機車車輛電氣設備通用測試系統

劉偉良，李小文，蘇 理，陳明奎

（株洲南車集團 時代電氣股份有限公司 技術中心，湖南株洲412001）

牽引變流器、傳動控制單元、輔助電源裝置、網絡控制系統、列車運行監控裝置等部件作為機車車輛電氣設備的核心組成部分，承擔了機車牽引控制和運行安全監控的絕大部分工作。它們的正常與否，直接關系到列車的行車安全。因此，在這些關鍵部件必須經過縝密的測試，在功能和性能得到充分的驗證之后才能上車安裝。這個過程中，地面測試裝置是必不可少的。

地面測試裝置需要模擬機車運行條件，產生這些設備需要的各種輸入信號，實時檢測它們的各種輸出信號，并通過輸入輸出信號建立仿真模型完成仿真測試，從而從功能、性能上判斷設備的好壞。由于不同設備的差異性很大，其測試裝置往往由設備的開發人員自行設計，這樣雖易于設計出最簡化的裝置，但存在很多缺點：

（1）開發周期長。產品研發人員在開發產品的同時，還需要花費很大的精力設計測試裝置的軟硬件，必然會延長產品及測試裝置的開發周期。

（2）通用性不強，浪費資源。隨著技術的發展，產品更新換代的速度非常快，如果每次都需要重新設計測試裝置的話，工作量會很大，嚴重浪費了研發資源。

（3）不便于測試人員操作。由于沒有統一的平臺，導致各種測試裝置的操作方式大不相同，給測試人員帶來很大的不便。

通過上述分析可知，我們有必要開發一種通用的測試系統，使之適用于大多數機車車輛電氣設備的測試，從而提高開發效率、減少測試人員的工作量。

1 解決方案

目前，國內外有很多公司提供系統的測試解決方案，其中以美國NI公司的PXI平臺最具代表性，也最富有競爭力。該平臺基于開放性的PXI總線，通用性較好；同時整合了NI公司的軟件優勢，能與LabVIEW很好的接口，可用性好。但是，由于機車車輛電氣設備的特殊性，它不適用于這些設備的測試。

（1）該PXI平臺不能提供機車車輛電氣設備常用的信號和通訊接口，如110V的開關量、高達400mA的模擬量和MVB通訊接口等。

（2）作為測試裝置，NI的PXI平臺售價昂貴，不適于批量生產。

基于上述分析以及現有的技術資源，本文提出一種自行設計的用于機車車輛電氣設備的通用測試系統。該系統的通用性強，能提供豐富的接口資源供被測設備使用；遵循模塊化設計理念，系統開發人員可以根據被測設備的特性靈活地配置硬件資源。圖1為系統架構圖。

圖1 系統架構圖

如圖1所示，該系統可以分為上位機、下位機和電源3個部分。上位機由工控機、人機交互設備及以太網交換機構成，工控機為人機交互軟件的載體，可通過以太網與下位機及被測設備進行數據交換。下位機為自行設計的6U控制機箱，包括背板和各種類型的插件，負責與被測設備接口，同時通過主控插件的以太網接口與上位機通信。電源系統主要由兩個AC／DC電源組成，其中一個要求輸出穩定的110V直流電壓供控制機箱使用，另一個則需要提供0～150V范圍可調的直流電壓供被測設備使用。

2 控制機箱

控制機箱是整個測試平臺的核心，是一個標準的6U插件箱，內部由背板和插件構成。該機箱內的開關電源插件和主控插件組成一個嵌入式系統，其他插件作為它的外圍設備通過背板總線或者硬連線加入到該系統內。機箱拓撲結構如圖2所示。

圖2 控制機箱拓撲結構

圖2右部所示的信號通道數為單塊插件所提供，實際使用時可以靈活配置。例如有些場合要求有更多的數字量入出通道，則可以增加一塊數字量入出插件。除恒流源和開關電源插件外，其他7種插件均為AMS總線設備。其中主控插件作為總線管理器，可通過AMS總線向其余插件發送控制命令并進行數據交互。

AMS總線是一種分布式的現場總線，具有雙向通信能力及單向操作性。本系統所采用的總線有16位數據線、20位地址線和4位板選地址線，理論上可掛接16個總線設備，但考慮到實際的應用情況，只制作了8個槽位的背板，故系統只能容納8個AMS總線設備。

2.1 主控插件

主控插件是下位機的CPU板，采用ARM9微處理器，運行VxWorks實時操作系統。插件擁有一個以太網接口，可實現與上位機之間的通信，也能通過該接口實現應用程序的動態下載。同時，主控插件也是AMS總線管控中心，通過AMS總線對機箱內插件進行管理和數據交互。

2.2 模擬量插件

模擬量是機車車輛電氣設備測試系統常見的信號類型，包括－10～＋10V的低電壓信號、－30～＋30V的高電壓信號、－400～＋400mA的電流信號等，要求精度高，能模擬機車運行過程中各種電壓、電流型傳感器的工作狀態，能檢測機車發出的各種模擬指令。在對被測設備的需求進行調研后，為平臺設計了4種類型的模擬量插件（前3種均為AMS總線設備），便于測試系統開發人員根據實際情況選用。

（1）模擬量輸出插件。通過一片FPGA控制多塊并行接口的D／A轉換器，采用間接頻率合成技術實現32路－10～＋10V電壓信號輸出，其中包括16路任意波形信號輸出和16路方波或直流信號輸出。同時，為充分利用插件的資源，還設置了4路15V電平的頻率信號輸出，由FPGA的IO口控制光耦器件來實現，可用于模擬機車速度傳感器的輸出信號。

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

（3）模擬量入出插件。上兩種插件因都采用FPGA作為插件核心，故其計算能力差，在數據吞吐量較大時，會受AMS總線速率限制，實時性降低。模擬量入出插件采用DSP＋CPLD的模式，可實現16路－10～＋10 V電壓信號輸出、8路－200～＋200mA電流信號輸入和8路－30～＋30V電壓信號輸入。由于插件運用了TI公司的F2812芯片，計算能力大大加強，使系統的應用更加靈活。對于檢測一些數據吞吐量大的信號，可在插件上先進行一番計算、分析，再傳送給主控插件，從而減少總線負擔。

（4）恒流源插件。非AMS總線設備，主要實現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電壓轉換為電流，其中4路為－400～＋400mA、8路為－200～＋200mA。同時，插件上還設計了4路電壓放大通道，可將－10～＋10V電壓線性放大至－20～＋20V，滿足部分被測設備的特殊需求。

2.3 數字量和脈沖檢測插件

數字量入出插件提供12路110V開關量輸入通道和20路110V開關量輸出通道（110V由機箱外電源提供），均通過CPLD控制。輸入開關量采用光耦電路檢測；開關量輸出則采用MOS管和繼電器兩種形式，分別為8路和12路，滿足被測設備對開關量頻率和電流輸出能力的不同要求。

機車車輛電氣設備為機車的變流裝置提供脈沖驅動信號，因此測試系統必須具備檢測脈沖信號的能力。脈沖檢測插件以FPGA為控制核心，可實時檢測12路脈沖信號。

2.4 通信接口插件

作為通用的測試系統，需要滿足各種被測設備的接口要求。機車車輛電氣設備常用的通信接口有MVB、CAN、USB和RS485，為使測試平臺具備測試這些接口的能力，我們設計了通信接口插件。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，實現了ESD和EMD兩種不同介質的MVB接口以及CAN總線、RS485串行總線、USB接口。

2.5 開關電源插件

開關電源插件為控制機箱內插件及風扇供電。其輸入范圍為DC66～154V，采用DC／DC變換技術，可輸出穩定的5V，±15V，±24V電源。

3 軟件

作為通用測試平臺，不僅需要硬件上做到通用，從軟件角度考慮也要著眼長遠。底層軟件必須做到通用，即應用到任意一個被測設備，都不需要更新程序；應用軟件則盡量采用模塊化設計，保證較好的可移植性。本文所介紹通用測試系統軟件可以分為兩個部分：嵌入式底層軟件和人機交互應用軟件。

3.1 嵌入式軟件

控制機箱內的插件除開關電源和恒流源外，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的底層軟件，因此編寫程序之前充分調研了目標被測設備的需求，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，此處不一一說明，僅以模擬量輸出插件的FPGA程序為例作詳細的闡述。前面講到模擬輸出信號的產生采用了間接頻率合成技術，而沒有采用現今流行的DDS直接數字頻率合成技術，原因有2個。（1）DDS技術需要較大的存儲空間存儲波形數據，往往一個通道就要求有10K的容量，而FPGA的RAM資源有限，不能滿足；（2）由于信號合成過程中會產生相位截斷誤差，DDS輸出的信號雜散度較大。

圖3所示為信號合成流程圖。FPGA在上電后，程序會檢測通道輸出標志位，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的輸出時鐘，控制RAM內的數據到D／A轉換器的速率。同時，程序繼續檢測通道輸出標志位的值，一旦變為0則退出分頻程序和RAM輸出程序，繼續等待該標志位的變化到來。

圖3 信號合成流程圖

3.2 人機交互軟件

人機交互軟件是在工控機上開發的PC軟件，為減小編程難度、縮短開發時間、提高設計效率，該應用軟件采用美國NI公司的LabVIEW編程語言來實現。Lab－VIEW是一款專用于測試領域的圖形化編程語言，其開發環境友好，控件豐富，可快速高效地搭建測試程序。

4 結束語

所論述的通用測試系統（圖4為系統外觀圖），緊扣需求，具備測試大多數機車車輛電氣設備的能力。系統采用工控機＋控制機箱的主體架構，工控機負責數據的處理、分析，控制機箱負責與被測設備接口。這樣的分工使系統既具有高性能的計算處理能力，又具備良好的實時性。同時，控制機箱內的硬件資源可靈活配置，讓系統具有通用性、可擴展性等特點。

圖4 測試系統外觀

該系統在沈陽地鐵2號線的VVVF逆變器測試裝置研發中已經得到初步應用，通過試驗驗證，實用效果良好。同時，深圳地鐵5號線SIV測試設備、傳動控制單元試驗裝置也已使用該系統進行開發。未來，該系統將有更好的應用前景，會大規模的應用于交直機車、交流傳動機車、城軌地鐵及工業變流領域。

［1］朱 明.基于多MPU嵌入式系統的列車運行監控裝置測試設備設計［J］.機車電傳動，2010，（4）：40－42.

［2］陳小琴，蔣存波.基于Verilog HDL的多功能信號發生器的設計與實現［J］.儀器儀表學報，2008，29（4）：322－324.

［3］李進進，余長超.7 200kW六軸交流傳動電力機車網絡控制系統功能測試臺［J］.機車電傳動，2010，（3）：42－49.