基于虛擬儀器技術的地面電子單元自動測試系統研究

王 丁，王財進，徐 寧，王 瑞

(中國鐵道科學研究院通信信號研究所，北京 100081)

隨著我國高速鐵路的不斷發展，點式應答器設備[1]在列控系統[2]中得到了普遍應用，地面電子單元[3]作為有源應答器[4-5]的關鍵控制設備，其出廠各項技術指標直接關系到實際應用中的可靠性，對列車運行的安全性具有重大影響[6-7]。

CRCC(中鐵鐵路產品認證中心)認證標準實驗中規定了地面電子單元(LEU)每個單一接口的詳細參數指標及判斷標準，由于LEU對外輸出實為不同接口信號的復合疊加，所以認證試驗中一般需要保留待測接口而屏蔽其他接口信號輸出，要做到這一點往往需要改動受測設備。對于認證試驗，此方法可以做到精確測得每個接口參數，然而出于適應設備批量生產出廠檢驗的需求，設備檢測手段也必須做出相應調整，要求在不改動設備的前提下得到單一接口的參數，這就增加測試的難度，需要測試人員在由多個接口混合疊加的信號中分離出某個單一信號并測得其各項指標。

在沒有實現自動化測試前，地面電子單元(LEU)的出廠檢驗測試通常需要3個環節：上位機通信測試、輸出信號質量測試和信號數據內容測試。上位機通信測試需要使用工控機及專用軟件模擬真實通信狀態；輸出信號質量測試需由測試人員使用示波器從LEU各端口采集輸出信號，人工分析判斷波形是否達標；信號數據內容測試[8-9]則需要將LEU連接有源應答器后由測試人員讀出報文內容，人工核對數據正確性。人工測試的優勢在于可以利用人對于圖形的理解根據波形圖線判斷設備是否達標，而自動測試則需要通過后臺編程將波形細分為數據點再逐點進行分析最后給出判斷。

對于LEU設備的批量化檢測而言，傳統人工測試方式存在如下缺陷：(1)由人工負責判斷信號波形質量，與有關標準對接模糊，很難去除隨意性；(2)測試的3個環節，各自使用不同設備測試，數據無法統一記錄；(3)測試需要在多個設備之間切換，操作繁瑣。這種工作模式已經不能適應我國當前的鐵路信號系統裝備制造標準化、智能化發展的需求。

筆者針對這些實際情況，利用Labview虛擬儀器技術[10-11]，對構建地面電子單元自動化測試平臺作了有益探索。

使用NI PXI-1085系統附帶的硬件采集板卡，通過Labview虛擬儀器編程技術[12]實現：(1)模擬上位機通信[13]并自動完成測試序列；(2)自動采集設備輸出信號[14]并保存數據；(3)自動判斷測試結果并記錄存檔。

虛擬儀器搭建自動測試平臺具備如下優點：(1)大幅提高測試速度并簡化設備配置；(2)剔除人為因素，在分析信號時精確執行標準；(3)完整高效地記錄試驗數據。

1 地面電子單元測試概述

LEU性能測試工作的重點在對兩個接口的測試上，一個是它與有源應答器之間的通信接口C[15]；另一個是它與列控中心/聯鎖通信的接口S。其中C接口又細分為C1接口和C6接口。

原鐵道部“科技運函[2004]114號”文對此類產品及品質檢驗有技術細則要求[16]，但在實際操作中，由于檢測條件的限制，人工檢測方法僅能夠對LEU輸出的信號進行簡單辨識。測試同一臺設備需要搭建兩個環境，一個用于測試報文內容；另一個用于采集波形信號。之后再由人工判斷波形是否合格，如圖1所示。

圖1 測試同一臺設備需要兩套測試系統

現場工作時，單憑人工無法完成 C1接口數據傳輸速率的測試，往往需要采集數據后再使用專門軟件計算速率。在LEU與上位機通信接口測試和傳輸不同報文序列測試等項目中情況相同，無論是人工核對應答器報文還是判斷波形信號各項參數，操作繁瑣且易出錯。工作效率明顯低下。主要原因是人工測試方法試驗的設備集成度不高，檢測現場須另搭建不同的測試環境。這種傳統方式測試精度有限且需要較長測試周期和較高的試驗成本。

2 自動化測試平臺設計

針對上述情況，統籌考慮LEU與上位機通信的各種測試項目及其所用測試儀器的功能，選用NI PXIe-1085系統[17]作為測試平臺的核心設備比較合適。該設備不僅具有通用PXI/PXIe總線硬件平臺，還具有LabVIEW 軟件平臺[18]，可以在硬件測試的同時，通過LabVIEW圖形語言實時調用PXI-1085系統各外圍功能板卡，分析和處理板卡采集到的數據。實現測試系統和測試工作的集成集約化。該系統硬/軟件設計如圖2、圖3所示。圖中LEU各接口的信號或數據分別通過S和C接口傳遞到PXI系列串行口和示波器及C1信號采集電路。原始信號與接收、比較、分析數據均在一個硬件電路系統中。由統一的LabVIEW圖形語言實現對各板卡的硬件功能實時調用。圖4為測試配套一體化平臺儀器面板。

圖2 PXI-1085測試平臺組態框圖

圖3 測試平臺的LabVIEW編程

圖4 PXIe-1085測試平臺儀器面板

3 地面電子單元自動化測試的實現

LEU設備整機測試[19]，要求在不改動設備原始出廠封裝的情況下測試各個接口參數性能。 LEU對外輸出的信號是由多個不同功能接口信號混合疊加而成，如何既不拆卸設備改動電路又能分別得到各個接口完整的信號參數？這當中對C接口[20]的測試處理是整個平臺正常工作的關鍵所在。在測試中采用虛擬儀器的波形分析功能和外圍電路配合，對采集到的、混疊在一起的C1與C6復合信號進行分解剝離處理。

3.1 C1接口數據傳輸速率測試模塊

C1接口信號承載報文數據信息。它以方波或眼圖[21]的形式疊加在C6信號上。因此必須先要抑制C6信號的影響和干擾，才能有效地測試C1信號的數據傳輸速率。

C1信號采集電路的硬件電路使用電容電感作一級濾波，減小對C1信號的干擾，再用電壓反饋型放大器對衰減的信號重新放大，最后使用比較器電路(圖5)將信號轉換為方波信號。該方波信號即為C1接口的報文信息。

圖5 硬件采集電路(電壓比較器)

C1接口采用DBPL編碼(差分雙向電平編碼，圖6)方式傳遞信息。當碼元為1時，與上一位的波形保持一致，當碼元為0時，與上一位波形相反。DBPL信號解碼算法通過分析波形高低電平的持續時間，判斷本碼元是否與上一碼元波形一致。測試C1接口的平均數據傳輸速率必須抓取超過一定數據量(1 500 bit)的波形原始信號，然后按照DBPL解碼算法才能將該原始信號承載的數據解析出來。

圖6 差分雙向差分電平編碼

通過統計1 500 bit數據的原始信號時間長度得出傳輸速率，在虛擬儀器上該模塊工作前面板如圖7所示。

圖7 C1接口速率測試結果顯示

3.2 C1、C6信號幅值及頻率測試模塊

該測試模塊的功能是計算出C1、C6信號的峰峰值及C6信號的頻率。由于C1、C6信號是疊加在一起輸出的，從波形上看C6信號是周期性的正弦波，而C1信號是無周期性的方波信號。在保持LEU整體結構不變的情況下，該測試模塊先利用外部電路將C1信號分離出來轉換為方波，再反饋給輸入端，與原始信號一同采集。此時兩路信號是同步且共享時間軸，見圖8。測試模塊通過方波脈沖定位C1信號的碼元，又經過計算得出各個碼元的極值。這種利用0、1碼元的差值確定C1信號的峰峰值的方法，可以多次迭代分析大量波形數據求取最大值。

圖8 C1、C6信號的波形與相位

由于C6信號為周期正弦信號，測試模塊可以調用Labview內嵌的提取單頻信息子VI，通過帶Hanmming窗的快速傅里葉變換(FFT)算法可以方便快捷地分析出C6信號的周期、頻率和幅值等必要參數。

得到C1、C6信號的基本特征后，C接口復合信號的各項技術指標就有了判定基礎。經過分析處理，測試結果顯示在前面板，采集到的波形顯示在面板中部，并可用游標對測量數據進行人工擬合。如圖9所示。

圖9 C接口復合信號分析面板

3.3 S接口測試模塊設計

硬件使用PXIe-8431串口通信接口板卡。軟件使用Labview圖形語言編程。在其中調用VISA函數模塊設置串口參數。S接口的調試軟件可以選擇多路不同應答器報文，按協議規范，通過S接口發送至LEU設備；每一路報文可以自由更換內容及報文切換時間；顯示及記錄報文發送內容；記錄LEU設備通信狀態等功能。

4 測試實例

以LKY1.LEU型LEU整機測試為例。使用本套基于虛擬儀器技術研發的地面電子單元自動測試平臺，各檢測程序模塊按功能順序以選項卡方式從左到右依次切換。步驟如下：

步驟一，使用S接口測試模塊，模擬LEU和上位機通信的環境，實時監測S接口通信狀態。期間可以更換傳輸報文內容，工作正常則綠燈亮。

步驟二，打開C1接口數據傳輸速率測試模塊。注意面板右側信息顯示，軟件會自動計算信號的傳輸速率、核對報文內容，若兩者均正確，如圖7所示，綠燈亮起。

步驟三，使用C1信號幅值、C6信號幅值及頻率測試模塊，對C接口復合信號的各個指標進行再確認，測試結果顯示在面板右側，采集到的波形顯示在面板中部，可以使用游標對測量數據進行人工復合，如果測試合格，綠燈亮，如圖9所示。

最后，將選項卡切換到測試結果一欄，檢測結果會顯示在測試記錄表格內。如果左上角的綠燈亮，則表示該LEU設備性能全部達標，如圖10所示。

圖10 測試結果顯示前面板

5 結論

由于目前我國鐵路信號對地面電子單元整機檢測尚無統一標準，制造廠家和驗收單位對設備成品檢定的方法也各自為政。CRCC認證試驗中一般采用屏蔽其他接口硬件輸出的情況下對某單一接口進行測量，此方法不適用于設備批量檢測。本測試平臺把先進的虛擬儀器技術應用到檢測中，對地面電子單元做整機成品綜合性能檢驗，在不屏蔽其他接口輸出的情況下，可以完成對單一接口信號參數的檢測，檢驗精度和工作效率都收到了明顯的效果。相信隨著測試技術的不斷深入和大范圍的推廣應用，其在高鐵信號設備品質檢驗、產品質量把關方面發揮越來越大的作用。