应答器传输模块抗干扰性量化及自动测试研究

王 丁

(中国铁道科学研究院集团有限公司通信信号研究所,北京 100081)

随着我国高速铁路的不断发展,点式应答器设备[1]在列控系统[2-3]中得到了广泛应用。应答器传输模块(BTM)[4]作为列控车载关键控制设备,其各项技术指标的可靠性对列车运行的安全[5]具有重大影响。

目前国内外标准中对BTM抗干扰[6-7]能力的测试只在电磁兼容试验中有所体现,而电磁兼容测试只关注在试验过程中设备是否正常工作,对于期间设备受到干扰后性能是否下降以及下降程度并不进行测试和比对。于是,各厂家依据标准对设备进行出厂检测时容易忽略设备在信号受干扰条件下译码能力发生的变化。

随着BTM设备大量装备和长期运用,各铁路局BTM设备出现功能异常及故障频度有上升的趋势。经统计发现多数故障源于设备受外界干扰[8-9]导致应答器报文译码失败。

针对此种情况,本研究利用虚拟仪器技术[10]把此项检测和设备各项例行检测结合在一起,形成一个测试平台,实现自动化操作。这个技术方案对BTM设备品质的提高很有意义。

对于BTM设备的批量化检测,由于同时涉及射频信号检测、模拟信号检测、数字通信接口测试等环节,传统人工测试方式存在如下缺陷。(1)人工判断测试结果,费时多,周期长,效率低下；(2)测试中的不同环节,各自使用不同设备,图表和数据无法统一记录,后续追溯相对困难；(3)测试需要在多个设备之间切换,校准复杂,操作繁琐。由于人工测试方式存在上述缺陷,若增加BTM设备抗干扰门限测试项目，则会大大增加测试人员工作量。以人工为主的检测模式已经不能适应我国当前的铁路信号系统装备制造标准化、智能化发展的需求。

本文针对这些实际情况,介绍利用LabVIEW虚拟仪器[11]技术搭建BTM自动化测试平台,可实现：(1)模拟上位机通信解析BTM设备状态信息及BTM上传的应答器报文内容；(2)自动向BTM发送不同参数的FSK信号,模拟应答器报文,并能够根据测试序列将干扰信号混叠入应答器报文信号中测试设备抗干扰性能；(3)自动判断报文是否正确接收；(4)自动测量并判断BTM功放输出功率、谐波是否符合要求；(5)将测试数据、图表及判断结果统一记录保存,以供后续追溯。

1 应答器传输模块(BTM)测试概述

BTM设备出厂测试采用黑盒测试[12]的方式,主要针对3个接口,分别是：

接口A1,地面应答器以射频方式向BTM天线单元传输应答器报文信息的接口；

接口A4,是天线单元向地面应答器传输射频能量的接口,用以激活应答器工作；

接口B,BTM与车载主机单元之间的接口。用于BTM向车载主机单元传输上行链路的数据和信息,并接收车载主机单元发送的数据和信息。各接口间的对应关系如图1所示。

图1 BTM设备接口对应关系

实际操作中,由于涉及数字通信测试、射频信号测试及模拟信号测试,每个测试又需要使用独立的仪器设备,若没有自动化集成化的测试平台协助,测试人员往往需要反复操作不同设备,无论是人工核对应答器报文还是判断波形信号各项参数,操作繁琐且易出错,工作效率明显低下。

2 自动化测试平台设计

选用NI公司的 PXIe-1085[13]型机箱及相关采集板卡作为测试平台的核心设备。该设备不仅具有通用PXI/PXIe总线[14-15]硬件平台,还具有LabVIEW 软件平台[16],可以在硬件测试的同时,通过LabVIEW图形化编程语言实时调用PXI-1085测试箱各外围功能板卡,分析和处理板卡采集到的数据。实现测试平台和测试工作的集成化。该系统硬/软件设计如图2(a)、图2(b)所示。

图2 测试平台的软/硬件设计

信号的接收、采集、分析均在一个硬件电路系统中,由统一的LabVIEW指令序列实现对各板卡的硬件功能实时调用。图3为测试配套一体化平台仪器面板。

他们开始关注图中不变的那个量，然后学生自然地发现两个量的对应的数的比值是不变的，从而对正比例的内涵有更深的领悟。在这个整合之后的大的活动之下，学生充分思考，在交流中相互启发，一个问题生发另一个问题，不断地朝着学习目标越走越近，抽象思维得到一定的发展。

图3 PXIe-1085测试平台仪器面板

3 应答器传输模块自动化测试的实现

BTM设备出厂整机测试,要求在尽量还原BTM在现场工作状态的前提下测试其各个接口功能。通过LabVIEW开发的应答器传输模块自动测试平台的用户界面,各模块间通过选项卡形式切换,测试前输入测试人员姓名,完成后自动保存测试结果和图像并生成测试报告。

3.1 测试平台校准模块

测试开始需要对设备进行校准,消除不同的信号衰减器或测试线缆的误差。校准通过比对信号发生器输出强度和实际接收到的信号强度确定衰减系数。

3.2 报文传输测试模块

报文传输模块集成了BTM与上位机通信功能测试和射频信号测试两个部分,测试流程如图4所示。

图4 报文传输测试模块流程

全部测试序列报文发送完毕后,软件自动比对,若正确接收测试报文则亮绿灯,如图 5所示。

图5 报文传输测试面板

3.3 抗干扰性能测试模块

根据实际维修经验,在抗干扰性能测试[17-18]模块中,有3种类型的干扰信号可选,分别是单频信号、高斯白噪声信号和调幅信号。抗干扰性能测试开始后,程序会依次将这3种信号由弱到强、由低到高、由慢到快进行扫描,将变化的干扰信号混叠入正常的报文信号中形成混合信号，发送到BTM天线接收端。BTM对收到的混合信号进行译码并将译取的报文信息通过接口B向测试平台发送。测试平台通过BTM反馈的报文译码情况可以判断BTM是否能够耐受当前的干扰信号。每当BTM设备译码失败时系统就记录下当前干扰信号的强度和频率(或幅值和速率),然后改变干扰信号的频率和速率,重复发送由弱到强的混合干扰信号。将所有受到干扰而未能正常译码的测试案例汇总,即可得设备针对不同干扰信号的抗干扰门限(上限),根据干扰信号的强度、幅值以及频率、速率，可以绘制一条设备抗干扰门限(性能)曲线,如图6所示。

图6 抗干扰性能测试前面板

3.4 功率波形特征测试模块

该测试模块分为两部分,频域信号测试部分和时域信号测试部分。频域信号测试部分通过测试中心频点27.095M宽度4M频段的信号频谱,确定BTM功放输出频点是否稳定。同时通过搜索该频段其他频点是否超限,并判断功放输出谐波是否低于标准。时域部分主要检测波形峰峰值,该参数能够更加精确的体现功率放大输出的力度。由于采集时域信号的探头内部设置为高阻态,所以能够避免使用频谱仪测量时使用衰减器带来的误差。

3.5 测试报告生成模块

测试结果和数据被保存在HTML格式的文件里进而生成测试报告。无需安装专门的软件,使用网页浏览器即可打开。每个文件名都有测试时间记录,方便追溯。类似功放输出测试中谐波和波形的参数,采用图像保存的方式,直观易懂,方便描述,如图7所示。

图7 测试报告

4 测试实例

以BTM1-YH型BTM整机测试步骤为例。

(1)系统标定。通过测试平台自带的校准模块,连接测试平台信号发生器和功率波形测试模块的输入接口,校准设备衰减系数。

(2)报文传输测试。启动报文传输测试模块,调整通信状况,监测BTM设备状态。建链成功后亮绿灯。测试平台会自动开始模拟应答器报文发送,此时用户界面会将测试平台发送的报文和BTM上传给测试平台的报文分别显示出来。模块程序会自动判断BTM接收是否正确,判断完成之后弹出对话框，提示操作人员切换至抗干扰性能测试模块,整个过程大约耗时90 s。

(3)抗干扰性测试。程序自动发送混合信号,针对3种类型的干扰分别发送混合干扰信号。首先测试单频信号干扰,单频信号频率为1～7 MHz,从1 MHz开始干扰报文信号,强度逐渐增加,至BTM无法正常译码后增加单频频率强度再次由低到高干扰报文,记录不能正常译码的点并绘制曲线图。调幅干扰与单频干扰类似,通过改变调幅信号的速率和强度进行测试,高斯白噪声测试则只调整强度。

(4)时域频域测试。程序自动测试BTM功放输出参数,时域信号负责测试输出强度；频率信号负责测试频点和谐波,程序面板两个指示灯分别显示时域和频域参数是否合格。

测试完成后自动生成测试报告。

5 结论

将虚拟仪器技术应用在BTM设备测试领域搭建自动测试平台,对于当前BTM设备大批量运用条件下既要进行设备出厂检测，又要兼顾设备返厂检修的现实需求非常必要。本测试平台的设计根据现场BTM设备故障类型和维修经验，增加了设备抗干扰性能的自动测试,这在很大程度上改变了生产单位进行设备返修测试时缺乏有效检测手段的被动局面。

我国铁路事业飞速发展,BTM设备具有极大的应用前景,对其可靠性量化研究也变得日益必要和紧迫,本自动测试平台应运而生。相信随着测试技术的不断深入和大范围的推广应用,其在高铁信号设备品质检验、产品质量把关方面将发挥越来越大的作用。