牽引系統控制單元自動化測試設備的研制

申瑞源,張順廣,楊光威,趙紅衛

(1 鐵道部運輸局 裝備部,北京100844;2 中國鐵道科學研究院 機車車輛研究所,北京100081)

TCU(Traction Control Unit,牽引控制單元)和CCU(Central Control Unit,中央控制單元)是用于鐵路機車車輛的微控制產品。其產品特點是邏輯功能復雜,作用關鍵。牽引系統控制單元自動化測試設備基于保證TCU/CCU產品質量和提高生產效率的目的而研制,為TCU/CCU嚴格把握產品質量關的檢測設備。

1 設計原則

1.1 技術成熟性和先進性

牽引系統控制單元自動化測試設備檢測的對象是TCU/CCU(包含其中的功能板卡)。研制自動化測試設備要充分考慮被測對象自身的設計理念和實現的技術手段。測試設備采用的技術既要成熟可靠,也同時兼顧技術的先進性原則。

1.2 可靠性、安全性和易操作性

自動化測試設備應該具有很好的可靠性,只有測試設備自身可靠和穩定才能為被測對象的質量把關。

同時,應充分考慮系統安全性。不僅要確保被測對象的測試安全和測試設備安全,而且要確保設備的操作人員安全。

自動化測試設備設計要充分體現“以人為本”的指導思想。在滿足系統功能需求的前提下,硬件系統的操作、軟件系統的人機接口設計以及操作界面將做到美觀實用,操作簡便,同時建立完善的幫助系統、為使用人員提供良好的學習和操作環境。

1.3 可擴展性和標準化

鐵路的快速發展,需求不同速度等級的機車車輛共存。根據不同的速度等級,TCU和CCU產品也略有不同。自動化測試設備應考慮到被測對象的產品升級,增加對測試資源的要求,所以應具有可擴展性。盡量選擇標準化的模塊構建系統,使得系統具有良好的可擴展性。

2 測試需求分析

TCU/CCU具有7U尺寸大小的標準化機箱結構,由不同功能的板卡通過背板連接組合形成。為了能夠充分利用資源,研發的牽引系統控制單元自動化測試設備既能夠對TCU/CCU進行出廠前的功能測試實現自動化測試,也能夠對組成 TCU/CCU的各功能板卡進行板級自動測試。板級測試有著嚴格的性能參數指標要求,測試就是保證板卡滿足各種參數指標。TCU/CCU組合的功能測試,主要保證TCU/CCU的功能,對具體的參數要求主要由板級測試來保證。例如,二進制輸入板卡,是把車載的110 V輸入轉變成為微控制器可以讀取的電參數。在板級測試中,測試二進制輸入板卡的輸入發生跳變時,既要關注二進制輸入板卡的輸出有跳變,也要關注該板卡輸出跳變的延時是否滿足要求。而在TCU/CCU的組合測試中,針對二進制輸入板卡的輸入有跳變,測試只關注從CPU板卡能否讀到該輸入跳變。對于同樣的功能測試,板級測試和集成測試的側重點不一樣。

2.1 板級測試的需求分析

根據板卡的硬件,提供電源使得板卡能夠工作。為了對板卡進行測試,需要提供激勵。根據板卡功能的不同,需要提供的激勵信號也不一樣,有的板卡需要提供電壓,有的板卡需要提供電流源,有的板卡需要提供方波等。

根據對不同板卡進行測試的分析,總結對測試資源需求的最小組合,能夠滿足測試功能和測試精度的要求。

2.2 組合功能測試需求分析

TCU/CCU的功能測試主要是以測試TCU/CCU硬件功能為主,不包含TCU/CCU里面的軟件邏輯功能。在進行功能測試的時候,使用專用的測試程序。

為了對TCU/CCU進行測試,需要模擬車載的環境,使得TCU/CCU的硬件能正常運轉,從而能夠檢測相關硬件的功能。例如TCU中的某塊板卡有A/D(模/數)功能,板卡輸入是牽引變流器的中間電壓互感器的輸出。在TCU測試時,通過電流電壓源模擬中間電壓互感器的輸出連接到該板卡,然后用計算機的RS232口連接CPU(Central Process Unit,中央處理單元)板卡,讀取A/D轉換的結果與標準值比較,判定是否在約定誤差范圍內,從而得到該板卡的A/D(模/數)功能是否正常。

充分考慮為了測試TCU/CCU的各個功能,需要加載的信號激勵,歸納出組合測試時需要的測試資源。

3 方案設計

依據上述的設計原則,并綜合板級測試及組合測試需求分析結果,最終選擇了以VXI(VME-bus eXtension for Instrument,VME總線用于儀器的擴展)總線模塊化儀器為基礎,輔以具有程控接口的臺式儀器構建硬件測試平臺,并結合通用故障診斷軟件搭建通用性好、可擴展性強的牽引系統控制單元自動化測試設備。

VXI總線測試平臺是公認的21世紀儀器總線系統和自動測試系統的優秀平臺,是一種開放式的系統結構,它集成了計算機數字接口和模塊化儀器的優點。VXI總線模塊儀器優良的交互操作性,數據傳輸速率高,可靠性高,結構緊湊、標準開放、模塊可重復使用。虛擬儀器是以一種全新的理念來設計和發展的儀器。虛擬儀器本質上是一個開放式的結構,用戶能夠根據自己的需要定義儀器的功能。VISA(Virtual Instrument Software Architecture,虛擬儀器軟件結構)解決了所使用的計算機與儀器之間的接口與應用軟件開發環境的兼容性問題,因而廣泛應用在自動化測試領域中。臺式儀器用來彌補VXI總線儀器在功能和使用上的不足。

3.1 測試設備的程控體系架構

牽引系統控制單元自動測試設備建立以VXI測試總線為主,LAN(Local Area Network,局域網)總線和RS485總線為輔的程控儀器測試體系架構。測試系統設備的程控體系架構如圖1所示,主控計算機的LAN口連接HUB(集線器),通過LAN口對臺式儀器(波形發生器、數字示波器和數字源表)的程控;主控計算機通過PCI擴展RS485接口對程控電源和信號調理的控制;主控計算機通過1394總線接口控制VXI機箱的零槽控制器對VXI總線儀器的控制。

3.2 測試設備的組成

牽引系統控制單元自動化測試設備主要由硬件平臺、系統軟件和 TPS(Test Program Set,測試程序集)組成,如圖2所示。

圖1 牽引系統控制單元自動化測試設備的程控體系架構示意圖

圖2 牽引系統控制單元自動化測試設備的組成示意圖

硬件設備配置主要由:主控計算機、VXI測控組合、臺式測試儀器、直流程控電源、加電控制組合、調理組合 、ICA(Interface Connector Assembly,接口連接適配器組合)、ITA(Interface Test Adapter,接口測試適配器)、測試適配器以及系統自檢裝置等組成。

自動測試設備的軟件系統和TPS存在于主控計算機中,如圖2在橢圓形里的內容。主控計算機是整個測試設備的控制中心,協調處理各個測試儀器的工作,根據存儲在計算機中的TP(Test Program,測試程序)控制整個測試過程,包括施加激勵源、數據采集和處理、故障判斷等。VXI測控組合主要由VXI機箱和VXI總線儀器組成。臺式儀器主要由功率放大器、示波器、波形發生器和高精度數字源表組成。調理組合主要由64通道高壓繼電器開關、電阻負載、測試信號調理組成,用于模擬TCU/CCU正常工作時的負載及板級測試中的負載。程控電源用于提供被測對象供電及用于組合測試/板級測試中的電源供電波動測試。加電控制組合用于系統供電控制,并提供過壓過流保護。測試系統標準測試接口主要包括ICA和ITA兩部分。在測試時,被測對象通過專用適配板與標準測試適配器提供的測試資源連接。通過更換不同的專用適配器,可以重用測試設備的資源對不同的產品進行測試。通過更換TCU/CCU組合測試的適配器,可以進行集成測試。更換為板級適配器,可以進行板級測試。

TPS中分為自檢TP、用于測試TCU/CCU的T P和用于測試板卡的TP。自檢TP用于完成牽引系統控制單元自動測試設備的自檢,其主要功能可分為兩個方面。①通過自檢裝置,判定設備的主要技術指標是否合格,從而確認設備的工作狀態是否正常;②在設備故障時,可通過系統自檢,提供系統維護的相關信息。TCU/CCU TP是用于測量TCU/CCU的測試流程。板級TP用于測試板卡的測試流程,不同的功能板卡有對應的測試流程。

3.3 測試設備的工作原理

(1)集成測試的工作原理

自動化測試設備對TCU/CCU進行測試時,安裝TCU/CCU組合適配器,在主控計算機上的TP執行平臺執行對應T P,按照預先編制好的測試流程通過主控計算機的程控接口(1394、RS485、LAN)控制測試資源發送激勵信號,激勵信號通過標準測試接口發送至TCU/CCU組合適配器,再通過連接電纜加載到TCU/CCU;主控計算機與被測TCU/CCU有RS232接口連接,TP發送特定的指令讀取結果,并且判定讀取的結果與預定的結果是否一致,將判定結果輸入到報表中。自動化測試設備進行TCU/CCU測試時的工作原理如圖3所示。

圖3 牽引系統控制單元自動化測試設備進行TCU/CCU測試時的工作原理示意圖

圖4 牽引系統控制單元自動化測試設備進行板級測試時的工作原理示意圖

(2)板級測試的工作原理

自動化測試設備對板卡進行測試時,安裝板級測試適配器,插上對應板卡的轉接電路板,通過連接電纜與被測板卡的前面板連接器相連,被測板卡的背板連接器再連接回板卡的轉接電路板,形成閉環的連接。在TP執行平臺執行被測板卡的T P,通過主控計算機的程控接口控制測試資源發送激勵信號,激勵信號通過標準測試接口發送至板級測試適配器,通過被測板卡的轉接板和連接電纜(激勵信號)加載到被測板卡;測試結果再通過連接電纜(供電及結果)連到轉接板,然后再回到測試系統,主控計算機通過程控接口讀回數據,判定結果是否符合要求,把測試結果輸入到報表中。自動化測試設備進行板卡測試時的工作原理如圖4所示。更換與板級適配器相連的不同板卡的轉接電路板,可以對不同的板卡進行測試。

4 結束語

根據所描述的設計方案,研制的牽引系統控制單元自動化測試設備具有對TCU/CCU的功能及其中的板卡進行自動化測試的功能。在測試過程中減少了人為因素的影響,如減少操作信號源誤差、讀示波器誤差等引起的測試問題。測試結束后,能夠自動生成不可編輯的測試報告,確保測試結果的真實性,從而能夠充分保證產品的質量,提高生產效率。引入數據庫,增強數據管理功能,數據的可追溯性強。根據記錄的歷史數據,可以進行各種統計分析。如產品故障率和故障點等重要數據的統計分析,有利于找出在生產和組裝過程中產生的問題。

[1]張毅剛,等譯.VXI總線即插即用規范[M].哈爾濱工業大學出版社,1999.