tǒng)，版本是6.5.0。QNX是業(yè)界公認(rèn)的X86平臺上最好的嵌入式實時操作系統(tǒng)之一。它具有獨一無二的微內(nèi)核實時平臺，建立在微內(nèi)核和完全地址空間保護(hù)基礎(chǔ)之上，實時、穩(wěn)定、可靠，已經(jīng)完成到Power PC、MIPS、ARM等內(nèi)核的移植，成為在國內(nèi)廣泛應(yīng)用的嵌入式實時操作系統(tǒng)。

QNX操作系統(tǒng)編程工具選用的是QNX Software Development Platform（簡稱QNX SDP）。QNX SDP是QNX操作系統(tǒng)軟件集成開發(fā)環(huán)境，有windows和linux下的不同版本，6A系統(tǒng)綜合試驗臺系統(tǒng)軟件開發(fā)選用windows下的“qnxsdp－6.5.0－201007091524－win32.exe”程序。

軟件總體設(shè)計原則：

（1）模塊化。要求每個測試子系統(tǒng)模塊盡量減少和其他測試子系統(tǒng)之間的耦合，單個測試子系統(tǒng)運行正常與否不影響其余的測試子系統(tǒng)正常運行。

（2）可擴(kuò)展性。對于整個軟件來說，可以方便的添加和刪減測試子系統(tǒng)模塊。

（3）簡潔性。人機(jī)交互界面操作簡潔、直觀，用盡量少的人工操作來實現(xiàn)子系統(tǒng)模塊的測試功能。

6A系統(tǒng)綜合試驗臺軟件架構(gòu)設(shè)計遵循平臺化、模塊化的設(shè)計思想，軟件整體設(shè)計采取分層結(jié)構(gòu)，軟件顯示界面結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖7所示。

圖7 6A系統(tǒng)綜合試驗臺軟件顯示界面結(jié)構(gòu)

3.8 人機(jī)操作界面的實現(xiàn)

Ph AB（Photon Application Builder）是QNX集成開發(fā)環(huán)境（QNX Momentics IDE）附帶的圖形界面編輯器。6A系統(tǒng)綜合試驗臺人機(jī)操作界面的設(shè)計主要在Ph AB中完成。Ph AB以類的方式定義每一個控件，控件的總父類為Pt Widget。每個控件類由多個不同的資源（resources）來定義，以資源的方式定義控件類提高了控件編輯的效率。QNX提供了多個函數(shù)對控件的資源進(jìn)行讀寫操作，常用到的如PtSet Resources（）和Pt Get Rosources（）就是對控件類的單個或多個資源進(jìn)行讀寫操作的函數(shù)。

用戶可通過人機(jī)操作界面對6A系統(tǒng)中央處理平臺、各子系統(tǒng)板卡以及外圍傳感器進(jìn)行測試，6A系統(tǒng)綜合試驗臺人機(jī)界面如圖8～圖10所示。

圖8 試驗臺傳感器測試界面顯示效果

3.9 數(shù)據(jù)存儲、顯示與打印

6A系統(tǒng)各板卡及傳感器都由唯一的串號（s/n）標(biāo)志，測試結(jié)果存儲文件名以測試對象的串號命名，測試結(jié)果以純文本方式進(jìn)行存儲，便于測試結(jié)果讀取和打印。QNX系統(tǒng)打印功能是由spooler工具提供的，spooler工具可以驅(qū)動打印機(jī)，創(chuàng)建打印任務(wù)池，控制打印機(jī)執(zhí)行打印任務(wù)。

用戶查看之前的測試內(nèi)容只需要選擇相應(yīng)串號的測試結(jié)果存儲文件，然后點擊顯示測試結(jié)果按鍵即可查看相應(yīng)測試結(jié)果，點擊打印測試結(jié)果按鍵即可打印相應(yīng)測試結(jié)果。測試結(jié)果查詢與打印界面如圖11所示。

圖9 試驗臺板卡測試界面顯示效果

圖10 中央處理平臺測試界面

圖11 測試結(jié)果查詢與打印界面

4 系統(tǒng)功能驗證

在安全監(jiān)測試驗室中運用6A系統(tǒng)綜合試驗臺對HXD2C型機(jī)車安裝的6A系統(tǒng)壓力變送器、流量變送器、漏電流模塊、制動板卡、列供板卡、高壓絕緣箱、防火探頭、防火板卡、視頻攝像頭、視頻板卡、中央處理平臺、存儲功能以及打印功能進(jìn)行測試，測試結(jié)果如表2所示，達(dá)到了設(shè)計要求。

表2 試驗臺對HXD2C型機(jī)車所用6A系統(tǒng)進(jìn)行測試的結(jié)果

5 結(jié)束語

介紹了6A系統(tǒng)綜合試驗臺的研制目的、系統(tǒng)設(shè)計、實現(xiàn)方法、系統(tǒng)集成調(diào)試和測試結(jié)果等。該試驗臺根據(jù)6A系統(tǒng)中央處理平臺，子系統(tǒng)板卡以及外圍傳感器的日常檢修需求，以QNX操作系統(tǒng)為核心，針對每個部件的測試功能需求，設(shè)計實現(xiàn)了自動化測試所需的硬件、軟件。6A系統(tǒng)綜合試驗臺應(yīng)用及測試表明該試驗臺系統(tǒng)設(shè)計合理，運行穩(wěn)定，操作簡便，可以為6A系統(tǒng)地面測試和檢修提供支持。

［1］ 鐵運函［2011］737號.機(jī)車車載安全防護(hù)系統(tǒng)（6A系統(tǒng)）總體暫行技術(shù)條件［S］.

［2］ 鐵運［2012］227號.鐵道部關(guān)于印發(fā)機(jī)車車載安全防護(hù)系統(tǒng)（6A系統(tǒng)）中央處理平臺及6個子系統(tǒng)暫行技術(shù)條件的通知［S］.

［3］ JJG882－2004.壓力變送器檢定規(guī)程［S］.

Design and Implementation of Integrated Test-bed for 6A System

GUAN Xiaoye，SHEN Yuyan，LIU Zhijie，SONG Na
（Locomotive＆Car Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China）

According to the actual testing needs of the locomotive safety protection system（abbreviation：6A），based on QNX operating system，an integrated test-bed is designed in this paper，which is used for the testing of the central processing platform，the child system boards and peripheral sensors of 6A system.The overall design of the system is expounded，including the principle and the software design and implementation of testing modules.The test content of the integrated test-bed is introduced.Practical implementation has proved that the integrated test-bed has a high level of automation and practicability.

6A system；test-bed；function test；QNX operating system

U260.14＋6

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.03.22

1008－7842（2014）03－0088－06

0—）女，助理研究員（

2014－01－07）