基于LabVIEW的應答器I/O特性異物測試研究

魏曉飛

（北京鐵路信號有限公司，北京 102613）

應答器作為高速鐵路車地通信的關鍵設備，承擔著向列控車載設備傳輸線路速度信息、特殊定位信息、線路基本參數等重要信息的任務。隨著國內高速鐵路總里程超過2.9萬km，應答器設備廣泛的應用于高鐵線路中，針對應答器異物環(huán)境下性能測試技術的研究顯得越來越重要。

1 應答器輸入輸出（I/O）特性測試

目前，國內的應答器測試主要參考歐洲鐵路標準子集中歐標應答器測試規(guī)范subset-085和國內鐵道行業(yè)標準TB/T 3544-2018應答器傳輸系統測試規(guī)范的要求執(zhí)行。應答器輸入輸出（I/O）特性測試主要是測試應答器在自由空間和可能的運行環(huán)境（如異物覆蓋、地面存在金屬物）條件下，應答器感應的磁通量與應答器產生的上行鏈路電流之間的變化關系。

通過改變測試天線發(fā)射的磁通量，測量應答器上行鏈路信號強度，轉化成應答器的感應電流，通過測試天線發(fā)射磁通量和應答器上行鏈路電流對應關系，判斷應答器輸入/輸出特性。

1.1 測試指標

以阿爾斯通應答器為測試對象，根據標準subset-085和TB/T 3544-2018的要求，測試天線需要固定在距離應答器幾何中心[X=0，Y=0，Z=220]（X為縱向，Y為橫向，Z為高度，單位為mm）位置。

測試連接示意圖如圖1所示，Pcs為測試天線發(fā)送27.095 MHz信號轉化后的測量值，P42為應答器反饋4.23 MHz信號。

圖1 測試連接示意Fig.1 Test connection diagram

對于阿爾斯通應答器，它的下行鏈路磁通量和上行鏈路電流對應關系如表1所示。

表1 應答器磁通量與上行鏈路電流特性Tab.1 Balise magnetic flux and uplink current characteristics

測試天線發(fā)送27 MHz信號Pcs的磁通量偏置（大小變化）依照表2所示進行。

表2 27 MHz信號磁通量偏置Tab.2 Magnetic flux bias of 27 MHz signal

由于圖1中功率計1和功率計2測得的值為功率能量，需要通過公式（1）和公式（2）換算為磁通量和上行鏈路電流。

公 式（1）、（2） 中，Φd1、Iu2對 應 表 1中 的數值。P27RL為測試天線在空間位置[X=0，Y=0，Z=220]這一點的通過標準尺寸參考環(huán)的磁通量為Φd1時能量值。Pcs為天線發(fā)送的27 MHz信號能量值。

P42RL為在這一位置的標準尺寸參考環(huán)電流達到Iu2時發(fā)送4.23 MHz信號的能量值。P42為應答器反饋的4.23 MHz信號的能量值。

根據磁通量的偏置（大小變化）和上行鏈路電流對應關系，測試天線產生的磁通量從（Φd1-3）dB增加到Φd4，再從Φd4減小到（Φd1-3）dB。帶入公式（1）和公式（2），形成測試曲線，如圖2所示。

如圖2所示，應答器的響應曲線應該在圖中上下限之間的非陰影區(qū)域，在該區(qū)域內判定測試合格。

圖2 應答器輸入輸出特性Fig.2 Balise I/O characteristics

1.2 異物環(huán)境測試要求

應答器I/O特性異物環(huán)境下測試需要在規(guī)定的清水、鹽水、鐵礦石、金屬物、鋼枕、其他軌枕環(huán)境下進行。對于不同的測試環(huán)境，需要分別對P27RL和P42RL進行校準。

2 測試系統的實現

結合北京鐵路信號有限公司實驗中心應答器測試平臺，定制異物工裝，實現應答器I/O特性在異物環(huán)境下的測試。

2.1 測試系統的要求

對于應答器I/O特性測試，需要采集磁通量上升區(qū)和下降區(qū)共28個值以及對應的上行鏈路電流值，如果手動測試，效率和準確性無法保證。需要自動化的測試手段完成該測試。

2.2 基于LabVIEW測試系統實現

LabVIEW是一種用圖標代替文本行創(chuàng)建應用程序的圖形化編程語言。通過GPIB總線可以實現控制、調用儀表參數和程序控制，實現測試的自動化。對于應答器的I/O特性測試，測試示意如圖3所示。

圖3 測試示意Fig.3 Test diagram

從圖3中可以看出，通過LabVIEW實現對信號發(fā)生器的控制，對功率計1（Pcs）、功率計2（P42）值的采集，實現應答器I/O特性測試的自動控制，并完成測試數據做圖，顯示測試結果，如圖4所示。

圖4 實際測試結果Fig.4 Actual test results

3 異物環(huán)境測試搭建

3.1 異物測試的要求

根據歐標及鐵標應答器測試規(guī)范，應答器I/O特性的異物環(huán)境下測試需要包括如表3所示中的6個項目，分為2個測試等級，測試等級可根據應答器制造商的要求進行選擇。

表3 應答器測試等級要求Tab.3 Requirements of balise test class

同時根據測試規(guī)范要求，提高27 MHz信號發(fā)射磁通量，磁通量增加值與測試等級對應關系如表4所示。

表4 磁通量增加對照Tab.4 Comparison table of magnetic flux increase

根據不同的異物環(huán)境和測試等級，在異物環(huán)境下重新校準P27RL和P42RL，調整27 MHz磁通量Pcs增加量，實現異物覆蓋或金屬物條件下的測試。

3.2 異物環(huán)境下測試工裝的實現

根據標準subset-085和TB/T 3544-2018的要求，對于應答器I/O特性異物環(huán)境下的6項測試，金屬物、鋼枕、其他軌枕3項測試條件相對易于實現，可根據測試規(guī)范定制相應工裝，實現測試環(huán)境搭建。

對于水、鹽水、鐵礦石這類需要覆蓋在應答器上，并精確控制覆蓋厚度的異物實現起來有一定的困難。需要尋找一種合適的工裝輔助測試。

在水、鹽水的異物測試過程中，對測試規(guī)范要求的液體雜物使用要求進行優(yōu)化，設計如圖5所示的液體雜物測試工裝。

圖5 液體異物測試示意Fig.5 Schematic diagram of liquid object test

根據測試規(guī)范的要求，在做液體異物測試過程中，需要使用有一定強度和厚度的塑料薄膜，塑料薄膜與雜物箱底層成45°夾角。為了準確的實現規(guī)定的液面厚度，定制一種合適的異物盒，該異物盒底面厚度控制在1 mm以內，能夠保證雜物層底部與應答器頂面之間距離小于2 mm，選用與空氣等同特性的材料且有一定的強度，高度按照測試規(guī)范要求的異物覆蓋厚度定制，實現應答器作用區(qū)的完全覆蓋。該工裝能夠輔助測試人員準確定位異物測試的雜物液面厚度。

同理，在進行應答器I/O特性的鐵礦石異物覆蓋測試過程中，依靠異物盒工裝實現規(guī)定厚度的雜物層覆蓋，完成測試規(guī)范要求的測試。

異物測試環(huán)境搭建實測如圖6～8所示。

圖6 金屬物異物環(huán)境下的I/O特性測試Fig.6 I/O characteristic test under metal foreign object environment

4 總結

圖7 鋼枕異物環(huán)境下的I/O特性測試Fig.7 I/O characteristic test under steel sleeper foreign object environment

圖8 水、鹽水異物環(huán)境下的I/O特性測試Fig.8 I/O characteristic test under water or saline foreign object environment

對于應答器異物環(huán)境條件下的I/O特性測試，通過LabVIEW程序實現儀表采集、控制，配合測試工裝，實現大量重復測試的自動化。對應答器這類在室外復雜自然環(huán)境中工作的設備，異物環(huán)境下的測試具有很強的現實意義。通過初步實現測試規(guī)范要求的異物測試環(huán)境，為未來應答器設備在多種復雜環(huán)境下的測試研究打下基礎，對應答器設備芯片選型、故障分析等研發(fā)工作，提供測試環(huán)境的支持。