机车车辆电气设备通用测试系统

2012-08-03刘伟良李小文陈明奎

铁道机车车辆 2012年2期

刘伟良，李小文，苏理，陈明奎

（株洲南车集团时代电气股份有限公司技术中心，湖南株洲412001）

牵引变流器、传动控制单元、辅助电源装置、网络控制系统、列车运行监控装置等部件作为机车车辆电气设备的核心组成部分，承担了机车牵引控制和运行安全监控的绝大部分工作。它们的正常与否，直接关系到列车的行车安全。因此，在这些关键部件必须经过缜密的测试，在功能和性能得到充分的验证之后才能上车安装。这个过程中，地面测试装置是必不可少的。

地面测试装置需要模拟机车运行条件，产生这些设备需要的各种输入信号，实时检测它们的各种输出信号，并通过输入输出信号建立仿真模型完成仿真测试，从而从功能、性能上判断设备的好坏。由于不同设备的差异性很大，其测试装置往往由设备的开发人员自行设计，这样虽易于设计出最简化的装置，但存在很多缺点：

（1）开发周期长。产品研发人员在开发产品的同时，还需要花费很大的精力设计测试装置的软硬件，必然会延长产品及测试装置的开发周期。

（2）通用性不强，浪费资源。随着技术的发展，产品更新换代的速度非常快，如果每次都需要重新设计测试装置的话，工作量会很大，严重浪费了研发资源。

（3）不便于测试人员操作。由于没有统一的平台，导致各种测试装置的操作方式大不相同，给测试人员带来很大的不便。

通过上述分析可知，我们有必要开发一种通用的测试系统，使之适用于大多数机车车辆电气设备的测试，从而提高开发效率、减少测试人员的工作量。

1 解决方案

目前，国内外有很多公司提供系统的测试解决方案，其中以美国NI公司的PXI平台最具代表性，也最富有竞争力。该平台基于开放性的PXI总线，通用性较好；同时整合了NI公司的软件优势，能与LabVIEW很好的接口，可用性好。但是，由于机车车辆电气设备的特殊性，它不适用于这些设备的测试。

（1）该PXI平台不能提供机车车辆电气设备常用的信号和通讯接口，如110V的开关量、高达400mA的模拟量和MVB通讯接口等。

（2）作为测试装置，NI的PXI平台售价昂贵，不适于批量生产。

基于上述分析以及现有的技术资源，本文提出一种自行设计的用于机车车辆电气设备的通用测试系统。该系统的通用性强，能提供丰富的接口资源供被测设备使用；遵循模块化设计理念，系统开发人员可以根据被测设备的特性灵活地配置硬件资源。图1为系统架构图。

图1 系统架构图

如图1所示，该系统可以分为上位机、下位机和电源3个部分。上位机由工控机、人机交互设备及以太网交换机构成，工控机为人机交互软件的载体，可通过以太网与下位机及被测设备进行数据交换。下位机为自行设计的6U控制机箱，包括背板和各种类型的插件，负责与被测设备接口，同时通过主控插件的以太网接口与上位机通信。电源系统主要由两个AC／DC电源组成，其中一个要求输出稳定的110V直流电压供控制机箱使用，另一个则需要提供0～150V范围可调的直流电压供被测设备使用。

2 控制机箱

控制机箱是整个测试平台的核心，是一个标准的6U插件箱，内部由背板和插件构成。该机箱内的开关电源插件和主控插件组成一个嵌入式系统，其他插件作为它的外围设备通过背板总线或者硬连线加入到该系统内。机箱拓扑结构如图2所示。

图2 控制机箱拓扑结构

图2右部所示的信号通道数为单块插件所提供，实际使用时可以灵活配置。例如有些场合要求有更多的数字量入出通道，则可以增加一块数字量入出插件。除恒流源和开关电源插件外，其他7种插件均为AMS总线设备。其中主控插件作为总线管理器，可通过AMS总线向其余插件发送控制命令并进行数据交互。

AMS总线是一种分布式的现场总线，具有双向通信能力及单向操作性。本系统所采用的总线有16位数据线、20位地址线和4位板选地址线，理论上可挂接16个总线设备，但考虑到实际的应用情况，只制作了8个槽位的背板，故系统只能容纳8个AMS总线设备。

2.1 主控插件

主控插件是下位机的CPU板，采用ARM9微处理器，运行VxWorks实时操作系统。插件拥有一个以太网接口，可实现与上位机之间的通信，也能通过该接口实现应用程序的动态下载。同时，主控插件也是AMS总线管控中心，通过AMS总线对机箱内插件进行管理和数据交互。

2.2 模拟量插件

模拟量是机车车辆电气设备测试系统常见的信号类型，包括－10～＋10V的低电压信号、－30～＋30V的高电压信号、－400～＋400mA的电流信号等，要求精度高，能模拟机车运行过程中各种电压、电流型传感器的工作状态，能检测机车发出的各种模拟指令。在对被测设备的需求进行调研后，为平台设计了4种类型的模拟量插件（前3种均为AMS总线设备），便于测试系统开发人员根据实际情况选用。

（1）模拟量输出插件。通过一片FPGA控制多块并行接口的D／A转换器，采用间接频率合成技术实现32路－10～＋10V电压信号输出，其中包括16路任意波形信号输出和16路方波或直流信号输出。同时，为充分利用插件的资源，还设置了4路15V电平的频率信号输出，由FPGA的IO口控制光耦器件来实现，可用于模拟机车速度传感器的输出信号。

（2）模拟量输入插件。与模拟量输出插件相同，该插件只有FPGA一个控制核心。FPGA与多块光耦、串行A／D转换器接口，可检测12路－30～＋30V电压信号、12路－200～＋200mA电流信号和8路15V或24V电平的频率信号。

（3）模拟量入出插件。上两种插件因都采用FPGA作为插件核心，故其计算能力差，在数据吞吐量较大时，会受AMS总线速率限制，实时性降低。模拟量入出插件采用DSP＋CPLD的模式，可实现16路－10～＋10 V电压信号输出、8路－200～＋200mA电流信号输入和8路－30～＋30V电压信号输入。由于插件运用了TI公司的F2812芯片，计算能力大大加强，使系统的应用更加灵活。对于检测一些数据吞吐量大的信号，可在插件上先进行一番计算、分析，再传送给主控插件，从而减少总线负担。

（4）恒流源插件。非AMS总线设备，主要实现12路压控电流源，可将模拟量输出插件和模拟量入出插件输出的－10～＋10V电压转换为电流，其中4路为－400～＋400mA、8路为－200～＋200mA。同时，插件上还设计了4路电压放大通道，可将－10～＋10V电压线性放大至－20～＋20V，满足部分被测设备的特殊需求。

2.3 数字量和脉冲检测插件

数字量入出插件提供12路110V开关量输入通道和20路110V开关量输出通道（110V由机箱外电源提供），均通过CPLD控制。输入开关量采用光耦电路检测；开关量输出则采用MOS管和继电器两种形式，分别为8路和12路，满足被测设备对开关量频率和电流输出能力的不同要求。

机车车辆电气设备为机车的变流装置提供脉冲驱动信号，因此测试系统必须具备检测脉冲信号的能力。脉冲检测插件以FPGA为控制核心，可实时检测12路脉冲信号。

2.4 通信接口插件

作为通用的测试系统，需要满足各种被测设备的接口要求。机车车辆电气设备常用的通信接口有MVB、CAN、USB和RS485，为使测试平台具备测试这些接口的能力，我们设计了通信接口插件。该插件以飞思卡尔SPC5200处理器作为通信控制器，辅以MVBC专用芯片等外围电路，实现了ESD和EMD两种不同介质的MVB接口以及CAN总线、RS485串行总线、USB接口。

2.5 开关电源插件

开关电源插件为控制机箱内插件及风扇供电。其输入范围为DC66～154V，采用DC／DC变换技术，可输出稳定的5V，±15V，±24V电源。

3 软件

作为通用测试平台，不仅需要硬件上做到通用，从软件角度考虑也要着眼长远。底层软件必须做到通用，即应用到任意一个被测设备，都不需要更新程序；应用软件则尽量采用模块化设计，保证较好的可移植性。本文所介绍通用测试系统软件可以分为两个部分：嵌入式底层软件和人机交互应用软件。

3.1 嵌入式软件

控制机箱内的插件除开关电源和恒流源外，都包含可编程器件（如 ARM、DSP、PowerPC、FPGA、CPLD等），这些器件的程序都可以视作系统的底层软件，因此编写程序之前充分调研了目标被测设备的需求，以求做到更好的通用性。

由于涉及的器件种类较多，各自程序的功能也不一致，此处不一一说明，仅以模拟量输出插件的FPGA程序为例作详细的阐述。前面讲到模拟输出信号的产生采用了间接频率合成技术，而没有采用现今流行的DDS直接数字频率合成技术，原因有2个。（1）DDS技术需要较大的存储空间存储波形数据，往往一个通道就要求有10K的容量，而FPGA的RAM资源有限，不能满足；（2）由于信号合成过程中会产生相位截断误差，DDS输出的信号杂散度较大。

图3所示为信号合成流程图。FPGA在上电后，程序会检测通道输出标志位，若为1则使能分频子程序和RAM输出子程序，分频模块输出的频率作为RAM的输出时钟，控制RAM内的数据到D／A转换器的速率。同时，程序继续检测通道输出标志位的值，一旦变为0则退出分频程序和RAM输出程序，继续等待该标志位的变化到来。

图3 信号合成流程图

3.2 人机交互软件

人机交互软件是在工控机上开发的PC软件，为减小编程难度、缩短开发时间、提高设计效率，该应用软件采用美国NI公司的LabVIEW编程语言来实现。Lab－VIEW是一款专用于测试领域的图形化编程语言，其开发环境友好，控件丰富，可快速高效地搭建测试程序。

4 结束语

所论述的通用测试系统（图4为系统外观图），紧扣需求，具备测试大多数机车车辆电气设备的能力。系统采用工控机＋控制机箱的主体架构，工控机负责数据的处理、分析，控制机箱负责与被测设备接口。这样的分工使系统既具有高性能的计算处理能力，又具备良好的实时性。同时，控制机箱内的硬件资源可灵活配置，让系统具有通用性、可扩展性等特点。