應答器傳輸模塊抗干擾性量化及自動測試研究

王 丁

(中國鐵道科學研究院集團有限公司通信信號研究所,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[2-3]中得到了廣泛應用。應答器傳輸模塊(BTM)[4]作為列控車載關鍵控制設備,其各項技術指標的可靠性對列車運行的安全[5]具有重大影響。

目前國內外標準中對BTM抗干擾[6-7]能力的測試只在電磁兼容試驗中有所體現,而電磁兼容測試只關注在試驗過程中設備是否正常工作,對于期間設備受到干擾后性能是否下降以及下降程度并不進行測試和比對。于是,各廠家依據標準對設備進行出廠檢測時容易忽略設備在信號受干擾條件下譯碼能力發生的變化。

隨著BTM設備大量裝備和長期運用,各鐵路局BTM設備出現功能異常及故障頻度有上升的趨勢。經統計發現多數故障源于設備受外界干擾[8-9]導致應答器報文譯碼失敗。

針對此種情況,本研究利用虛擬儀器技術[10]把此項檢測和設備各項例行檢測結合在一起,形成一個測試平臺,實現自動化操作。這個技術方案對BTM設備品質的提高很有意義。

對于BTM設備的批量化檢測,由于同時涉及射頻信號檢測、模擬信號檢測、數字通信接口測試等環節,傳統人工測試方式存在如下缺陷。(1)人工判斷測試結果,費時多,周期長,效率低下；(2)測試中的不同環節,各自使用不同設備,圖表和數據無法統一記錄,后續追溯相對困難；(3)測試需要在多個設備之間切換,校準復雜,操作繁瑣。由于人工測試方式存在上述缺陷,若增加BTM設備抗干擾門限測試項目，則會大大增加測試人員工作量。以人工為主的檢測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。

本文針對這些實際情況,介紹利用LabVIEW虛擬儀器[11]技術搭建BTM自動化測試平臺,可實現：(1)模擬上位機通信解析BTM設備狀態信息及BTM上傳的應答器報文內容；(2)自動向BTM發送不同參數的FSK信號,模擬應答器報文,并能夠根據測試序列將干擾信號混疊入應答器報文信號中測試設備抗干擾性能；(3)自動判斷報文是否正確接收；(4)自動測量并判斷BTM功放輸出功率、諧波是否符合要求；(5)將測試數據、圖表及判斷結果統一記錄保存,以供后續追溯。

1 應答器傳輸模塊(BTM)測試概述

BTM設備出廠測試采用黑盒測試[12]的方式,主要針對3個接口,分別是：

接口A1,地面應答器以射頻方式向BTM天線單元傳輸應答器報文信息的接口；

接口A4,是天線單元向地面應答器傳輸射頻能量的接口,用以激活應答器工作；

接口B,BTM與車載主機單元之間的接口。用于BTM向車載主機單元傳輸上行鏈路的數據和信息,并接收車載主機單元發送的數據和信息。各接口間的對應關系如圖1所示。

圖1 BTM設備接口對應關系

實際操作中,由于涉及數字通信測試、射頻信號測試及模擬信號測試,每個測試又需要使用獨立的儀器設備,若沒有自動化集成化的測試平臺協助,測試人員往往需要反復操作不同設備,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。

2 自動化測試平臺設計

選用NI公司的 PXIe-1085[13]型機箱及相關采集板卡作為測試平臺的核心設備。該設備不僅具有通用PXI/PXIe總線[14-15]硬件平臺,還具有LabVIEW 軟件平臺[16],可以在硬件測試的同時,通過LabVIEW圖形化編程語言實時調用PXI-1085測試箱各外圍功能板卡,分析和處理板卡采集到的數據。實現測試平臺和測試工作的集成化。該系統硬/軟件設計如圖2(a)、圖2(b)所示。

圖2 測試平臺的軟/硬件設計

信號的接收、采集、分析均在一個硬件電路系統中,由統一的LabVIEW指令序列實現對各板卡的硬件功能實時調用。圖3為測試配套一體化平臺儀器面板。

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圖3 PXIe-1085測試平臺儀器面板

3 應答器傳輸模塊自動化測試的實現

BTM設備出廠整機測試,要求在盡量還原BTM在現場工作狀態的前提下測試其各個接口功能。通過LabVIEW開發的應答器傳輸模塊自動測試平臺的用戶界面,各模塊間通過選項卡形式切換,測試前輸入測試人員姓名,完成后自動保存測試結果和圖像并生成測試報告。

3.1 測試平臺校準模塊

測試開始需要對設備進行校準,消除不同的信號衰減器或測試線纜的誤差。校準通過比對信號發生器輸出強度和實際接收到的信號強度確定衰減系數。

3.2 報文傳輸測試模塊

報文傳輸模塊集成了BTM與上位機通信功能測試和射頻信號測試兩個部分,測試流程如圖4所示。

圖4 報文傳輸測試模塊流程

全部測試序列報文發送完畢后,軟件自動比對,若正確接收測試報文則亮綠燈,如圖 5所示。

圖5 報文傳輸測試面板

3.3 抗干擾性能測試模塊

根據實際維修經驗,在抗干擾性能測試[17-18]模塊中,有3種類型的干擾信號可選,分別是單頻信號、高斯白噪聲信號和調幅信號。抗干擾性能測試開始后,程序會依次將這3種信號由弱到強、由低到高、由慢到快進行掃描,將變化的干擾信號混疊入正常的報文信號中形成混合信號，發送到BTM天線接收端。BTM對收到的混合信號進行譯碼并將譯取的報文信息通過接口B向測試平臺發送。測試平臺通過BTM反饋的報文譯碼情況可以判斷BTM是否能夠耐受當前的干擾信號。每當BTM設備譯碼失敗時系統就記錄下當前干擾信號的強度和頻率(或幅值和速率),然后改變干擾信號的頻率和速率,重復發送由弱到強的混合干擾信號。將所有受到干擾而未能正常譯碼的測試案例匯總,即可得設備針對不同干擾信號的抗干擾門限(上限),根據干擾信號的強度、幅值以及頻率、速率，可以繪制一條設備抗干擾門限(性能)曲線,如圖6所示。

圖6 抗干擾性能測試前面板

3.4 功率波形特征測試模塊

該測試模塊分為兩部分,頻域信號測試部分和時域信號測試部分。頻域信號測試部分通過測試中心頻點27.095M寬度4M頻段的信號頻譜,確定BTM功放輸出頻點是否穩定。同時通過搜索該頻段其他頻點是否超限,并判斷功放輸出諧波是否低于標準。時域部分主要檢測波形峰峰值,該參數能夠更加精確的體現功率放大輸出的力度。由于采集時域信號的探頭內部設置為高阻態,所以能夠避免使用頻譜儀測量時使用衰減器帶來的誤差。

3.5 測試報告生成模塊

測試結果和數據被保存在HTML格式的文件里進而生成測試報告。無需安裝專門的軟件,使用網頁瀏覽器即可打開。每個文件名都有測試時間記錄,方便追溯。類似功放輸出測試中諧波和波形的參數,采用圖像保存的方式,直觀易懂,方便描述,如圖7所示。

圖7 測試報告

4 測試實例

以BTM1-YH型BTM整機測試步驟為例。

(1)系統標定。通過測試平臺自帶的校準模塊,連接測試平臺信號發生器和功率波形測試模塊的輸入接口,校準設備衰減系數。

(2)報文傳輸測試。啟動報文傳輸測試模塊,調整通信狀況,監測BTM設備狀態。建鏈成功后亮綠燈。測試平臺會自動開始模擬應答器報文發送,此時用戶界面會將測試平臺發送的報文和BTM上傳給測試平臺的報文分別顯示出來。模塊程序會自動判斷BTM接收是否正確,判斷完成之后彈出對話框，提示操作人員切換至抗干擾性能測試模塊,整個過程大約耗時90 s。

(3)抗干擾性測試。程序自動發送混合信號,針對3種類型的干擾分別發送混合干擾信號。首先測試單頻信號干擾,單頻信號頻率為1～7 MHz,從1 MHz開始干擾報文信號,強度逐漸增加,至BTM無法正常譯碼后增加單頻頻率強度再次由低到高干擾報文,記錄不能正常譯碼的點并繪制曲線圖。調幅干擾與單頻干擾類似,通過改變調幅信號的速率和強度進行測試,高斯白噪聲測試則只調整強度。

(4)時域頻域測試。程序自動測試BTM功放輸出參數,時域信號負責測試輸出強度；頻率信號負責測試頻點和諧波,程序面板兩個指示燈分別顯示時域和頻域參數是否合格。

測試完成后自動生成測試報告。

5 結論

將虛擬儀器技術應用在BTM設備測試領域搭建自動測試平臺,對于當前BTM設備大批量運用條件下既要進行設備出廠檢測，又要兼顧設備返廠檢修的現實需求非常必要。本測試平臺的設計根據現場BTM設備故障類型和維修經驗，增加了設備抗干擾性能的自動測試,這在很大程度上改變了生產單位進行設備返修測試時缺乏有效檢測手段的被動局面。

我國鐵路事業飛速發展,BTM設備具有極大的應用前景,對其可靠性量化研究也變得日益必要和緊迫,本自動測試平臺應運而生。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、產品質量把關方面將發揮越來越大的作用。