姚 放，穆瑞琦，，王童毅，夏 菲，，孔 元

（1 北京縱橫機(jī)電科技有限公司，北京100094；2 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 機(jī)車車輛研究所，北京100081）

隨著中國(guó)的軌道交通行業(yè)迎來(lái)巨大的發(fā)展機(jī)遇，鐵路里程增加以及新技術(shù)、新工藝的需求，必然導(dǎo)致動(dòng)車、機(jī)車及其系統(tǒng)設(shè)備的需求大增，由于相關(guān)設(shè)備來(lái)自于不同國(guó)家或不同廠商，為了列車的安全性和穩(wěn)定性在設(shè)備上車運(yùn)行之前需要對(duì)其進(jìn)行符合協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的一致性測(cè)試。

目前國(guó)內(nèi)大部分一致性測(cè)試系統(tǒng)采用手動(dòng)或者半自動(dòng)的方式對(duì)相關(guān)設(shè)備進(jìn)行一致性測(cè)試，單個(gè)設(shè)備檢測(cè)周期一般為1～2周，測(cè)試過(guò)程中存在大量的人機(jī)協(xié)調(diào)操作，人工操作也會(huì)引入一定的偶然誤差。

針對(duì)當(dāng)前階段TCN設(shè)備一致性測(cè)試需求大、一致性測(cè)試周期長(zhǎng)的情況，將自動(dòng)化測(cè)試引入TCN一致性測(cè)試領(lǐng)域勢(shì)在必行，通過(guò)自動(dòng)化設(shè)計(jì)將極大地減少測(cè)試過(guò)程中的人員參與，將大量人機(jī)協(xié)調(diào)操作轉(zhuǎn)變?yōu)樽詣?dòng)化程序控制，減少偶然誤差的引入，提高測(cè)試效率，壓縮測(cè)試周期，以達(dá)到高效、快速、準(zhǔn)確測(cè)試的目的。

文中將針對(duì)TCN一致性測(cè)試臺(tái)的自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)進(jìn)行詳細(xì)介紹，主要包含自動(dòng)測(cè)試平臺(tái)的組成架構(gòu)、自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)方法。

1 TCN一致性測(cè)試的主要內(nèi)容

根據(jù)GB/T 28029.2-2011一致性測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，一致性測(cè)試分為靜態(tài)測(cè)試和動(dòng)態(tài)測(cè)試。靜態(tài)一致性測(cè)試主要是對(duì)PICS（Protocol Implementation Conformance Statement，協(xié)議實(shí)現(xiàn)的一致性陳述）內(nèi)容的回答，動(dòng)態(tài)一致性測(cè)試通過(guò)對(duì)IUT（Implemen?tation Under Test，被測(cè)設(shè)備）施加激勵(lì)，檢測(cè)其在受控環(huán)境中的動(dòng)態(tài)性能。

TCN一致性測(cè)試主要針對(duì)列車通信網(wǎng)絡(luò)和車載設(shè)備的一致性測(cè)試，分為設(shè)備級(jí)一致性測(cè)試和車輛級(jí)一致性測(cè)試。設(shè)備級(jí)測(cè)試針對(duì)MVB設(shè)備、WTB設(shè)備、網(wǎng)關(guān)設(shè)備，主要測(cè)試相關(guān)設(shè)備的物理接口、數(shù)據(jù)鏈路層和實(shí)時(shí)協(xié)議；車輛級(jí)測(cè)試針對(duì)WTB車輛檢測(cè)不同車輛之間的互聯(lián)互通操作性。

目前TCN一致性測(cè)試多采用自動(dòng)、半自動(dòng)和手動(dòng)結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)，測(cè)試過(guò)程中需要根據(jù)主控系統(tǒng)提示進(jìn)行接換線、配置設(shè)備等操作，人員依賴性較大、對(duì)人機(jī)交互設(shè)計(jì)的要求很高，實(shí)際測(cè)試時(shí)測(cè)試人員需要在測(cè)試過(guò)程中階段性地執(zhí)行相關(guān)操作，因此十分有必要開發(fā)TCN一致性測(cè)試的自動(dòng)化測(cè)試裝置。

2 自動(dòng)化測(cè)試實(shí)現(xiàn)

2.1 設(shè)計(jì)需求

按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 28029.2-2011要求，一致性測(cè)試由以下步驟組成：

（1）PICS編輯；

（2）PIXIT編輯；

（3）測(cè)試選擇和參數(shù)確定；

（4）基本互連測(cè)試；

（5）能力測(cè)試；

（6）行為測(cè)試；

（7）測(cè)試結(jié)果的復(fù)核和分析；

（8）綜合、結(jié)論及一致性測(cè)試報(bào)告的生成。

TCN一致性測(cè)試的基本執(zhí)行流程如圖1所示，PICS靜態(tài)一致性測(cè)試是根據(jù)測(cè)試結(jié)果篩選需要進(jìn)行的測(cè)試項(xiàng)，在執(zhí)行測(cè)試過(guò)程中依據(jù)PIXIT對(duì)測(cè)試設(shè)備進(jìn)行相關(guān)配置，并對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析判斷。依據(jù)PICS信息、測(cè)試執(zhí)行結(jié)果、測(cè)試結(jié)論等內(nèi)容整合以形成TCN一致性測(cè)試報(bào)告。

圖1 TCN一致性測(cè)試執(zhí)行流程

半自動(dòng)測(cè)試中靜態(tài)測(cè)試和動(dòng)態(tài)測(cè)試分離，動(dòng)態(tài)測(cè)試相關(guān)測(cè)試項(xiàng)為人工依據(jù)靜態(tài)測(cè)試進(jìn)行判定，使得一致性測(cè)試整體流程不緊密，測(cè)試數(shù)據(jù)及結(jié)果未進(jìn)行統(tǒng)一管理，后續(xù)一致性測(cè)試報(bào)告生成時(shí)需人工進(jìn)行數(shù)據(jù)整合，因此設(shè)計(jì)一款測(cè)試管理軟件進(jìn)行測(cè)試數(shù)據(jù)記錄管理和測(cè)試報(bào)告生成，這樣可節(jié)省大量文本編寫和數(shù)據(jù)管理時(shí)間。

此外現(xiàn)有動(dòng)態(tài)一致性測(cè)試的實(shí)現(xiàn)方法多以手動(dòng)和半自動(dòng)方式為主，將萬(wàn)用表、LCR測(cè)試儀、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA）、示波器、MVB陪試設(shè)備、WTB陪試設(shè)備、負(fù)載電路、衰減電阻和直流電源按照一致性協(xié)議規(guī)定的測(cè)試電路進(jìn)行連接，按照要求對(duì)IUT和陪試設(shè)備進(jìn)行配置，并對(duì)IUT反饋信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，在整個(gè)測(cè)試過(guò)程中需多次接換線和操作設(shè)備，以非預(yù)加重MVB 4類設(shè)備的一致性測(cè)試為例，整個(gè)測(cè)試過(guò)程共需切換測(cè)試電路42次，操作儀器對(duì)286個(gè)測(cè)試項(xiàng)點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)，平均每次電路切換耗時(shí)10 min左右，平均每個(gè)測(cè)試項(xiàng)點(diǎn)耗時(shí)2.5 min左右，考慮測(cè)試用例要求的測(cè)試持續(xù)時(shí)間，完成所有動(dòng)態(tài)一致性測(cè)試需22 h左右。

考慮到完成測(cè)試涉及的測(cè)試儀器并未呈現(xiàn)多樣性，主要以示波器和陪試設(shè)備為主，測(cè)試項(xiàng)主要對(duì)信號(hào)波形和信號(hào)報(bào)文進(jìn)行測(cè)量和解析，因此可設(shè)計(jì)一款測(cè)試切換設(shè)備，將所有測(cè)試需要用到的測(cè)試儀器、線纜以及IUT連接起來(lái)，根據(jù)測(cè)試需要進(jìn)行相關(guān)測(cè)試電路的匹配，并通過(guò)測(cè)試主機(jī)對(duì)測(cè)試儀器進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)波形采集、信號(hào)解析、數(shù)據(jù)上傳、結(jié)果判斷等工作，以此將切換電路和測(cè)試項(xiàng)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)的人工操作減到最少，同時(shí)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)一致性測(cè)試全過(guò)程測(cè)試數(shù)據(jù)的集中管理，減少其中的人工干預(yù)。

2.2 整體實(shí)現(xiàn)方案

TCN一致性測(cè)試的自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)需要從軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)2方面進(jìn)行。

軟件系統(tǒng)自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)主要由2方面構(gòu)成：

（1）將靜態(tài)一致性測(cè)試數(shù)據(jù)和動(dòng)態(tài)一致性測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫(kù)管理，以實(shí)現(xiàn)篩選動(dòng)態(tài)一致性測(cè)試項(xiàng)、測(cè)試報(bào)告自動(dòng)生成的目的；

（2）將所有測(cè)試項(xiàng)點(diǎn)的測(cè)試操作通過(guò)測(cè)試主機(jī)遠(yuǎn)程控制測(cè)試設(shè)備，實(shí)現(xiàn)包括波形數(shù)據(jù)采集、波形指標(biāo)分析、報(bào)文數(shù)據(jù)解析等功能。

因涉及測(cè)試項(xiàng)較多，為便于軟件管理及維護(hù)，軟件系統(tǒng)主要分為2個(gè)部分：測(cè)試管理軟件和測(cè)試執(zhí)行軟件。測(cè)試管理軟件主要實(shí)現(xiàn)靜態(tài)一致性測(cè)試數(shù)據(jù)管理、動(dòng)態(tài)一致性測(cè)試用例篩選、執(zhí)行控制和測(cè)試報(bào)告生成；測(cè)試執(zhí)行軟件主要實(shí)現(xiàn)測(cè)試設(shè)備控制、測(cè)試用例實(shí)現(xiàn)和測(cè)試結(jié)果分析處理功能。在層次結(jié)構(gòu)上，測(cè)試管理軟件處于TCN一致性測(cè)試系統(tǒng)最上層，直接與用戶進(jìn)行交互，其下為測(cè)試執(zhí)行軟件，與硬件系統(tǒng)進(jìn)行交互。

硬件系統(tǒng)自動(dòng)化主要是由測(cè)試切換設(shè)備實(shí)現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)方式為將測(cè)試儀器、負(fù)載電路、IUT連接起來(lái)，由系統(tǒng)提供控制接口，并根據(jù)測(cè)試需要進(jìn)行電路匹配控制。由于測(cè)試儀器端口有限，在設(shè)計(jì)測(cè)試切換設(shè)備時(shí)需考慮端口復(fù)用的問(wèn)題。電路匹配一般使用繼電器切換來(lái)實(shí)現(xiàn)，其端口復(fù)用度越高，相關(guān)切換電路越復(fù)雜，繼電器數(shù)量越多，電路匹配時(shí)測(cè)試電路上的無(wú)效電路分叉越多，引入的測(cè)試誤差越大。為了降低測(cè)試誤差，提升測(cè)試精度，按照總線類型不同、通信介質(zhì)不同、被測(cè)設(shè)備不同，將測(cè)試切換設(shè)備分為WTB測(cè)試切換設(shè)備、MVB測(cè)試切換設(shè)備，其中MVB類測(cè)試切換設(shè)備又將中繼器測(cè)試單獨(dú)獨(dú)立出來(lái)，設(shè)計(jì)專用的測(cè)試接口。此外矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀相關(guān)測(cè)試用例對(duì)外部信號(hào)、阻抗匹配高度敏感，需將其獨(dú)立出來(lái)，專門設(shè)計(jì)相關(guān)測(cè)試切換設(shè)備。

同時(shí)，對(duì)于測(cè)試過(guò)程中需要用到的負(fù)載電路、衰減電路、直流電壓源等，為減小接口及線纜引入的誤差，減少外部接口數(shù)量，將上述器件集成設(shè)計(jì)到測(cè)試切換設(shè)備內(nèi)，通過(guò)繼電器切換進(jìn)行使用。

綜上，TCN一致性測(cè)試自動(dòng)化系統(tǒng)架構(gòu)框圖如圖2所示，測(cè)試管理軟件處于系統(tǒng)最上層，與測(cè)試執(zhí)行軟件進(jìn)行交互，實(shí)現(xiàn)測(cè)試管理和數(shù)據(jù)管理功能，測(cè)試執(zhí)行軟件處于系統(tǒng)中間層，主要用于測(cè)試項(xiàng)的具體實(shí)現(xiàn)和結(jié)果判斷，其直接與測(cè)試儀器進(jìn)行交互。

圖2 TCN一致性測(cè)試自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)方案框圖

2.3 硬件系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

TCN一致性自動(dòng)化測(cè)試硬件系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)為測(cè)試切換設(shè)備的實(shí)現(xiàn)。根據(jù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)方案，設(shè)計(jì)難點(diǎn)主要有阻抗匹配問(wèn)題和串?dāng)_隔離問(wèn)題，根據(jù)整體方案設(shè)計(jì)，測(cè)試切換設(shè)備分為MVB測(cè)試切換設(shè)備、WTB測(cè)試切換設(shè)備、矢網(wǎng)測(cè)試切換設(shè)備，其中矢網(wǎng)測(cè)試切換設(shè)備的實(shí)現(xiàn)難度最高。下面將就此對(duì)測(cè)試切換設(shè)備的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行介紹。

由于矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的特性阻抗為50Ω，而MVB和WTB通信介質(zhì)的特性阻抗為120Ω，若不進(jìn)行阻抗匹配轉(zhuǎn)換，在使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行插入損失測(cè)試時(shí)，IUT實(shí)際插入損失將淹沒(méi)在測(cè)試設(shè)備阻抗不匹配所導(dǎo)致的插入損失內(nèi)，因此需要進(jìn)行阻抗轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)。此外，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀輸出是單端線路，IUT是差分線路，還需要進(jìn)行單端轉(zhuǎn)差分設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)調(diào)研可使用巴倫進(jìn)行阻抗匹配和單端轉(zhuǎn)差分，原理如圖3所示。

圖3 矢網(wǎng)測(cè)試切換設(shè)備阻抗匹配原理圖

由于連接矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、矢網(wǎng)測(cè)試切換設(shè)備及連接矢網(wǎng)測(cè)試切換設(shè)備和IUT的測(cè)試線纜也會(huì)引入測(cè)試誤差，所以為了提高測(cè)試精度，在進(jìn)行測(cè)試之前需進(jìn)行校準(zhǔn)，為了校準(zhǔn)方便將相關(guān)校準(zhǔn)電路設(shè)計(jì)到矢網(wǎng)測(cè)試切換設(shè)備中，通過(guò)程序控制實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化校準(zhǔn)。矢網(wǎng)測(cè)試切換設(shè)備切換原理圖如圖4所示。

圖4 矢網(wǎng)測(cè)試切換設(shè)備切換原理框圖

2.4 軟件系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

TCN一致性自動(dòng)化測(cè)試軟件系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)為上位機(jī)測(cè)試控制軟件的實(shí)現(xiàn)。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，軟件系統(tǒng)的層次架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖5所示，測(cè)試管理軟件構(gòu)成人機(jī)交互層，功能為測(cè)試用例管理、參數(shù)配置管理、測(cè)試執(zhí)行控制、測(cè)試報(bào)告管理。測(cè)試執(zhí)行軟件分為兩層：通用庫(kù)層和測(cè)試用例層，通用庫(kù)層由通信庫(kù)（上下位機(jī)通信）、設(shè)備庫(kù)（測(cè)試設(shè)備控制）、過(guò)程庫(kù)（測(cè)試結(jié)果判斷、過(guò)程文件處理）、算法庫(kù)（波形處理算法）組成；測(cè)試用例層由MVB測(cè)試用例和WTB測(cè)試用例組成，測(cè)試執(zhí)行軟件以exe的形式為測(cè)試管理軟件調(diào)用，兩者之間的通信邏輯如圖6所示。

圖5 軟件系統(tǒng)架構(gòu)

圖6 軟件通信邏輯關(guān)系圖

測(cè)試管理軟件的軟件架構(gòu)如圖7所示，軟件引入功能定義，一個(gè)功能對(duì)應(yīng)一個(gè)IUT，每個(gè)IUT均建立一個(gè)工程，所有測(cè)試相關(guān)文件數(shù)據(jù)均存儲(chǔ)在對(duì)應(yīng)的工程文件夾內(nèi)，軟件啟動(dòng)后進(jìn)入工程配置頁(yè)面。先選擇IUT的總線類型，其后根據(jù)選擇的總線類型跳轉(zhuǎn)到向?qū)渲庙?yè)面，此頁(yè)面對(duì)應(yīng)一致性測(cè)試過(guò)程中的靜態(tài)一致性測(cè)試，可以根據(jù)IUT的PICS信息進(jìn)行相關(guān)配置，配置完成后系統(tǒng)自動(dòng)跳轉(zhuǎn)至測(cè)試用例篩選頁(yè)面，顯示IUT對(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)一致性測(cè)試用例，確認(rèn)后跳轉(zhuǎn)至報(bào)告信息配置頁(yè)面，此頁(yè)面是填寫一致性測(cè)試報(bào)告生成需要的相關(guān)信息，確認(rèn)后至主界面開始執(zhí)行動(dòng)態(tài)一致性測(cè)試。

圖7 測(cè)試管理軟件層次架構(gòu)

若有PIXIT信息需要設(shè)置，可在主界面菜單欄的過(guò)程和標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)配置頁(yè)面進(jìn)行配置，軟件將自動(dòng)對(duì)陪試設(shè)備進(jìn)行設(shè)置，使之建立動(dòng)態(tài)一致性測(cè)試需要的配置文件。開始測(cè)試后測(cè)試管理軟件將根據(jù)總線類型調(diào)用測(cè)試執(zhí)行軟件的exe文件，并按照篩選的測(cè)試用例執(zhí)行通信邏輯以完成動(dòng)態(tài)一致性測(cè)試。測(cè)試過(guò)程中的所有原始數(shù)據(jù)及測(cè)試結(jié)果均保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中，測(cè)試完成后可根據(jù)需要調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)及原始圖片，生成測(cè)試報(bào)告及相關(guān)記錄文件。

3 效果與結(jié)論

TCN一致性自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)的核心設(shè)計(jì)理念是根據(jù)一致性測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)通過(guò)程序，控制測(cè)試切換設(shè)備實(shí)現(xiàn)電路匹配，將測(cè)試設(shè)備和IUT組成規(guī)定的測(cè)試電路，根據(jù)測(cè)試項(xiàng)點(diǎn)對(duì)測(cè)試設(shè)備進(jìn)行程控，以完成各測(cè)試項(xiàng)點(diǎn)參數(shù)的監(jiān)測(cè)。

以“非預(yù)加重重載測(cè)試電路下傳輸過(guò)程中信號(hào)波形的測(cè)量”為例，一致性測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)要求對(duì)最大幅值、穩(wěn)態(tài)幅值、穩(wěn)態(tài)幅值差、信號(hào)上升或下降速率、抖動(dòng)、最大幅值與穩(wěn)態(tài)幅值比等測(cè)試項(xiàng)進(jìn)行測(cè)量，每個(gè)測(cè)試項(xiàng)需要進(jìn)行信號(hào)觸發(fā)、波形定位、測(cè)試點(diǎn)定位、圖片存儲(chǔ)。全自動(dòng)化測(cè)試實(shí)現(xiàn)了軟件及硬件匹配后各個(gè)測(cè)試項(xiàng)點(diǎn)的快速、準(zhǔn)確、便捷的測(cè)試過(guò)程，并實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)直接出具報(bào)告的功能。

經(jīng)過(guò)對(duì)比，GB/T 28029.2-2011規(guī)定的MVB和WTB動(dòng)態(tài)一致性測(cè)試項(xiàng)均可以自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)，具體測(cè)試用例組成見表1、表2。

表1 MVB測(cè)試用例組成

表2 WTB測(cè)試用例組成

TCN一致性測(cè)試自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)后，測(cè)試電路切換和測(cè)試儀器操作均由程序控制實(shí)現(xiàn)，減少了人機(jī)交互操作，降低了測(cè)試成本和測(cè)試周期，同時(shí)將文本編輯工作交給軟件實(shí)現(xiàn)。

TCN一致性測(cè)試的物理層測(cè)試對(duì)于信號(hào)波形、電阻、電感、插入損耗、特性阻抗等物理參數(shù)的測(cè)試精度均有較高的要求，通過(guò)對(duì)同一IUT自動(dòng)測(cè)試和手動(dòng)測(cè)試的結(jié)果對(duì)比，自動(dòng)測(cè)試結(jié)果相對(duì)手動(dòng)測(cè)試結(jié)果偏差降低約為3%～5%，提高了TCN一致性測(cè)試的準(zhǔn)確性，降低了人為因素的干擾。

綜上所述，TCN網(wǎng)絡(luò)通信一致性測(cè)試的自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)將極大提高測(cè)試效率，降低測(cè)試成本，提高測(cè)試精度，對(duì)TCN一致性測(cè)試領(lǐng)域的發(fā)展具有重大意義。