王 丁

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

隨著我國高速鐵路的不斷發(fā)展,點(diǎn)式應(yīng)答器設(shè)備[1]在列控系統(tǒng)[2-3]中得到了廣泛應(yīng)用。應(yīng)答器傳輸模塊(BTM)[4]作為列控車載關(guān)鍵控制設(shè)備,其各項技術(shù)指標(biāo)的可靠性對列車運(yùn)行的安全[5]具有重大影響。

目前國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)中對BTM抗干擾[6-7]能力的測試只在電磁兼容試驗(yàn)中有所體現(xiàn),而電磁兼容測試只關(guān)注在試驗(yàn)過程中設(shè)備是否正常工作,對于期間設(shè)備受到干擾后性能是否下降以及下降程度并不進(jìn)行測試和比對。于是,各廠家依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)對設(shè)備進(jìn)行出廠檢測時容易忽略設(shè)備在信號受干擾條件下譯碼能力發(fā)生的變化。

隨著BTM設(shè)備大量裝備和長期運(yùn)用,各鐵路局BTM設(shè)備出現(xiàn)功能異常及故障頻度有上升的趨勢。經(jīng)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)多數(shù)故障源于設(shè)備受外界干擾[8-9]導(dǎo)致應(yīng)答器報文譯碼失敗。

針對此種情況,本研究利用虛擬儀器技術(shù)[10]把此項檢測和設(shè)備各項例行檢測結(jié)合在一起,形成一個測試平臺,實(shí)現(xiàn)自動化操作。這個技術(shù)方案對BTM設(shè)備品質(zhì)的提高很有意義。

對于BTM設(shè)備的批量化檢測,由于同時涉及射頻信號檢測、模擬信號檢測、數(shù)字通信接口測試等環(huán)節(jié),傳統(tǒng)人工測試方式存在如下缺陷。(1)人工判斷測試結(jié)果,費(fèi)時多,周期長,效率低下；(2)測試中的不同環(huán)節(jié),各自使用不同設(shè)備,圖表和數(shù)據(jù)無法統(tǒng)一記錄,后續(xù)追溯相對困難；(3)測試需要在多個設(shè)備之間切換,校準(zhǔn)復(fù)雜,操作繁瑣。由于人工測試方式存在上述缺陷,若增加BTM設(shè)備抗干擾門限測試項目，則會大大增加測試人員工作量。以人工為主的檢測模式已經(jīng)不能適應(yīng)我國當(dāng)前的鐵路信號系統(tǒng)裝備制造標(biāo)準(zhǔn)化、智能化發(fā)展的需求。

本文針對這些實(shí)際情況,介紹利用LabVIEW虛擬儀器[11]技術(shù)搭建BTM自動化測試平臺,可實(shí)現(xiàn)：(1)模擬上位機(jī)通信解析BTM設(shè)備狀態(tài)信息及BTM上傳的應(yīng)答器報文內(nèi)容；(2)自動向BTM發(fā)送不同參數(shù)的FSK信號,模擬應(yīng)答器報文,并能夠根據(jù)測試序列將干擾信號混疊入應(yīng)答器報文信號中測試設(shè)備抗干擾性能；(3)自動判斷報文是否正確接收；(4)自動測量并判斷BTM功放輸出功率、諧波是否符合要求；(5)將測試數(shù)據(jù)、圖表及判斷結(jié)果統(tǒng)一記錄保存,以供后續(xù)追溯。

1 應(yīng)答器傳輸模塊(BTM)測試概述

BTM設(shè)備出廠測試采用黑盒測試[12]的方式,主要針對3個接口,分別是：

接口A1,地面應(yīng)答器以射頻方式向BTM天線單元傳輸應(yīng)答器報文信息的接口；

接口A4,是天線單元向地面應(yīng)答器傳輸射頻能量的接口,用以激活應(yīng)答器工作；

接口B,BTM與車載主機(jī)單元之間的接口。用于BTM向車載主機(jī)單元傳輸上行鏈路的數(shù)據(jù)和信息,并接收車載主機(jī)單元發(fā)送的數(shù)據(jù)和信息。各接口間的對應(yīng)關(guān)系如圖1所示。

圖1 BTM設(shè)備接口對應(yīng)關(guān)系

實(shí)際操作中,由于涉及數(shù)字通信測試、射頻信號測試及模擬信號測試,每個測試又需要使用獨(dú)立的儀器設(shè)備,若沒有自動化集成化的測試平臺協(xié)助,測試人員往往需要反復(fù)操作不同設(shè)備,無論是人工核對應(yīng)答器報文還是判斷波形信號各項參數(shù),操作繁瑣且易出錯,工作效率明顯低下。

2 自動化測試平臺設(shè)計

選用NI公司的 PXIe-1085[13]型機(jī)箱及相關(guān)采集板卡作為測試平臺的核心設(shè)備。該設(shè)備不僅具有通用PXI/PXIe總線[14-15]硬件平臺,還具有LabVIEW 軟件平臺[16],可以在硬件測試的同時,通過LabVIEW圖形化編程語言實(shí)時調(diào)用PXI-1085測試箱各外圍功能板卡,分析和處理板卡采集到的數(shù)據(jù)。實(shí)現(xiàn)測試平臺和測試工作的集成化。該系統(tǒng)硬/軟件設(shè)計如圖2(a)、圖2(b)所示。

圖2 測試平臺的軟/硬件設(shè)計

信號的接收、采集、分析均在一個硬件電路系統(tǒng)中,由統(tǒng)一的LabVIEW指令序列實(shí)現(xiàn)對各板卡的硬件功能實(shí)時調(diào)用。圖3為測試配套一體化平臺儀器面板。

他們開始關(guān)注圖中不變的那個量，然后學(xué)生自然地發(fā)現(xiàn)兩個量的對應(yīng)的數(shù)的比值是不變的，從而對正比例的內(nèi)涵有更深的領(lǐng)悟。在這個整合之后的大的活動之下，學(xué)生充分思考，在交流中相互啟發(fā)，一個問題生發(fā)另一個問題，不斷地朝著學(xué)習(xí)目標(biāo)越走越近，抽象思維得到一定的發(fā)展。

圖3 PXIe-1085測試平臺儀器面板

3 應(yīng)答器傳輸模塊自動化測試的實(shí)現(xiàn)

BTM設(shè)備出廠整機(jī)測試,要求在盡量還原BTM在現(xiàn)場工作狀態(tài)的前提下測試其各個接口功能。通過LabVIEW開發(fā)的應(yīng)答器傳輸模塊自動測試平臺的用戶界面,各模塊間通過選項卡形式切換,測試前輸入測試人員姓名,完成后自動保存測試結(jié)果和圖像并生成測試報告。

3.1 測試平臺校準(zhǔn)模塊

測試開始需要對設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn),消除不同的信號衰減器或測試線纜的誤差。校準(zhǔn)通過比對信號發(fā)生器輸出強(qiáng)度和實(shí)際接收到的信號強(qiáng)度確定衰減系數(shù)。

3.2 報文傳輸測試模塊

報文傳輸模塊集成了BTM與上位機(jī)通信功能測試和射頻信號測試兩個部分,測試流程如圖4所示。

圖4 報文傳輸測試模塊流程

全部測試序列報文發(fā)送完畢后,軟件自動比對,若正確接收測試報文則亮綠燈,如圖 5所示。

圖5 報文傳輸測試面板

3.3 抗干擾性能測試模塊

根據(jù)實(shí)際維修經(jīng)驗(yàn),在抗干擾性能測試[17-18]模塊中,有3種類型的干擾信號可選,分別是單頻信號、高斯白噪聲信號和調(diào)幅信號?？垢蓴_性能測試開始后,程序會依次將這3種信號由弱到強(qiáng)、由低到高、由慢到快進(jìn)行掃描,將變化的干擾信號混疊入正常的報文信號中形成混合信號，發(fā)送到BTM天線接收端。BTM對收到的混合信號進(jìn)行譯碼并將譯取的報文信息通過接口B向測試平臺發(fā)送。測試平臺通過BTM反饋的報文譯碼情況可以判斷BTM是否能夠耐受當(dāng)前的干擾信號。每當(dāng)BTM設(shè)備譯碼失敗時系統(tǒng)就記錄下當(dāng)前干擾信號的強(qiáng)度和頻率(或幅值和速率),然后改變干擾信號的頻率和速率,重復(fù)發(fā)送由弱到強(qiáng)的混合干擾信號。將所有受到干擾而未能正常譯碼的測試案例匯總,即可得設(shè)備針對不同干擾信號的抗干擾門限(上限),根據(jù)干擾信號的強(qiáng)度、幅值以及頻率、速率，可以繪制一條設(shè)備抗干擾門限(性能)曲線,如圖6所示。

圖6 抗干擾性能測試前面板

3.4 功率波形特征測試模塊

該測試模塊分為兩部分,頻域信號測試部分和時域信號測試部分。頻域信號測試部分通過測試中心頻點(diǎn)27.095M寬度4M頻段的信號頻譜,確定BTM功放輸出頻點(diǎn)是否穩(wěn)定。同時通過搜索該頻段其他頻點(diǎn)是否超限,并判斷功放輸出諧波是否低于標(biāo)準(zhǔn)。時域部分主要檢測波形峰峰值,該參數(shù)能夠更加精確的體現(xiàn)功率放大輸出的力度。由于采集時域信號的探頭內(nèi)部設(shè)置為高阻態(tài),所以能夠避免使用頻譜儀測量時使用衰減器帶來的誤差。

3.5 測試報告生成模塊

測試結(jié)果和數(shù)據(jù)被保存在HTML格式的文件里進(jìn)而生成測試報告。無需安裝專門的軟件,使用網(wǎng)頁瀏覽器即可打開。每個文件名都有測試時間記錄,方便追溯。類似功放輸出測試中諧波和波形的參數(shù),采用圖像保存的方式,直觀易懂,方便描述,如圖7所示。

圖7 測試報告

4 測試實(shí)例

以BTM1-YH型BTM整機(jī)測試步驟為例。

(1)系統(tǒng)標(biāo)定。通過測試平臺自帶的校準(zhǔn)模塊,連接測試平臺信號發(fā)生器和功率波形測試模塊的輸入接口,校準(zhǔn)設(shè)備衰減系數(shù)。

(2)報文傳輸測試。啟動報文傳輸測試模塊,調(diào)整通信狀況,監(jiān)測BTM設(shè)備狀態(tài)。建鏈成功后亮綠燈。測試平臺會自動開始模擬應(yīng)答器報文發(fā)送,此時用戶界面會將測試平臺發(fā)送的報文和BTM上傳給測試平臺的報文分別顯示出來。模塊程序會自動判斷BTM接收是否正確,判斷完成之后彈出對話框，提示操作人員切換至抗干擾性能測試模塊,整個過程大約耗時90 s。

(3)抗干擾性測試。程序自動發(fā)送混合信號,針對3種類型的干擾分別發(fā)送混合干擾信號。首先測試單頻信號干擾,單頻信號頻率為1～7 MHz,從1 MHz開始干擾報文信號,強(qiáng)度逐漸增加,至BTM無法正常譯碼后增加單頻頻率強(qiáng)度再次由低到高干擾報文,記錄不能正常譯碼的點(diǎn)并繪制曲線圖。調(diào)幅干擾與單頻干擾類似,通過改變調(diào)幅信號的速率和強(qiáng)度進(jìn)行測試,高斯白噪聲測試則只調(diào)整強(qiáng)度。

(4)時域頻域測試。程序自動測試BTM功放輸出參數(shù),時域信號負(fù)責(zé)測試輸出強(qiáng)度；頻率信號負(fù)責(zé)測試頻點(diǎn)和諧波,程序面板兩個指示燈分別顯示時域和頻域參數(shù)是否合格。

測試完成后自動生成測試報告。

5 結(jié)論

將虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用在BTM設(shè)備測試領(lǐng)域搭建自動測試平臺,對于當(dāng)前BTM設(shè)備大批量運(yùn)用條件下既要進(jìn)行設(shè)備出廠檢測，又要兼顧設(shè)備返廠檢修的現(xiàn)實(shí)需求非常必要。本測試平臺的設(shè)計根據(jù)現(xiàn)場BTM設(shè)備故障類型和維修經(jīng)驗(yàn)，增加了設(shè)備抗干擾性能的自動測試,這在很大程度上改變了生產(chǎn)單位進(jìn)行設(shè)備返修測試時缺乏有效檢測手段的被動局面。

我國鐵路事業(yè)飛速發(fā)展,BTM設(shè)備具有極大的應(yīng)用前景,對其可靠性量化研究也變得日益必要和緊迫,本自動測試平臺應(yīng)運(yùn)而生。相信隨著測試技術(shù)的不斷深入和大范圍的推廣應(yīng)用,其在高鐵信號設(shè)備品質(zhì)檢驗(yàn)、產(chǎn)品質(zhì)量把關(guān)方面將發(fā)揮越來越大的作用。