基于LabVIEW的應(yīng)答器I/O特性異物測(cè)試研究

魏曉飛

（北京鐵路信號(hào)有限公司，北京 102613）

應(yīng)答器作為高速鐵路車地通信的關(guān)鍵設(shè)備，承擔(dān)著向列控車載設(shè)備傳輸線路速度信息、特殊定位信息、線路基本參數(shù)等重要信息的任務(wù)。隨著國(guó)內(nèi)高速鐵路總里程超過2.9萬(wàn)km，應(yīng)答器設(shè)備廣泛的應(yīng)用于高鐵線路中，針對(duì)應(yīng)答器異物環(huán)境下性能測(cè)試技術(shù)的研究顯得越來(lái)越重要。

1 應(yīng)答器輸入輸出（I/O）特性測(cè)試

目前，國(guó)內(nèi)的應(yīng)答器測(cè)試主要參考?xì)W洲鐵路標(biāo)準(zhǔn)子集中歐標(biāo)應(yīng)答器測(cè)試規(guī)范subset-085和國(guó)內(nèi)鐵道行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)TB/T 3544-2018應(yīng)答器傳輸系統(tǒng)測(cè)試規(guī)范的要求執(zhí)行。應(yīng)答器輸入輸出（I/O）特性測(cè)試主要是測(cè)試應(yīng)答器在自由空間和可能的運(yùn)行環(huán)境（如異物覆蓋、地面存在金屬物）條件下，應(yīng)答器感應(yīng)的磁通量與應(yīng)答器產(chǎn)生的上行鏈路電流之間的變化關(guān)系。

通過改變測(cè)試天線發(fā)射的磁通量，測(cè)量應(yīng)答器上行鏈路信號(hào)強(qiáng)度，轉(zhuǎn)化成應(yīng)答器的感應(yīng)電流，通過測(cè)試天線發(fā)射磁通量和應(yīng)答器上行鏈路電流對(duì)應(yīng)關(guān)系，判斷應(yīng)答器輸入/輸出特性。

1.1 測(cè)試指標(biāo)

以阿爾斯通應(yīng)答器為測(cè)試對(duì)象，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)subset-085和TB/T 3544-2018的要求，測(cè)試天線需要固定在距離應(yīng)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(cè)試連接示意圖如圖1所示，Pcs為測(cè)試天線發(fā)送27.095 MHz信號(hào)轉(zhuǎn)化后的測(cè)量值，P42為應(yīng)答器反饋4.23 MHz信號(hào)。

圖1 測(cè)試連接示意Fig.1 Test connection diagram

對(duì)于阿爾斯通應(yīng)答器，它的下行鏈路磁通量和上行鏈路電流對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。

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

測(cè)試天線發(fā)送27 MHz信號(hào)Pcs的磁通量偏置（大小變化）依照表2所示進(jìn)行。

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

由于圖1中功率計(jì)1和功率計(jì)2測(cè)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(duì) 應(yīng) 表 1中 的數(shù)值。P27RL為測(cè)試天線在空間位置[X=0，Y=0，Z=220]這一點(diǎn)的通過標(biāo)準(zhǔn)尺寸參考環(huán)的磁通量為Φd1時(shí)能量值。Pcs為天線發(fā)送的27 MHz信號(hào)能量值。

P42RL為在這一位置的標(biāo)準(zhǔn)尺寸參考環(huán)電流達(dá)到Iu2時(shí)發(fā)送4.23 MHz信號(hào)的能量值。P42為應(yīng)答器反饋的4.23 MHz信號(hào)的能量值。

根據(jù)磁通量的偏置（大小變化）和上行鏈路電流對(duì)應(yīng)關(guān)系，測(cè)試天線產(chǎn)生的磁通量從（Φd1-3）dB增加到Φd4，再?gòu)摩礵4減小到（Φd1-3）dB。帶入公式（1）和公式（2），形成測(cè)試曲線，如圖2所示。

如圖2所示，應(yīng)答器的響應(yīng)曲線應(yīng)該在圖中上下限之間的非陰影區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)判定測(cè)試合格。

圖2 應(yīng)答器輸入輸出特性Fig.2 Balise I/O characteristics

1.2 異物環(huán)境測(cè)試要求

應(yīng)答器I/O特性異物環(huán)境下測(cè)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(jìn)行。對(duì)于不同的測(cè)試環(huán)境，需要分別對(duì)P27RL和P42RL進(jìn)行校準(zhǔn)。

2 測(cè)試系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

結(jié)合北京鐵路信號(hào)有限公司實(shí)驗(yàn)中心應(yīng)答器測(cè)試平臺(tái)，定制異物工裝，實(shí)現(xiàn)應(yīng)答器I/O特性在異物環(huán)境下的測(cè)試。

2.1 測(cè)試系統(tǒng)的要求

對(duì)于應(yīng)答器I/O特性測(cè)試，需要采集磁通量上升區(qū)和下降區(qū)共28個(gè)值以及對(duì)應(yīng)的上行鏈路電流值，如果手動(dòng)測(cè)試，效率和準(zhǔn)確性無(wú)法保證。需要自動(dòng)化的測(cè)試手段完成該測(cè)試。

2.2 基于LabVIEW測(cè)試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

LabVIEW是一種用圖標(biāo)代替文本行創(chuàng)建應(yīng)用程序的圖形化編程語(yǔ)言。通過GPIB總線可以實(shí)現(xiàn)控制、調(diào)用儀表參數(shù)和程序控制，實(shí)現(xiàn)測(cè)試的自動(dòng)化。對(duì)于應(yīng)答器的I/O特性測(cè)試，測(cè)試示意如圖3所示。

圖3 測(cè)試示意Fig.3 Test diagram

從圖3中可以看出，通過LabVIEW實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)發(fā)生器的控制，對(duì)功率計(jì)1（Pcs）、功率計(jì)2（P42）值的采集，實(shí)現(xiàn)應(yīng)答器I/O特性測(cè)試的自動(dòng)控制，并完成測(cè)試數(shù)據(jù)做圖，顯示測(cè)試結(jié)果，如圖4所示。

圖4 實(shí)際測(cè)試結(jié)果Fig.4 Actual test results

3 異物環(huán)境測(cè)試搭建

3.1 異物測(cè)試的要求

根據(jù)歐標(biāo)及鐵標(biāo)應(yīng)答器測(cè)試規(guī)范，應(yīng)答器I/O特性的異物環(huán)境下測(cè)試需要包括如表3所示中的6個(gè)項(xiàng)目，分為2個(gè)測(cè)試等級(jí)，測(cè)試等級(jí)可根據(jù)應(yīng)答器制造商的要求進(jìn)行選擇。

表3 應(yīng)答器測(cè)試等級(jí)要求Tab.3 Requirements of balise test class

同時(shí)根據(jù)測(cè)試規(guī)范要求，提高27 MHz信號(hào)發(fā)射磁通量，磁通量增加值與測(cè)試等級(jí)對(duì)應(yīng)關(guān)系如表4所示。

表4 磁通量增加對(duì)照Tab.4 Comparison table of magnetic flux increase

根據(jù)不同的異物環(huán)境和測(cè)試等級(jí)，在異物環(huán)境下重新校準(zhǔn)P27RL和P42RL，調(diào)整27 MHz磁通量Pcs增加量，實(shí)現(xiàn)異物覆蓋或金屬物條件下的測(cè)試。

3.2 異物環(huán)境下測(cè)試工裝的實(shí)現(xiàn)

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)subset-085和TB/T 3544-2018的要求，對(duì)于應(yīng)答器I/O特性異物環(huán)境下的6項(xiàng)測(cè)試，金屬物、鋼枕、其他軌枕3項(xiàng)測(cè)試條件相對(duì)易于實(shí)現(xiàn)，可根據(jù)測(cè)試規(guī)范定制相應(yīng)工裝，實(shí)現(xiàn)測(cè)試環(huán)境搭建。

對(duì)于水、鹽水、鐵礦石這類需要覆蓋在應(yīng)答器上，并精確控制覆蓋厚度的異物實(shí)現(xiàn)起來(lái)有一定的困難。需要尋找一種合適的工裝輔助測(cè)試。

在水、鹽水的異物測(cè)試過程中，對(duì)測(cè)試規(guī)范要求的液體雜物使用要求進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計(jì)如圖5所示的液體雜物測(cè)試工裝。

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

根據(jù)測(cè)試規(guī)范的要求，在做液體異物測(cè)試過程中，需要使用有一定強(qiáng)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(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)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(nèi)，能夠保證雜物層底部與應(yīng)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(qiáng)度，高度按照測(cè)試規(guī)范要求的異物覆蓋厚度定制，實(shí)現(xiàn)應(yīng)答器作用區(qū)的完全覆蓋。該工裝能夠輔助測(cè)試人員準(zhǔn)確定位異物測(cè)試的雜物液面厚度。

同理，在進(jìn)行應(yīng)答器I/O特性的鐵礦石異物覆蓋測(cè)試過程中，依靠異物盒工裝實(shí)現(xiàn)規(guī)定厚度的雜物層覆蓋，完成測(cè)試規(guī)范要求的測(cè)試。

異物測(cè)試環(huán)境搭建實(shí)測(cè)如圖6～8所示。

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

4 總結(jié)

圖7 鋼枕異物環(huán)境下的I/O特性測(cè)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(cè)試Fig.8 I/O characteristic test under water or saline foreign object environment

對(duì)于應(yīng)答器異物環(huán)境條件下的I/O特性測(cè)試，通過LabVIEW程序?qū)崿F(xiàn)儀表采集、控制，配合測(cè)試工裝，實(shí)現(xiàn)大量重復(fù)測(cè)試的自動(dòng)化。對(duì)應(yīng)答器這類在室外復(fù)雜自然環(huán)境中工作的設(shè)備，異物環(huán)境下的測(cè)試具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。通過初步實(shí)現(xiàn)測(cè)試規(guī)范要求的異物測(cè)試環(huán)境，為未來(lái)應(yīng)答器設(shè)備在多種復(fù)雜環(huán)境下的測(cè)試研究打下基礎(chǔ)，對(duì)應(yīng)答器設(shè)備芯片選型、故障分析等研發(fā)工作，提供測(cè)試環(huán)境的支持。