機(jī)車車輛電氣設(shè)備通用測(cè)試系統(tǒng)

劉偉良，李小文，蘇 理，陳明奎

（株洲南車集團(tuán) 時(shí)代電氣股份有限公司 技術(shù)中心，湖南株洲412001）

牽引變流器、傳動(dòng)控制單元、輔助電源裝置、網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)、列車運(yùn)行監(jiān)控裝置等部件作為機(jī)車車輛電氣設(shè)備的核心組成部分，承擔(dān)了機(jī)車牽引控制和運(yùn)行安全監(jiān)控的絕大部分工作。它們的正常與否，直接關(guān)系到列車的行車安全。因此，在這些關(guān)鍵部件必須經(jīng)過(guò)縝密的測(cè)試，在功能和性能得到充分的驗(yàn)證之后才能上車安裝。這個(gè)過(guò)程中，地面測(cè)試裝置是必不可少的。

地面測(cè)試裝置需要模擬機(jī)車運(yùn)行條件，產(chǎn)生這些設(shè)備需要的各種輸入信號(hào)，實(shí)時(shí)檢測(cè)它們的各種輸出信號(hào)，并通過(guò)輸入輸出信號(hào)建立仿真模型完成仿真測(cè)試，從而從功能、性能上判斷設(shè)備的好壞。由于不同設(shè)備的差異性很大，其測(cè)試裝置往往由設(shè)備的開(kāi)發(fā)人員自行設(shè)計(jì)，這樣雖易于設(shè)計(jì)出最簡(jiǎn)化的裝置，但存在很多缺點(diǎn)：

（1）開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)。產(chǎn)品研發(fā)人員在開(kāi)發(fā)產(chǎn)品的同時(shí)，還需要花費(fèi)很大的精力設(shè)計(jì)測(cè)試裝置的軟硬件，必然會(huì)延長(zhǎng)產(chǎn)品及測(cè)試裝置的開(kāi)發(fā)周期。

（2）通用性不強(qiáng)，浪費(fèi)資源。隨著技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)品更新?lián)Q代的速度非常快，如果每次都需要重新設(shè)計(jì)測(cè)試裝置的話，工作量會(huì)很大，嚴(yán)重浪費(fèi)了研發(fā)資源。

（3）不便于測(cè)試人員操作。由于沒(méi)有統(tǒng)一的平臺(tái)，導(dǎo)致各種測(cè)試裝置的操作方式大不相同，給測(cè)試人員帶來(lái)很大的不便。

通過(guò)上述分析可知，我們有必要開(kāi)發(fā)一種通用的測(cè)試系統(tǒng)，使之適用于大多數(shù)機(jī)車車輛電氣設(shè)備的測(cè)試，從而提高開(kāi)發(fā)效率、減少測(cè)試人員的工作量。

1 解決方案

目前，國(guó)內(nèi)外有很多公司提供系統(tǒng)的測(cè)試解決方案，其中以美國(guó)NI公司的PXI平臺(tái)最具代表性，也最富有競(jìng)爭(zhēng)力。該平臺(tái)基于開(kāi)放性的PXI總線，通用性較好；同時(shí)整合了NI公司的軟件優(yōu)勢(shì)，能與LabVIEW很好的接口，可用性好。但是，由于機(jī)車車輛電氣設(shè)備的特殊性，它不適用于這些設(shè)備的測(cè)試。

（1）該P(yáng)XI平臺(tái)不能提供機(jī)車車輛電氣設(shè)備常用的信號(hào)和通訊接口，如110V的開(kāi)關(guān)量、高達(dá)400mA的模擬量和MVB通訊接口等。

（2）作為測(cè)試裝置，NI的PXI平臺(tái)售價(jià)昂貴，不適于批量生產(chǎn)。

基于上述分析以及現(xiàn)有的技術(shù)資源，本文提出一種自行設(shè)計(jì)的用于機(jī)車車輛電氣設(shè)備的通用測(cè)試系統(tǒng)。該系統(tǒng)的通用性強(qiáng)，能提供豐富的接口資源供被測(cè)設(shè)備使用；遵循模塊化設(shè)計(jì)理念，系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員可以根據(jù)被測(cè)設(shè)備的特性靈活地配置硬件資源。圖1為系統(tǒng)架構(gòu)圖。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

如圖1所示，該系統(tǒng)可以分為上位機(jī)、下位機(jī)和電源3個(gè)部分。上位機(jī)由工控機(jī)、人機(jī)交互設(shè)備及以太網(wǎng)交換機(jī)構(gòu)成，工控機(jī)為人機(jī)交互軟件的載體，可通過(guò)以太網(wǎng)與下位機(jī)及被測(cè)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。下位機(jī)為自行設(shè)計(jì)的6U控制機(jī)箱，包括背板和各種類型的插件，負(fù)責(zé)與被測(cè)設(shè)備接口，同時(shí)通過(guò)主控插件的以太網(wǎng)接口與上位機(jī)通信。電源系統(tǒng)主要由兩個(gè)AC／DC電源組成，其中一個(gè)要求輸出穩(wěn)定的110V直流電壓供控制機(jī)箱使用，另一個(gè)則需要提供0～150V范圍可調(diào)的直流電壓供被測(cè)設(shè)備使用。

2 控制機(jī)箱

控制機(jī)箱是整個(gè)測(cè)試平臺(tái)的核心，是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的6U插件箱，內(nèi)部由背板和插件構(gòu)成。該機(jī)箱內(nèi)的開(kāi)關(guān)電源插件和主控插件組成一個(gè)嵌入式系統(tǒng)，其他插件作為它的外圍設(shè)備通過(guò)背板總線或者硬連線加入到該系統(tǒng)內(nèi)。機(jī)箱拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 控制機(jī)箱拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖2右部所示的信號(hào)通道數(shù)為單塊插件所提供，實(shí)際使用時(shí)可以靈活配置。例如有些場(chǎng)合要求有更多的數(shù)字量入出通道，則可以增加一塊數(shù)字量入出插件。除恒流源和開(kāi)關(guān)電源插件外，其他7種插件均為AMS總線設(shè)備。其中主控插件作為總線管理器，可通過(guò)AMS總線向其余插件發(fā)送控制命令并進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

AMS總線是一種分布式的現(xiàn)場(chǎng)總線，具有雙向通信能力及單向操作性。本系統(tǒng)所采用的總線有16位數(shù)據(jù)線、20位地址線和4位板選地址線，理論上可掛接16個(gè)總線設(shè)備，但考慮到實(shí)際的應(yīng)用情況，只制作了8個(gè)槽位的背板，故系統(tǒng)只能容納8個(gè)AMS總線設(shè)備。

2.1 主控插件

主控插件是下位機(jī)的CPU板，采用ARM9微處理器，運(yùn)行VxWorks實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。插件擁有一個(gè)以太網(wǎng)接口，可實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)之間的通信，也能通過(guò)該接口實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序的動(dòng)態(tài)下載。同時(shí)，主控插件也是AMS總線管控中心，通過(guò)AMS總線對(duì)機(jī)箱內(nèi)插件進(jìn)行管理和數(shù)據(jù)交互。

2.2 模擬量插件

模擬量是機(jī)車車輛電氣設(shè)備測(cè)試系統(tǒng)常見(jiàn)的信號(hào)類型，包括－10～＋10V的低電壓信號(hào)、－30～＋30V的高電壓信號(hào)、－400～＋400mA的電流信號(hào)等，要求精度高，能模擬機(jī)車運(yùn)行過(guò)程中各種電壓、電流型傳感器的工作狀態(tài)，能檢測(cè)機(jī)車發(fā)出的各種模擬指令。在對(duì)被測(cè)設(shè)備的需求進(jìn)行調(diào)研后，為平臺(tái)設(shè)計(jì)了4種類型的模擬量插件（前3種均為AMS總線設(shè)備），便于測(cè)試系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員根據(jù)實(shí)際情況選用。

（1）模擬量輸出插件。通過(guò)一片F(xiàn)PGA控制多塊并行接口的D／A轉(zhuǎn)換器，采用間接頻率合成技術(shù)實(shí)現(xiàn)32路－10～＋10V電壓信號(hào)輸出，其中包括16路任意波形信號(hào)輸出和16路方波或直流信號(hào)輸出。同時(shí)，為充分利用插件的資源，還設(shè)置了4路15V電平的頻率信號(hào)輸出，由FPGA的IO口控制光耦器件來(lái)實(shí)現(xiàn)，可用于模擬機(jī)車速度傳感器的輸出信號(hào)。

（2）模擬量輸入插件。與模擬量輸出插件相同，該插件只有FPGA一個(gè)控制核心。FPGA與多塊光耦、串行A／D轉(zhuǎn)換器接口，可檢測(cè)12路－30～＋30V電壓信號(hào)、12路－200～＋200mA電流信號(hào)和8路15V或24V電平的頻率信號(hào)。

（3）模擬量入出插件。上兩種插件因都采用FPGA作為插件核心，故其計(jì)算能力差，在數(shù)據(jù)吞吐量較大時(shí)，會(huì)受AMS總線速率限制，實(shí)時(shí)性降低。模擬量入出插件采用DSP＋CPLD的模式，可實(shí)現(xiàn)16路－10～＋10 V電壓信號(hào)輸出、8路－200～＋200mA電流信號(hào)輸入和8路－30～＋30V電壓信號(hào)輸入。由于插件運(yùn)用了TI公司的F2812芯片，計(jì)算能力大大加強(qiáng)，使系統(tǒng)的應(yīng)用更加靈活。對(duì)于檢測(cè)一些數(shù)據(jù)吞吐量大的信號(hào)，可在插件上先進(jìn)行一番計(jì)算、分析，再傳送給主控插件，從而減少總線負(fù)擔(dān)。

（4）恒流源插件。非AMS總線設(shè)備，主要實(shí)現(xiàn)12路壓控電流源，可將模擬量輸出插件和模擬量入出插件輸出的－10～＋10V電壓轉(zhuǎn)換為電流，其中4路為－400～＋400mA、8路為－200～＋200mA。同時(shí)，插件上還設(shè)計(jì)了4路電壓放大通道，可將－10～＋10V電壓線性放大至－20～＋20V，滿足部分被測(cè)設(shè)備的特殊需求。

2.3 數(shù)字量和脈沖檢測(cè)插件

數(shù)字量入出插件提供12路110V開(kāi)關(guān)量輸入通道和20路110V開(kāi)關(guān)量輸出通道（110V由機(jī)箱外電源提供），均通過(guò)CPLD控制。輸入開(kāi)關(guān)量采用光耦電路檢測(cè)；開(kāi)關(guān)量輸出則采用MOS管和繼電器兩種形式，分別為8路和12路，滿足被測(cè)設(shè)備對(duì)開(kāi)關(guān)量頻率和電流輸出能力的不同要求。

機(jī)車車輛電氣設(shè)備為機(jī)車的變流裝置提供脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)，因此測(cè)試系統(tǒng)必須具備檢測(cè)脈沖信號(hào)的能力。脈沖檢測(cè)插件以FPGA為控制核心，可實(shí)時(shí)檢測(cè)12路脈沖信號(hào)。

2.4 通信接口插件

作為通用的測(cè)試系統(tǒng)，需要滿足各種被測(cè)設(shè)備的接口要求。機(jī)車車輛電氣設(shè)備常用的通信接口有MVB、CAN、USB和RS485，為使測(cè)試平臺(tái)具備測(cè)試這些接口的能力，我們?cè)O(shè)計(jì)了通信接口插件。該插件以飛思卡爾SPC5200處理器作為通信控制器，輔以MVBC專用芯片等外圍電路，實(shí)現(xiàn)了ESD和EMD兩種不同介質(zhì)的MVB接口以及CAN總線、RS485串行總線、USB接口。

2.5 開(kāi)關(guān)電源插件

開(kāi)關(guān)電源插件為控制機(jī)箱內(nèi)插件及風(fēng)扇供電。其輸入范圍為DC66～154V，采用DC／DC變換技術(shù)，可輸出穩(wěn)定的5V，±15V，±24V電源。

3 軟件

作為通用測(cè)試平臺(tái)，不僅需要硬件上做到通用，從軟件角度考慮也要著眼長(zhǎng)遠(yuǎn)。底層軟件必須做到通用，即應(yīng)用到任意一個(gè)被測(cè)設(shè)備，都不需要更新程序；應(yīng)用軟件則盡量采用模塊化設(shè)計(jì)，保證較好的可移植性。本文所介紹通用測(cè)試系統(tǒng)軟件可以分為兩個(gè)部分：嵌入式底層軟件和人機(jī)交互應(yīng)用軟件。

3.1 嵌入式軟件

控制機(jī)箱內(nèi)的插件除開(kāi)關(guān)電源和恒流源外，都包含可編程器件（如 ARM、DSP、PowerPC、FPGA、CPLD等），這些器件的程序都可以視作系統(tǒng)的底層軟件，因此編寫程序之前充分調(diào)研了目標(biāo)被測(cè)設(shè)備的需求，以求做到更好的通用性。

由于涉及的器件種類較多，各自程序的功能也不一致，此處不一一說(shuō)明，僅以模擬量輸出插件的FPGA程序?yàn)槔髟敿?xì)的闡述。前面講到模擬輸出信號(hào)的產(chǎn)生采用了間接頻率合成技術(shù)，而沒(méi)有采用現(xiàn)今流行的DDS直接數(shù)字頻率合成技術(shù)，原因有2個(gè)。（1）DDS技術(shù)需要較大的存儲(chǔ)空間存儲(chǔ)波形數(shù)據(jù)，往往一個(gè)通道就要求有10K的容量，而FPGA的RAM資源有限，不能滿足；（2）由于信號(hào)合成過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生相位截?cái)嗾`差，DDS輸出的信號(hào)雜散度較大。

圖3所示為信號(hào)合成流程圖。FPGA在上電后，程序會(huì)檢測(cè)通道輸出標(biāo)志位，若為1則使能分頻子程序和RAM輸出子程序，分頻模塊輸出的頻率作為RAM的輸出時(shí)鐘，控制RAM內(nèi)的數(shù)據(jù)到D／A轉(zhuǎn)換器的速率。同時(shí)，程序繼續(xù)檢測(cè)通道輸出標(biāo)志位的值，一旦變?yōu)?則退出分頻程序和RAM輸出程序，繼續(xù)等待該標(biāo)志位的變化到來(lái)。

圖3 信號(hào)合成流程圖

3.2 人機(jī)交互軟件

人機(jī)交互軟件是在工控機(jī)上開(kāi)發(fā)的PC軟件，為減小編程難度、縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間、提高設(shè)計(jì)效率，該應(yīng)用軟件采用美國(guó)NI公司的LabVIEW編程語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)。Lab－VIEW是一款專用于測(cè)試領(lǐng)域的圖形化編程語(yǔ)言，其開(kāi)發(fā)環(huán)境友好，控件豐富，可快速高效地搭建測(cè)試程序。

4 結(jié)束語(yǔ)

所論述的通用測(cè)試系統(tǒng)（圖4為系統(tǒng)外觀圖），緊扣需求，具備測(cè)試大多數(shù)機(jī)車車輛電氣設(shè)備的能力。系統(tǒng)采用工控機(jī)＋控制機(jī)箱的主體架構(gòu)，工控機(jī)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的處理、分析，控制機(jī)箱負(fù)責(zé)與被測(cè)設(shè)備接口。這樣的分工使系統(tǒng)既具有高性能的計(jì)算處理能力，又具備良好的實(shí)時(shí)性。同時(shí)，控制機(jī)箱內(nèi)的硬件資源可靈活配置，讓系統(tǒng)具有通用性、可擴(kuò)展性等特點(diǎn)。

圖4 測(cè)試系統(tǒng)外觀

該系統(tǒng)在沈陽(yáng)地鐵2號(hào)線的VVVF逆變器測(cè)試裝置研發(fā)中已經(jīng)得到初步應(yīng)用，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)用效果良好。同時(shí)，深圳地鐵5號(hào)線SIV測(cè)試設(shè)備、傳動(dòng)控制單元試驗(yàn)裝置也已使用該系統(tǒng)進(jìn)行開(kāi)發(fā)。未來(lái)，該系統(tǒng)將有更好的應(yīng)用前景，會(huì)大規(guī)模的應(yīng)用于交直機(jī)車、交流傳動(dòng)機(jī)車、城軌地鐵及工業(yè)變流領(lǐng)域。

［1］朱 明.基于多MPU嵌入式系統(tǒng)的列車運(yùn)行監(jiān)控裝置測(cè)試設(shè)備設(shè)計(jì)［J］.機(jī)車電傳動(dòng)，2010，（4）：40－42.

［2］陳小琴，蔣存波.基于Verilog HDL的多功能信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.儀器儀表學(xué)報(bào)，2008，29（4）：322－324.

［3］李進(jìn)進(jìn)，余長(zhǎng)超.7 200kW六軸交流傳動(dòng)電力機(jī)車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)功能測(cè)試臺(tái)［J］.機(jī)車電傳動(dòng)，2010，（3）：42－49.