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)

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)[2-3]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(xiàng)技術(shù)指標(biāo)的可靠性對(duì)列車運(yùn)行的安全[5]具有重大影響。

目前國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)BTM抗干擾[6-7]能力的測(cè)試只在電磁兼容試驗(yàn)中有所體現(xiàn),而電磁兼容測(cè)試只關(guān)注在試驗(yàn)過程中設(shè)備是否正常工作,對(duì)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(cè)試和比對(duì)。于是,各廠家依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)設(shè)備進(jìn)行出廠檢測(cè)時(shí)容易忽略設(shè)備在信號(hào)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(zhǎng)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(shì)。經(jīng)統(tǒng)計(jì)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(bào)文譯碼失敗。

針對(duì)此種情況,本研究利用虛擬儀器技術(shù)[10]把此項(xiàng)檢測(cè)和設(shè)備各項(xiàng)例行檢測(cè)結(jié)合在一起,形成一個(gè)測(cè)試平臺(tái),實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作。這個(gè)技術(shù)方案對(duì)BTM設(shè)備品質(zhì)的提高很有意義。

對(duì)于BTM設(shè)備的批量化檢測(cè),由于同時(shí)涉及射頻信號(hào)檢測(cè)、模擬信號(hào)檢測(cè)、數(shù)字通信接口測(cè)試等環(huán)節(jié),傳統(tǒng)人工測(cè)試方式存在如下缺陷。(1)人工判斷測(cè)試結(jié)果,費(fèi)時(shí)多,周期長(zhǎng),效率低下；(2)測(cè)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(duì)困難；(3)測(cè)試需要在多個(gè)設(shè)備之間切換,校準(zhǔn)復(fù)雜,操作繁瑣。由于人工測(cè)試方式存在上述缺陷,若增加BTM設(shè)備抗干擾門限測(cè)試項(xiàng)目，則會(huì)大大增加測(cè)試人員工作量。以人工為主的檢測(cè)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。

本文針對(duì)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(dòng)化測(cè)試平臺(tái),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(bào)文內(nèi)容；(2)自動(dòng)向BTM發(fā)送不同參數(shù)的FSK信號(hào),模擬應(yīng)答器報(bào)文,并能夠根據(jù)測(cè)試序列將干擾信號(hào)混疊入應(yīng)答器報(bào)文信號(hào)中測(cè)試設(shè)備抗干擾性能；(3)自動(dòng)判斷報(bào)文是否正確接收；(4)自動(dòng)測(cè)量并判斷BTM功放輸出功率、諧波是否符合要求；(5)將測(cè)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(cè)試概述

BTM設(shè)備出廠測(cè)試采用黑盒測(cè)試[12]的方式,主要針對(duì)3個(gè)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(bào)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(duì)應(yīng)關(guān)系如圖1所示。

圖1 BTM設(shè)備接口對(duì)應(yīng)關(guān)系

實(shí)際操作中,由于涉及數(shù)字通信測(cè)試、射頻信號(hào)測(cè)試及模擬信號(hào)測(cè)試,每個(gè)測(cè)試又需要使用獨(dú)立的儀器設(shè)備,若沒有自動(dòng)化集成化的測(cè)試平臺(tái)協(xié)助,測(cè)試人員往往需要反復(fù)操作不同設(shè)備,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。

2 自動(dòng)化測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)

選用NI公司的 PXIe-1085[13]型機(jī)箱及相關(guān)采集板卡作為測(cè)試平臺(tái)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(tái),還具有LabVIEW 軟件平臺(tái)[16],可以在硬件測(cè)試的同時(shí),通過LabVIEW圖形化編程語言實(shí)時(shí)調(diào)用PXI-1085測(cè)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(cè)試平臺(tái)和測(cè)試工作的集成化。該系統(tǒng)硬/軟件設(shè)計(jì)如圖2(a)、圖2(b)所示。

圖2 測(cè)試平臺(tái)的軟/硬件設(shè)計(jì)

信號(hào)的接收、采集、分析均在一個(gè)硬件電路系統(tǒng)中,由統(tǒng)一的LabVIEW指令序列實(shí)現(xiàn)對(duì)各板卡的硬件功能實(shí)時(shí)調(diào)用。圖3為測(cè)試配套一體化平臺(tái)儀器面板。

他們開始關(guān)注圖中不變的那個(gè)量，然后學(xué)生自然地發(fā)現(xiàn)兩個(gè)量的對(duì)應(yīng)的數(shù)的比值是不變的，從而對(duì)正比例的內(nèi)涵有更深的領(lǐng)悟。在這個(gè)整合之后的大的活動(dòng)之下，學(xué)生充分思考，在交流中相互啟發(fā)，一個(gè)問題生發(fā)另一個(gè)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(cè)試平臺(tái)儀器面板

3 應(yīng)答器傳輸模塊自動(dòng)化測(cè)試的實(shí)現(xiàn)

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

3.1 測(cè)試平臺(tái)校準(zhǔn)模塊

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

3.2 報(bào)文傳輸測(cè)試模塊

報(bào)文傳輸模塊集成了BTM與上位機(jī)通信功能測(cè)試和射頻信號(hào)測(cè)試兩個(gè)部分,測(cè)試流程如圖4所示。

圖4 報(bào)文傳輸測(cè)試模塊流程

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

圖5 報(bào)文傳輸測(cè)試面板

3.3 抗干擾性能測(cè)試模塊

根據(jù)實(shí)際維修經(jīng)驗(yàn),在抗干擾性能測(cè)試[17-18]模塊中,有3種類型的干擾信號(hào)可選,分別是單頻信號(hào)、高斯白噪聲信號(hào)和調(diào)幅信號(hào)。抗干擾性能測(cè)試開始后,程序會(huì)依次將這3種信號(hào)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(hào)混疊入正常的報(bào)文信號(hào)中形成混合信號(hào)，發(fā)送到BTM天線接收端。BTM對(duì)收到的混合信號(hào)進(jìn)行譯碼并將譯取的報(bào)文信息通過接口B向測(cè)試平臺(tái)發(fā)送。測(cè)試平臺(tái)通過BTM反饋的報(bào)文譯碼情況可以判斷BTM是否能夠耐受當(dāng)前的干擾信號(hào)。每當(dāng)BTM設(shè)備譯碼失敗時(shí)系統(tǒng)就記錄下當(dāng)前干擾信號(hào)的強(qiáng)度和頻率(或幅值和速率),然后改變干擾信號(hào)的頻率和速率,重復(fù)發(fā)送由弱到強(qiáng)的混合干擾信號(hào)。將所有受到干擾而未能正常譯碼的測(cè)試案例匯總,即可得設(shè)備針對(duì)不同干擾信號(hào)的抗干擾門限(上限),根據(jù)干擾信號(hào)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(cè)試前面板

3.4 功率波形特征測(cè)試模塊

該測(cè)試模塊分為兩部分,頻域信號(hào)測(cè)試部分和時(shí)域信號(hào)測(cè)試部分。頻域信號(hào)測(cè)試部分通過測(cè)試中心頻點(diǎn)27.095M寬度4M頻段的信號(hào)頻譜,確定BTM功放輸出頻點(diǎn)是否穩(wěn)定。同時(shí)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(shí)域部分主要檢測(cè)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(shí)域信號(hào)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(cè)量時(shí)使用衰減器帶來的誤差。

3.5 測(cè)試報(bào)告生成模塊

測(cè)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(cè)試報(bào)告。無需安裝專門的軟件,使用網(wǎng)頁瀏覽器即可打開。每個(gè)文件名都有測(cè)試時(shí)間記錄,方便追溯。類似功放輸出測(cè)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(cè)試報(bào)告

4 測(cè)試實(shí)例

以BTM1-YH型BTM整機(jī)測(cè)試步驟為例。

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

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

(3)抗干擾性測(cè)試。程序自動(dòng)發(fā)送混合信號(hào),針對(duì)3種類型的干擾分別發(fā)送混合干擾信號(hào)。首先測(cè)試單頻信號(hào)干擾,單頻信號(hào)頻率為1～7 MHz,從1 MHz開始干擾報(bào)文信號(hào),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(bào)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(hào)的速率和強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試,高斯白噪聲測(cè)試則只調(diào)整強(qiáng)度。

(4)時(shí)域頻域測(cè)試。程序自動(dòng)測(cè)試BTM功放輸出參數(shù),時(shí)域信號(hào)負(fù)責(zé)測(cè)試輸出強(qiáng)度；頻率信號(hào)負(fù)責(zé)測(cè)試頻點(diǎn)和諧波,程序面板兩個(gè)指示燈分別顯示時(shí)域和頻域參數(shù)是否合格。

測(cè)試完成后自動(dòng)生成測(cè)試報(bào)告。

5 結(jié)論

將虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用在BTM設(shè)備測(cè)試領(lǐng)域搭建自動(dòng)測(cè)試平臺(tái),對(duì)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(cè)，又要兼顧設(shè)備返廠檢修的現(xiàn)實(shí)需求非常必要。本測(cè)試平臺(tái)的設(shè)計(jì)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)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(dòng)測(cè)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(cè)試時(shí)缺乏有效檢測(cè)手段的被動(dòng)局面。

我國(guó)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(duì)其可靠性量化研究也變得日益必要和緊迫,本自動(dòng)測(cè)試平臺(tái)應(yīng)運(yùn)而生。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)方面將發(fā)揮越來越大的作用。