TCN網絡通信一致性測試自動化實現*

姚 放，穆瑞琦，，王童毅，夏 菲，，孔 元

（1 北京縱橫機電科技有限公司，北京100094；2 中國鐵道科學研究院集團有限公司 機車車輛研究所，北京100081）

隨著中國的軌道交通行業迎來巨大的發展機遇，鐵路里程增加以及新技術、新工藝的需求，必然導致動車、機車及其系統設備的需求大增，由于相關設備來自于不同國家或不同廠商，為了列車的安全性和穩定性在設備上車運行之前需要對其進行符合協議標準的一致性測試。

目前國內大部分一致性測試系統采用手動或者半自動的方式對相關設備進行一致性測試，單個設備檢測周期一般為1～2周，測試過程中存在大量的人機協調操作，人工操作也會引入一定的偶然誤差。

針對當前階段TCN設備一致性測試需求大、一致性測試周期長的情況，將自動化測試引入TCN一致性測試領域勢在必行，通過自動化設計將極大地減少測試過程中的人員參與，將大量人機協調操作轉變為自動化程序控制，減少偶然誤差的引入，提高測試效率，壓縮測試周期，以達到高效、快速、準確測試的目的。

文中將針對TCN一致性測試臺的自動化實現進行詳細介紹，主要包含自動測試平臺的組成架構、自動化實現方法。

1 TCN一致性測試的主要內容

根據GB/T 28029.2-2011一致性測試標準規定，一致性測試分為靜態測試和動態測試。靜態一致性測試主要是對PICS（Protocol Implementation Conformance Statement，協議實現的一致性陳述）內容的回答，動態一致性測試通過對IUT（Implemen?tation Under Test，被測設備）施加激勵，檢測其在受控環境中的動態性能。

TCN一致性測試主要針對列車通信網絡和車載設備的一致性測試，分為設備級一致性測試和車輛級一致性測試。設備級測試針對MVB設備、WTB設備、網關設備，主要測試相關設備的物理接口、數據鏈路層和實時協議；車輛級測試針對WTB車輛檢測不同車輛之間的互聯互通操作性。

目前TCN一致性測試多采用自動、半自動和手動結合的方式實現，測試過程中需要根據主控系統提示進行接換線、配置設備等操作，人員依賴性較大、對人機交互設計的要求很高，實際測試時測試人員需要在測試過程中階段性地執行相關操作，因此十分有必要開發TCN一致性測試的自動化測試裝置。

2 自動化測試實現

2.1 設計需求

按照標準GB/T 28029.2-2011要求，一致性測試由以下步驟組成：

（1）PICS編輯；

（2）PIXIT編輯；

（3）測試選擇和參數確定；

（4）基本互連測試；

（5）能力測試；

（6）行為測試；

（7）測試結果的復核和分析；

（8）綜合、結論及一致性測試報告的生成。

TCN一致性測試的基本執行流程如圖1所示，PICS靜態一致性測試是根據測試結果篩選需要進行的測試項，在執行測試過程中依據PIXIT對測試設備進行相關配置，并對測試結果進行分析判斷。依據PICS信息、測試執行結果、測試結論等內容整合以形成TCN一致性測試報告。

圖1 TCN一致性測試執行流程

半自動測試中靜態測試和動態測試分離，動態測試相關測試項為人工依據靜態測試進行判定，使得一致性測試整體流程不緊密，測試數據及結果未進行統一管理，后續一致性測試報告生成時需人工進行數據整合，因此設計一款測試管理軟件進行測試數據記錄管理和測試報告生成，這樣可節省大量文本編寫和數據管理時間。

此外現有動態一致性測試的實現方法多以手動和半自動方式為主，將萬用表、LCR測試儀、矢量網絡分析儀（VNA）、示波器、MVB陪試設備、WTB陪試設備、負載電路、衰減電阻和直流電源按照一致性協議規定的測試電路進行連接，按照要求對IUT和陪試設備進行配置，并對IUT反饋信號進行檢測，在整個測試過程中需多次接換線和操作設備，以非預加重MVB 4類設備的一致性測試為例，整個測試過程共需切換測試電路42次，操作儀器對286個測試項點進行檢測，平均每次電路切換耗時10 min左右，平均每個測試項點耗時2.5 min左右，考慮測試用例要求的測試持續時間，完成所有動態一致性測試需22 h左右。

考慮到完成測試涉及的測試儀器并未呈現多樣性，主要以示波器和陪試設備為主，測試項主要對信號波形和信號報文進行測量和解析，因此可設計一款測試切換設備，將所有測試需要用到的測試儀器、線纜以及IUT連接起來，根據測試需要進行相關測試電路的匹配，并通過測試主機對測試儀器進行遠程控制，實現波形采集、信號解析、數據上傳、結果判斷等工作，以此將切換電路和測試項點實現的人工操作減到最少，同時實現動態一致性測試全過程測試數據的集中管理，減少其中的人工干預。

2.2 整體實現方案

TCN一致性測試的自動化實現需要從軟件系統和硬件系統2方面進行。

軟件系統自動化實現主要由2方面構成：

（1）將靜態一致性測試數據和動態一致性測試數據進行統一數據庫管理，以實現篩選動態一致性測試項、測試報告自動生成的目的；

（2）將所有測試項點的測試操作通過測試主機遠程控制測試設備，實現包括波形數據采集、波形指標分析、報文數據解析等功能。

因涉及測試項較多，為便于軟件管理及維護，軟件系統主要分為2個部分：測試管理軟件和測試執行軟件。測試管理軟件主要實現靜態一致性測試數據管理、動態一致性測試用例篩選、執行控制和測試報告生成；測試執行軟件主要實現測試設備控制、測試用例實現和測試結果分析處理功能。在層次結構上，測試管理軟件處于TCN一致性測試系統最上層，直接與用戶進行交互，其下為測試執行軟件，與硬件系統進行交互。

硬件系統自動化主要是由測試切換設備實現。實現方式為將測試儀器、負載電路、IUT連接起來，由系統提供控制接口，并根據測試需要進行電路匹配控制。由于測試儀器端口有限，在設計測試切換設備時需考慮端口復用的問題。電路匹配一般使用繼電器切換來實現，其端口復用度越高，相關切換電路越復雜，繼電器數量越多，電路匹配時測試電路上的無效電路分叉越多，引入的測試誤差越大。為了降低測試誤差，提升測試精度，按照總線類型不同、通信介質不同、被測設備不同，將測試切換設備分為WTB測試切換設備、MVB測試切換設備，其中MVB類測試切換設備又將中繼器測試單獨獨立出來，設計專用的測試接口。此外矢量網絡分析儀相關測試用例對外部信號、阻抗匹配高度敏感，需將其獨立出來，專門設計相關測試切換設備。

同時，對于測試過程中需要用到的負載電路、衰減電路、直流電壓源等，為減小接口及線纜引入的誤差，減少外部接口數量，將上述器件集成設計到測試切換設備內，通過繼電器切換進行使用。

綜上，TCN一致性測試自動化系統架構框圖如圖2所示，測試管理軟件處于系統最上層，與測試執行軟件進行交互，實現測試管理和數據管理功能，測試執行軟件處于系統中間層，主要用于測試項的具體實現和結果判斷，其直接與測試儀器進行交互。

圖2 TCN一致性測試自動化實現方案框圖

2.3 硬件系統關鍵技術

TCN一致性自動化測試硬件系統的關鍵技術為測試切換設備的實現。根據設計系統方案，設計難點主要有阻抗匹配問題和串擾隔離問題，根據整體方案設計，測試切換設備分為MVB測試切換設備、WTB測試切換設備、矢網測試切換設備，其中矢網測試切換設備的實現難度最高。下面將就此對測試切換設備的實現進行介紹。

由于矢量網絡分析儀的特性阻抗為50Ω，而MVB和WTB通信介質的特性阻抗為120Ω，若不進行阻抗匹配轉換，在使用矢量網絡分析儀進行插入損失測試時，IUT實際插入損失將淹沒在測試設備阻抗不匹配所導致的插入損失內，因此需要進行阻抗轉換設計。此外，矢量網絡分析儀輸出是單端線路，IUT是差分線路，還需要進行單端轉差分設計，經過調研可使用巴倫進行阻抗匹配和單端轉差分，原理如圖3所示。

圖3 矢網測試切換設備阻抗匹配原理圖

由于連接矢量網絡分析儀、矢網測試切換設備及連接矢網測試切換設備和IUT的測試線纜也會引入測試誤差，所以為了提高測試精度，在進行測試之前需進行校準，為了校準方便將相關校準電路設計到矢網測試切換設備中，通過程序控制實現自動化校準。矢網測試切換設備切換原理圖如圖4所示。

圖4 矢網測試切換設備切換原理框圖

2.4 軟件系統關鍵技術

TCN一致性自動化測試軟件系統的關鍵技術為上位機測試控制軟件的實現。根據系統設計方案，軟件系統的層次架構設計如圖5所示，測試管理軟件構成人機交互層，功能為測試用例管理、參數配置管理、測試執行控制、測試報告管理。測試執行軟件分為兩層：通用庫層和測試用例層，通用庫層由通信庫（上下位機通信）、設備庫（測試設備控制）、過程庫（測試結果判斷、過程文件處理）、算法庫（波形處理算法）組成；測試用例層由MVB測試用例和WTB測試用例組成，測試執行軟件以exe的形式為測試管理軟件調用，兩者之間的通信邏輯如圖6所示。

圖5 軟件系統架構

圖6 軟件通信邏輯關系圖

測試管理軟件的軟件架構如圖7所示，軟件引入功能定義，一個功能對應一個IUT，每個IUT均建立一個工程，所有測試相關文件數據均存儲在對應的工程文件夾內，軟件啟動后進入工程配置頁面。先選擇IUT的總線類型，其后根據選擇的總線類型跳轉到向導配置頁面，此頁面對應一致性測試過程中的靜態一致性測試，可以根據IUT的PICS信息進行相關配置，配置完成后系統自動跳轉至測試用例篩選頁面，顯示IUT對應的動態一致性測試用例，確認后跳轉至報告信息配置頁面，此頁面是填寫一致性測試報告生成需要的相關信息，確認后至主界面開始執行動態一致性測試。

圖7 測試管理軟件層次架構

若有PIXIT信息需要設置，可在主界面菜單欄的過程和標準參數配置頁面進行配置，軟件將自動對陪試設備進行設置，使之建立動態一致性測試需要的配置文件。開始測試后測試管理軟件將根據總線類型調用測試執行軟件的exe文件，并按照篩選的測試用例執行通信邏輯以完成動態一致性測試。測試過程中的所有原始數據及測試結果均保存在數據庫中，測試完成后可根據需要調用數據庫數據及原始圖片，生成測試報告及相關記錄文件。

3 效果與結論

TCN一致性自動化測試系統的核心設計理念是根據一致性測試標準通過程序，控制測試切換設備實現電路匹配，將測試設備和IUT組成規定的測試電路，根據測試項點對測試設備進行程控，以完成各測試項點參數的監測。

以“非預加重重載測試電路下傳輸過程中信號波形的測量”為例，一致性測試標準要求對最大幅值、穩態幅值、穩態幅值差、信號上升或下降速率、抖動、最大幅值與穩態幅值比等測試項進行測量，每個測試項需要進行信號觸發、波形定位、測試點定位、圖片存儲。全自動化測試實現了軟件及硬件匹配后各個測試項點的快速、準確、便捷的測試過程，并實現了現場直接出具報告的功能。

經過對比，GB/T 28029.2-2011規定的MVB和WTB動態一致性測試項均可以自動化實現，具體測試用例組成見表1、表2。

表1 MVB測試用例組成

表2 WTB測試用例組成

TCN一致性測試自動化實現后，測試電路切換和測試儀器操作均由程序控制實現，減少了人機交互操作，降低了測試成本和測試周期，同時將文本編輯工作交給軟件實現。

TCN一致性測試的物理層測試對于信號波形、電阻、電感、插入損耗、特性阻抗等物理參數的測試精度均有較高的要求，通過對同一IUT自動測試和手動測試的結果對比，自動測試結果相對手動測試結果偏差降低約為3%～5%，提高了TCN一致性測試的準確性，降低了人為因素的干擾。

綜上所述，TCN網絡通信一致性測試的自動化實現將極大提高測試效率，降低測試成本，提高測試精度，對TCN一致性測試領域的發展具有重大意義。