段龍杰，崔金雪，祝鑫，祝常江，梁嘉

（1.上海軌道交通檢測(cè)認(rèn)證（集團(tuán)）有限公司，上海 200434；2.同濟(jì)大學(xué) 鐵道與城市軌道交通研究院，上海 201804；3.北京地鐵科技發(fā)展有限公司，北京 100160；4.北京市地鐵運(yùn)營(yíng)有限公司通信信號(hào)分公司，北京 100082）

0 引言

列車通信網(wǎng)絡(luò)（Train Communication Network，TCN）總線是目前我國(guó)軌道交通列車上運(yùn)用最廣泛的通信網(wǎng)絡(luò)，其中的多功能車輛總線（Multifunction Vehicle Bus，MVB）在城市軌道交通列車上的運(yùn)用尤為普遍。從IEC6 1375-1—1999 的TCN 標(biāo)準(zhǔn)開始，到目前我國(guó)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 28029—2020 列車通信網(wǎng)絡(luò)TCN 標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)內(nèi)外的TCN 設(shè)備制造商都是按照TCN 標(biāo)準(zhǔn)來生產(chǎn)制造用于列車上的通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備［1］。MVB 是用于1 節(jié)車輛或多節(jié)固定編組的車輛中連接車載可編程設(shè)備的通信總線。為了保證不同生產(chǎn)商的MVB設(shè)備之間的互操作，驗(yàn)證MVB 設(shè)備與TCN 標(biāo)準(zhǔn)的一致性是非常有意義和必須的，也是中國(guó)城市軌道交通協(xié)會(huì)在其頒布的列車控制與診斷系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范中明確規(guī)定的試驗(yàn)測(cè)試項(xiàng)目之一。在研究MVB 網(wǎng)絡(luò)一致性測(cè)試的基礎(chǔ)上，開發(fā)基于面向儀器系統(tǒng)的PCI 擴(kuò)展（PCI extensions for Instrumentation，PXI）的MVB 網(wǎng)絡(luò)一致性測(cè)試平臺(tái)，用以實(shí)現(xiàn)MVB 網(wǎng)絡(luò)一致性測(cè)試的系統(tǒng)集成，并為列車控制系統(tǒng)維護(hù)檢修的智能化打下基礎(chǔ)。

1 MVB網(wǎng)絡(luò)的一致性測(cè)試

一致性測(cè)試能夠保證一個(gè)通過測(cè)試的設(shè)備與協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的一致性；有助于各個(gè)制造商的設(shè)備能與其他制造商的設(shè)備實(shí)現(xiàn)互操作；也能夠?yàn)樵O(shè)備制造商的設(shè)計(jì)改進(jìn)提供幫助［2］。一致性測(cè)試是網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)互操作的必要條件。

1.1 網(wǎng)絡(luò)一致性測(cè)試

一致性測(cè)試是一個(gè)能夠決定設(shè)備是否遵守標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)要求以及展示標(biāo)準(zhǔn)要求性能的過程。一致性測(cè)試包括靜態(tài)測(cè)試和動(dòng)態(tài)測(cè)試2個(gè)階段。

靜態(tài)測(cè)試是指在靜態(tài)條件下設(shè)備符合標(biāo)準(zhǔn)的能力要求的情況，靜態(tài)一致性定義了協(xié)議實(shí)現(xiàn)所要具備的核心能力集合。設(shè)備靜態(tài)能力分析是一致性測(cè)試的起點(diǎn)。

動(dòng)態(tài)測(cè)試是監(jiān)視被測(cè)設(shè)備在受控環(huán)境中的動(dòng)態(tài)性能。動(dòng)態(tài)測(cè)試規(guī)定了一系列給被測(cè)設(shè)備（Implementation Under Test，IUT）加激勵(lì)并監(jiān)視結(jié)果性能的試驗(yàn)，動(dòng)態(tài)測(cè)試是網(wǎng)絡(luò)一致性測(cè)試的主要內(nèi)容。

1.2 MVB的一致性測(cè)試

MVB 設(shè)備的一致性測(cè)試是為了保證MVB 設(shè)備與TCN 標(biāo)準(zhǔn)要求的一致性。MVB 的一致性測(cè)試內(nèi)容分為基本互連測(cè)試、能力測(cè)試和行為測(cè)試。

（1）基本互連測(cè)試?；净ミB測(cè)試是在物理層檢查MVB 網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的基本功能，并檢查能否建立相互連接的簡(jiǎn)單測(cè)試?；净ミB測(cè)試是行為測(cè)試的子集，包括電氣短距離（Electrical Short Distance，ESD）介質(zhì)、電氣中距離（Electrical Middle Distance，EMD）介質(zhì)和光纖（Optical Glass Fiber，OGF）介質(zhì)的基本互連測(cè)試?；净ミB測(cè)試決定可能的互連接是否對(duì)TCN 標(biāo)準(zhǔn)有足夠的一致性?；净ミB測(cè)試都能在行為測(cè)試過程中體現(xiàn)出來。

（2）能力測(cè)試。能力測(cè)試檢查被測(cè)MVB 設(shè)備是否滿足TCN 標(biāo)準(zhǔn)要求所應(yīng)當(dāng)具有的能力。通過對(duì)MVB 設(shè)備能力與標(biāo)準(zhǔn)要求能力的列表對(duì)比，有助于選擇合適的行為測(cè)試來與靜態(tài)測(cè)試相輔相成，完成一致性測(cè)試，將對(duì)TCN 標(biāo)準(zhǔn)要求的條目的測(cè)試覆蓋度提到最高。

（3）行為測(cè)試。行為測(cè)試是一致性測(cè)試的最主要部分，檢查被測(cè)MVB 設(shè)備是否滿足與TCN 標(biāo)準(zhǔn)要求的動(dòng)態(tài)一致性。在TCN 標(biāo)準(zhǔn)中MVB 設(shè)備用于進(jìn)行過程數(shù)據(jù)通信、消息數(shù)據(jù)通信和監(jiān)督數(shù)據(jù)通信。針對(duì)能力測(cè)試中得出的靜態(tài)測(cè)試結(jié)論，選取相應(yīng)的需要測(cè)試的內(nèi)容來編制特定的行為測(cè)試的硬件和軟件［3］。比如，對(duì)只有過程數(shù)據(jù)能力的被測(cè)MVB設(shè)備進(jìn)行行為測(cè)試的話，只要選取測(cè)試過程數(shù)據(jù)的硬件和軟件，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行測(cè)試，就能保證不損害覆蓋度的情況下正確驗(yàn)證被測(cè)設(shè)備與TCN標(biāo)準(zhǔn)要求的一致性。

1.3 一致性測(cè)試的局限性

網(wǎng)絡(luò)通信的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)非常復(fù)雜，進(jìn)行所有方面的徹底試驗(yàn)是不可行的，故一致性測(cè)試不提供對(duì)標(biāo)準(zhǔn)每個(gè)方面的徹底試驗(yàn)。由于一致性測(cè)試是在受控環(huán)境中完成的，因此事實(shí)上通過一致性測(cè)試的設(shè)備并不能保證與任何其他通過一致性測(cè)試的設(shè)備一定能夠完全實(shí)現(xiàn)相互操作，但是通過了一致性測(cè)試的設(shè)備之間的互操作實(shí)現(xiàn)起來肯定會(huì)相對(duì)容易得多，由此可看出一致性測(cè)試是互操作測(cè)試的必要條件。

2 PXI測(cè)試系統(tǒng)

PXI 是美國(guó)NI 公司開發(fā)推出、由PXI 聯(lián)盟發(fā)布的1種基于PC的測(cè)量自動(dòng)化平臺(tái)。PXI結(jié)合了PCI的電氣總線特性與Compact PCI 的堅(jiān)固性、模塊化以及Eurocard機(jī)械封裝的特性，發(fā)展成適合于試驗(yàn)、測(cè)量與數(shù)據(jù)采集場(chǎng)合應(yīng)用的機(jī)械、電氣和軟件規(guī)范。制訂PXI規(guī)范的目的是為了將臺(tái)式PC 的性能價(jià)格比優(yōu)勢(shì)與PCI 總線面向儀器領(lǐng)域的必要擴(kuò)展完美結(jié)合起來，成為測(cè)量和自動(dòng)化系統(tǒng)的高性能、低成本平臺(tái)，并由此形成了虛擬儀器（Virtual Instrument，VI）的概念［4］。

PXI 系統(tǒng)包含4 個(gè)部分：PXI 機(jī)箱、PXI 控制器、PXI 模塊和軟件。PXI 機(jī)箱除了具備供電和散熱功能之外，主要具有用于信號(hào)互連的總線背板，嵌入式控制器以及各種模塊化儀器和I/O 模塊均通過總線背板互聯(lián)。PXI機(jī)箱外形見圖1。

圖1 PXI機(jī)箱外形

PXI 機(jī)箱實(shí)現(xiàn)了集成的定時(shí)和同步，PXI 模塊可以使用機(jī)箱底板上的共享信號(hào)發(fā)送和接收觸發(fā)信號(hào)并共享系統(tǒng)參考時(shí)鐘，更輕松地同步模塊和測(cè)量。PXI機(jī)箱通過集成最新的PCI Express 開關(guān)可以提高數(shù)據(jù)吞吐量；集成最新的英特爾多核處理器來實(shí)現(xiàn)更快更高效的并行測(cè)試。PXI機(jī)箱的功耗低、質(zhì)量輕，且外形尺寸小。

PXI控制器在配置的操作系統(tǒng)上可以加裝多種NI專門開發(fā)的工程軟件，從而操控插入的儀器模塊和IO 端口，完成用戶的測(cè)控需求，PXI控制器提供了嵌入式和遠(yuǎn)程2個(gè)選項(xiàng)。嵌入式控制器包含運(yùn)行PXI 系統(tǒng)所需的儀器，無需連接外部PC；而遠(yuǎn)程控制器則可讓用戶通過臺(tái)式機(jī)、筆記本電腦或服務(wù)器計(jì)算機(jī)控制PXI系統(tǒng)。

PXI系統(tǒng)將NI的多個(gè)專利技術(shù)集成到這些模塊化儀器中，這些技術(shù)包括同步內(nèi)存核心（SMC）、用于模塊化儀器的NI-TCLK 定時(shí)與同步技術(shù)、用于多功能數(shù)據(jù)采集的NI-STC3定時(shí)與同步技術(shù)、用于數(shù)據(jù)采集的NIMCal 校準(zhǔn)算法等［5］。這些技術(shù)的運(yùn)用確保了系統(tǒng)的性能處在業(yè)內(nèi)最高水平，確保了系統(tǒng)的測(cè)量性能與質(zhì)量，同時(shí)為一些要求較高的應(yīng)用提供可靠的測(cè)量質(zhì)量。

開發(fā)中采用了PXI 模塊化儀器平臺(tái)，這種基于PC機(jī)的高性能標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)量與自動(dòng)化方案，能夠以合理的價(jià)位享有很多易用且靈活的PC 技術(shù)、開放的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)以及與Compact PCI 產(chǎn)品的完全互用性。PXI 測(cè)試系統(tǒng)平臺(tái)不僅可以實(shí)現(xiàn)完備的MVB 網(wǎng)絡(luò)一致性測(cè)試，測(cè)試系統(tǒng)還可以延伸運(yùn)用于其他系統(tǒng)測(cè)試，如用作列車控制單元的功能測(cè)試。

3 基于PXI 的MVB 網(wǎng)絡(luò)一致性測(cè)試系統(tǒng)的構(gòu)建

基于PXI 的MVB 網(wǎng)絡(luò)一致性測(cè)試系統(tǒng)是通用的測(cè)試平臺(tái)，可以對(duì)MVB 網(wǎng)絡(luò)的電氣中距離介質(zhì)EMD 物理層以及MVB 網(wǎng)絡(luò)的鏈路層進(jìn)行測(cè)試，實(shí)現(xiàn)MVB 網(wǎng)絡(luò)的基本互聯(lián)測(cè)試和性能測(cè)試［6］。

3.1 測(cè)試原理

3.1.1 終端阻抗測(cè)量

終端阻抗測(cè)量包含2個(gè)內(nèi)容，一個(gè)是終端電阻R的測(cè)量，另一個(gè)是電感量X的測(cè)量。終端阻抗需要與EMD屏蔽雙絞線的特性阻抗匹配。特性阻抗可以表示為：

式中：X=∣Z∣sinθ，θ=tan-1（X/R）。

電阻的測(cè)量采用精密電阻測(cè)量?jī)x，在IUT斷電的情況下，測(cè)量被測(cè)設(shè)備A線和B線的端接電阻，要求終端電阻的電阻值范圍為120（1±2%）Ω。

感抗的測(cè)量采用LCR 測(cè)試儀，對(duì)電流波形和電壓波形的相位角θ進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)θ值計(jì)算感抗大小。

3.1.2 插入損耗測(cè)量

插入損耗是指由于插入元件或器件所產(chǎn)生的信號(hào)損耗，定義為輸出端口所接收到的功率與輸入端口的源功率之比，單位是dB。測(cè)試方法是采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行插入損耗的測(cè)量，測(cè)量的頻率范圍為0.5～2.0 BR。插入損耗測(cè)試示意見圖2。

圖2 插入損耗測(cè)試示意圖

3.1.3 傳輸過程中波形的測(cè)量

對(duì)傳輸過程中波形進(jìn)行測(cè)量可以判斷總線的傳輸質(zhì)量，如果總線上傳輸?shù)牟ㄐ闻c標(biāo)準(zhǔn)定義的波形相差過大，會(huì)導(dǎo)致總線上的通信設(shè)備無法準(zhǔn)確解析數(shù)據(jù)，從而無法進(jìn)行響應(yīng)。根據(jù)GB/T 28029.10—2020 中5.3.6.4，為了模擬電纜和設(shè)備作為發(fā)送器的負(fù)載，MVB一致性測(cè)試規(guī)定了輕載測(cè)試電路、重載測(cè)試電路、閑置測(cè)試電路和短路電路［7］。不同負(fù)載下的波形測(cè)試原理電路見圖3。

圖3 不同負(fù)載下的波形測(cè)試原理電路

3.1.4 接收器行為測(cè)試

行為測(cè)試在于對(duì)IUT接收器的能力進(jìn)行驗(yàn)證，即當(dāng)接收信號(hào)和理想信號(hào)的偏移量較大時(shí)，能否正確解析數(shù)據(jù)。接收器的行為測(cè)試是將衰減的主幀發(fā)送到被測(cè)設(shè)備IUT，利用示波器觀測(cè)檢驗(yàn)被測(cè)設(shè)備IUT 是否能響應(yīng)發(fā)送滿足要求的從幀，從而判斷接收器是否成功接收主幀。根據(jù)GB/T 28029.10—2020 中的5.3.6.4，接收器行為測(cè)試設(shè)定了閾值為200 mV和閾值為500 mV的接收器行為測(cè)試。測(cè)試系統(tǒng)采用串聯(lián)電阻的方法來實(shí)現(xiàn)主幀信號(hào)的衰減。

3.2 測(cè)試系統(tǒng)

測(cè)試系統(tǒng)是一個(gè)集成化的平臺(tái)，測(cè)試儀器集成在測(cè)試柜中（見圖4）。根據(jù)不同的測(cè)試項(xiàng)目，由PXI 系統(tǒng)組合不同的測(cè)試儀器來完成。測(cè)試儀器主要包括示波器、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、LCR 測(cè)試儀及精密電阻測(cè)試儀。這些儀器均利用PXI的矩陣模塊來實(shí)現(xiàn)測(cè)試儀器的連接和測(cè)試，另外還需要配置發(fā)送器測(cè)試用的重載、輕載及空載測(cè)試電路。該平臺(tái)可以對(duì)被測(cè)設(shè)備的狀態(tài)、過程數(shù)據(jù)的通信能力以及從設(shè)備的消息數(shù)據(jù)的通信能力進(jìn)行完整的測(cè)試評(píng)估。傳統(tǒng)的一致性測(cè)試，各個(gè)測(cè)試項(xiàng)目是獨(dú)立進(jìn)行的，而該測(cè)試系統(tǒng)將分散的測(cè)試項(xiàng)目進(jìn)行集成，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測(cè)試，能夠在線切換測(cè)試項(xiàng)點(diǎn)和存儲(chǔ)測(cè)試數(shù)據(jù)。

圖4 測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.3 測(cè)試軟件

MVB一致性測(cè)試系統(tǒng)的軟件是基于實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器工程平臺(tái)（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench，LabVIEW）構(gòu)建的。LabVIEW 是一種圖形化的編程語言，編程采用框圖形式的流程化結(jié)構(gòu)。Lab-VIEW集成了滿足GPIB、VXI、RS-232和RS-485協(xié)議的硬件及數(shù)據(jù)采集卡通信的全部功能，提供了常用的測(cè)試控件，如示波器、萬用表等，可以更加便捷地設(shè)計(jì)用戶界面；前面板即用戶界面，可以設(shè)置按鈕、波形顯示控件等，程序面板即編寫程序［8］。編寫過程中可以調(diào)用Lab-VIEW的函數(shù)庫和VI的程序模塊。使用LabVIEW的圖形化界面設(shè)計(jì)使編程更易操作。圖形化編程示例見圖5。

圖5 編程示例

4 MVB網(wǎng)絡(luò)一致性的測(cè)試實(shí)踐

MVB網(wǎng)絡(luò)一致性測(cè)試實(shí)踐結(jié)構(gòu)示意見圖6。

圖6 MVB網(wǎng)絡(luò)一致性測(cè)試實(shí)踐結(jié)構(gòu)示意圖

4.1 測(cè)試環(huán)境

MVB網(wǎng)絡(luò)一致性測(cè)試需要首先建立一個(gè)測(cè)試環(huán)境，即建立1個(gè)基本的MVB通信網(wǎng)絡(luò)。因此建立由1個(gè)主節(jié)點(diǎn)、2個(gè)從節(jié)點(diǎn)組成的MVB網(wǎng)絡(luò)，其中主節(jié)點(diǎn)作為總線管理器BA，1個(gè)從節(jié)點(diǎn)為模擬被測(cè)的IUT。主節(jié)點(diǎn)設(shè)備地址為0x11；設(shè)置9 個(gè)源端口，地址為0FF、201、202、203、204、205、206、301、302；7 個(gè)宿端口，地址為210、211、212、213、3A0、3A1、3A2。從節(jié)點(diǎn)1 的設(shè)備地址為0x21。從節(jié)點(diǎn)1設(shè)置4個(gè)源端口，地址為210、211、212、213；設(shè)置6 個(gè)宿端口，地址為201、202、203、204、205、206。從節(jié)點(diǎn)2設(shè)為模擬IUT，其設(shè)備地址為0x3A，設(shè)置3 個(gè)源端口，地址為3A0、3A1、3A2；2個(gè)宿端口，地址為301、302。傳輸?shù)倪^程數(shù)據(jù)的特征周期有64、256、512、1 024 ms；過程數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度有16、32、64、128、256 bits 5種，對(duì)應(yīng)的F-code碼是0～4。

MVB網(wǎng)絡(luò)過程數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕緱l件是需要建立周期信息的實(shí)時(shí)調(diào)度表。根據(jù)上述信息研究開發(fā)過程中采用LCM/HCF（最小公倍數(shù)/最大公約數(shù)）方法確定MVB 實(shí)時(shí)調(diào)度表的規(guī)模，然后用同步RM調(diào)度算法對(duì)各MVB周期數(shù)據(jù)分配相應(yīng)的優(yōu)先級(jí)，建立相應(yīng)的實(shí)時(shí)調(diào)度表［9］。在BA上輸入實(shí)時(shí)調(diào)度表后，MVB網(wǎng)絡(luò)即可運(yùn)行。

4.2 測(cè)試實(shí)踐

4.2.1 終端電阻測(cè)試

電阻測(cè)試采用的測(cè)試儀器為精密電阻測(cè)試儀。電阻測(cè)試界面見圖7。在選定微電阻測(cè)試儀端口后，對(duì)波特率和采集的數(shù)據(jù)量進(jìn)行設(shè)置，即可點(diǎn)擊“電阻測(cè)試”進(jìn)行端接電阻測(cè)試，測(cè)量所得的電阻值能夠?qū)崟r(shí)顯示和存儲(chǔ)。

圖7 電阻、電感測(cè)試界面

4.2.2 電感測(cè)試

電感測(cè)試采用的測(cè)試儀器為L(zhǎng)CR 測(cè)試儀，電感測(cè)試界面見圖7，在選定LCR測(cè)試儀端口后，對(duì)測(cè)試儀的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，即可點(diǎn)擊“電感測(cè)試”進(jìn)行電感測(cè)試，測(cè)量所得的電感值能夠?qū)崟r(shí)顯示和存儲(chǔ)。

4.2.3 插入損耗測(cè)試

插入損耗采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試。在圖8所示的界面上配置矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的端口后，選擇開始頻率為0.75 MHz，終止頻率3.0 MHz，S參數(shù)選擇S21，配置完成后點(diǎn)擊“插入損耗測(cè)量”，插入損耗的測(cè)量值能夠?qū)崟r(shí)顯示并存儲(chǔ)。

圖8 插入損耗測(cè)試界面

4.2.4 傳輸過程中波形的測(cè)量與接收器行為測(cè)試

傳輸過程中信號(hào)波形的測(cè)量與接收器行為測(cè)試采用的測(cè)試儀器為示波器。在圖9 所示界面的右上角實(shí)現(xiàn)對(duì)示波器參數(shù)的配置，總線上當(dāng)前傳輸?shù)牟ㄐ螌?shí)時(shí)顯示在界面上方的波形顯示圖內(nèi)，點(diǎn)擊“截取波形”后，被截取的波形顯示在左下角的波形顯示圖內(nèi)，點(diǎn)擊“計(jì)算波形”，平臺(tái)系統(tǒng)對(duì)截取波形的最大幅值、最小幅值、相鄰脈沖幅值之差、理論過零點(diǎn)與實(shí)際過零點(diǎn)之差等參數(shù)進(jìn)行測(cè)量和存儲(chǔ)。

圖9 波形與行為測(cè)試界面

5 結(jié)束語

基于PXI 的MVB 網(wǎng)絡(luò)一致性測(cè)試系統(tǒng)平臺(tái)將原本分散的各自獨(dú)立的MVB 網(wǎng)絡(luò)物理層一致性測(cè)試集成為一個(gè)完備的測(cè)試裝置，系統(tǒng)平臺(tái)不僅能夠完成MVB 網(wǎng)絡(luò)物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的一致性測(cè)試，并具有一定的智能化性能。該測(cè)試系統(tǒng)平臺(tái)能夠保證測(cè)試數(shù)據(jù)的可靠性和完整性，同時(shí)為測(cè)試數(shù)據(jù)的可追溯性創(chuàng)造了條件。