轨道交通车载设备启动时间的测试方法

2022-12-01左登超李德祥

计算机测量与控制 2022年11期

左登超，李德祥

(中车青岛四方车辆研究所有限公司，山东青岛 266031)

0 引言

轨道交通车辆控制系统一般包括网络系统、牵引系统、制动系统、辅助系统、空调系统、旅客信息系统、烟火轴温系统等[1]。目前轨道交通行业主流的控车通讯方式为MVB和TRDP[2]，各系统车载设备通过该种通讯协议向网络系统发送生命信号数据，表明设备工作正常，从而便于整车设备的管理[3]。

轨道交通车辆存在大复位断电再上电、局部断电再上电的情况，车载设备便会随之断电重启。经过多次断电上电，设备可能会有启动不起来的现象，表现出设备离线，报出故障[4]。为了确保各类车载设备在运行过程中的稳定性，需要在设备装车运行前进行断电重启的稳定性测试工作。有些车载设备对启动时间有要求，需要在设备装车运行前针对启动时间进行大量重复测试[5]。

轨道交通领域针对车载设备断电重启及启动时间的测试方法较少，传统的测试方式为：人工接通设备电源，使设备上电，开始人工计时；通过对应的通讯协议抓取设备发送的生命信号数据，以抓到生命信号的时间与开始计时的时间作比较，或者系统有人机交互界面的，以界面出现的时间与开始计时的时间作比较，得出系统的启动时间，反复重复上述过程。这种测试过程完全依赖于人工手动测试，需要人工上电断电、人工观察数据或者界面，人工计算时间。人工观察并计算时间必然会存在较大的误差，并且效率非常低，易出错。当设备需要较长时间的测试时，人工测试便无能为力。可能人工长时间执行断电上电，设备启动故障依旧没有复现[6]。当车载设备软硬件变更后，测试人员需要执行大量的重复测试，而人工测试回归性差，导致可能仍然存在缺陷[7]。借助轨道交通车载设备启动时间的测试方法，可以自动化完成车载控制设备的长时间启动测试，并且可以统计出每一次实验的结果，为设备的稳定运行提供保障。

1 设备启动时间测试系统结构及原理

轨道交通车载设备启动时间测试系统的结构如图1所示。测试系统包含测试主机，测试主机内运行工具软件、电源控制软件；MVB时间统计装置；TRDP时间统计装置；电源输出装置；系统向外提供MVB接口、TRDP类型的以太网接口、电源(0～150 V)接口。

图1 轨道交通车载设备启动时间测试系统

电源控制软件通过发送指令，使得电源输出装置可以向被测设备提供0～150 V的直流电源。电源控制软件向电源输出装置发送0 V电压指令，使得外接被测设备断电，发送110 V、24 V等电压指令，使得外接被测设备上电。

MVB、TRDP时间统计装置内运行时间统计软件，一方面与被测设备以MVB或者TRDP通讯方式进行数据收发，另一方面接收工具软件的指令，统计被测设备的开机时间，返回至工具软件；或者接收被测设备的数据，返回至工具软件。

2 设备启动时间测试系统硬件设计

2.1 测试主机硬件设计

测试主机采用X86架构，Win10操作系统，对外接口包含千兆以太网口以及USB接口，测试主机通过USB转RS232线缆，与电源输出装置相连。测试主机内运行工具软件与电源控制软件，通过以太网接口与时间统计装置通讯。

2.2 电源输出装置硬件设计

电源输出装置采用艾德克斯IT6723B型号程控电源。电源额定功率850 W，电压范围支持 0～150 V可调，电流范围支持0～20 A可调[8]。

程控电源协议方面，使用SCPI(standard commands for programmable instruments)，也称为可编程仪器标准命令，定义控制器与仪器的通讯方式，是一种基于ASCII的仪器命令语言，供测试和测量仪器使用[9-10]。

程控电源具备RS232标准接口，电源控制软件通过RS232接口发送SCPI指令，从而控制电源的输出电压。

2.3 MVB时间统计装置硬件设计

MVB时间统计装置由电源板卡、CPU板卡组成。电源板卡接入直流110 V电源，通过机箱背板给CPU板卡供电。CPU板卡有一个M12-4芯以太网口、一个M12-4芯串口、两个DB9-MVB通讯冗余接口。CPU板卡采用ARM架构，QNX操作系统。板卡内运行时间统计软件，通过以太网口接收测试指令，通过MVB接口与被测设备进行MVB数据收发，通过串口可以登录设备终端，对设备进行维护。

2.4 TRDP时间统计装置硬件设计

TRDP时间统计装置由电源板、CPU板卡、TRDP板卡组成。电源板卡接入直流110 V电源，通过机箱背板给CPU板卡、TRDP板卡供电。CPU板卡采用ARM架构，QNX操作系统，一路M12-4芯以太网口、一个M12-4芯串口。TRDP板卡具有两路M12-4芯以太网口，通过背板PCI总线与CPU板卡相连。CPU内运行时间统计软件，通过以太网口接收测试指令，通过TRDP板卡与被测设备以TRDP通讯方式进行数据收发，通过串口可以登录设备终端，对设备进行维护。

3 设备启动时间测试系统软件设计

3.1 电源控制软件设计

电源控制软件通过向电源控制装置发送RS232指令，使电源输出装置可以向被测设备提供0～150 V范围的直流电源。电源控制软件向电源输出装置发送0 V电压指令，使得外接被测设备断电，发送110 V、24 V等电压指令，使得外接被测设备上电。电源输出控制实现方式如图2所示。

图2 电源输出控制流程

步骤1：电源控制软件运行，初始化与工具软件的TCP通讯，接收测试人员在工具软件中设置的以太网电压值协议；由于两者运行于同一台设备，使用回环地址127.0.0.1进行通讯；

步骤2：初始化与电源输出装置的RS232通讯；

步骤3：当电源控制软件接受到工具软件指令时，首先判断指令的正确性；若正确，则将工具软件通过TCP设置的电压协议转化为电源识别的RS232通讯协议，发向电源输出装置；若不正确，则记录错误状态。

3.2 时间统计装置软件设计

时间统计装置分为MVB时间统计装置与TRDP时间统计装置，可分别与MVB、TRDP为通讯方式的车载设备进行通讯，进行数据收发；接收工具软件的测试指令，统计被测设备的开机时间，返回至工具软件，或者接收被测设备的数据，返回至工具软件，由工具软件判断是否满足要求。MVB、TRDP时间统计装置控制实现如图3所示。

图3 MVB、TRDP时间统计装置控制流程

步骤1：时间统计装置上电，读取MVB的端口或者TRDP的COMID文件，用以初始化与被测设备的通讯。其中MVB的端口配置文件内容如表1所示。

表1 MVB端口配置文件

文件第一列表示端口的方向信息，output表示装置主动发出的端口数据，input表示装置接收的端口数据；第二列表示端口的地址信息；第三列表示端口的大小信息；第四列表示端口的刷新周期信息，单位毫秒[11-12]；

TRDP的COMID配置文件内容如下所示：

文件第一列表示COMID信息；第二列表示本机的IP地址；第三列表示通讯方式，UDP组播或者UDP单播；第四列表示COMID的包大小，单位字节；第五列表示COMID的方向，output表示装置主动发出的数据，input表示装置接收的数据；第六列表示COMID的刷新周期信息，单位毫秒；第七列表示COMID的目的地址信息；第八列仅在数据方向为input方式时有效，表示COMID发送者的IP地址信息[13-14]；

表2 TRDP COMID配置文件

步骤2:根据读取的配置文件中的MVB的端口、TRDP的COMID大小信息，分配数据存储内存，存放与被测设备之间发送及接收的数据；

步骤3：开启MVB或者TRDP收发线程，将步骤二的数据发送出去，或者将接收到的数据进行存储；

步骤4：初始化TCP通讯，用以接收工具软件的测试指令；

步骤5：判断接收的测试指令类型并执行，装置可以接收四种类型的测试指令：

强制指令：工具软件将具体端口或COMID下的指定字节、位偏移信息发送给时间统计装置，装置接收到该数据信息后，将对应内存中的数据进行更新，由后台线程自动获取内存数据进行发送，强制指令只能设置方向为output的数据[15-16]；

心跳获取指令：工具软件将具体端口或COMID下的指定字节、位偏移的信息、采样频率f、采样个数n信息发送给时间统计装置，装置接收到该数据信息后，从对应内存中以采样频率f进行采集，一共采集n次实时数据，然后通过TCP通讯向工具软件发送结果[17-18]；

观测指令：工具软件将具体端口或COMID下的指定字节、位偏移的信息发送给时间统计装置，装置接收到该数据信息后，从对应内存中取出一次实时数据，然后通过TCP通讯向工具软件发送结果，观测指令只能设置方向为input的数据[19-20]；

时间统计指令：工具软件向装置发送时间统计指令，装置记录收到命令的时间为T1；被测设备发出的工具软件指定的变量变化或者为预期数据，装置记录此刻时间为T2，将计算结果T2-T1通过TCP通讯向工具软件进行发送；工具软件查看该值是否在要求的时间范围内，判断被测设备的开机时间是否通过测试。

3.3 工具软件及测试指令设计

工具软件作为向测试人员提供的操作装置内设备的统一接口，接受测试人员输入的指令，并将指令发送给时间统计装置及电源控制软件。

测试人员控制电源的电压输出指令，在工具软件中的写法如下：

setvoltage=110;(注：电源输出110 V，使得被测设备上电)

setvoltage=0;(注：电源输出0 V，使得被测设备断电)

当工具软件执行此测试指令时，将如下信息发送给电源控制软件：

动作名称控制类型值；

set setvoltage 110/n 或者set setvoltage 0/n

电源控制软件接收到工具软件的电压设置指令后，将该指令转换为程控电源识别的电压值，通过串口转发至电源输出装置。

统计设备开机时间是否在规定的最大时间内，或者验证被测设备是否存在断电重启故障，不关心设备精确的开机时间，在工具软件中的写法如下：

delay=50 000；

lifesignal(端口号/COMID，字节偏移，位偏移，采样频率，采集总次数)；

当工具软件执行该测试指令时，先延时50 000毫秒的时间，然后向时间统计装置发送心跳信号采集指令，装置开始以采样频率进行采集，一共采集总次数次，并将采集到的所有结果打包返回给工具软件，lifesignal 数值1,数值2,数值3…/n。

工具软件收到结果后，判断每次的数值较前一次变化，则认为设备在规定的时间内启动成功，如果数值不变化，则认为执行失败。

统计设备开机的精确时间、判断开机时间是否在指定范围内，并且想要测试设备断电重启是否存在故障，在工具软件中的写法如下：

boottime(端口号/COMID，字节偏移，位偏移，预期的开机最小时间，预期的开机最大时间，检测超时时间，比较值，采样频率)。

当工具软件执行此测试指令时，应将如下信息发送给时间统计装置：

动作名称、端口号/COMID、字节偏移、位偏移、采样频率、检测超时时间、协议类型(mvbpd、trdp)、相等或不等、默认值/比较值；

boottime 116 5 0 1000 50 mvbpd 1 0/n

时间统计装置采集时间到后，如果满足判断条件(参考“比较值”字段含义)，则时间统计装置将收到时间统计指令的时刻到满足条件的时刻之间的差值(以秒为单位)返回给工具软件，如果此时不满足判断条件，则下位机超时停止检测，返回65535；

boottime 端口号/COMID 字节偏移位偏移实际时间数值/n

boottime 端口号/COMID 字节偏移位偏移65535/n

工具软件收到时间统计装置返回的数据时，记录boottime(端口号/COMID，字节偏移，位偏移，接收值)提供给工具软件；

判断依据为，当接收到65535时(超时)，则未通过；当接收到非65535的数据时，判断此数据是否在指令动作的(预期的开机最小时间,预期的开机最大时间)范围内(闭区间)，如果在则通过，不在则未通过。

表3 时间统计指令各字段说明

4 启动时间测试实验步骤及结果分析

设备启动时间测试系统支持以下两种测试方式。

方式1:操作电源输出装置使得被测设备上电，设置可接受的最大延时等待时间；待延时时间到后，收取被测设备通过MVB或者TRDP回复的心跳数据；若收到，则本次设备启动成功，断电进行下一次测试，重复执行；若没有收到，则停止执行；

方式2:通过电源控制装置使得被测设备上电，此时工具软件向MVB或者TRDP时间统计装置发送时间统计指令，当装置检测到被测设备启动成功后，回复被测启动的精确时间至工具软件；若返回的精确时间在指定范围内，则本次设备启动成功，断电进行下一次测试，重复执行；若不符合要求或者接收时间结果超时，则停止执行；

方式1适用于比较粗略的统计设备开机时间是否满足要求，或者验证被测设备是否存在断电重启故障；方式2可以精确统计设备的开机时间，对于设备的稳定性更具有参考意义。以上两种测试方式可以针对被测设备的测试需求进行选择。

4.1 启动时间测试实验步骤

当被测设备为MVB通讯时，系统的连接方式如图4。

图4 MVB设备启动时间测试系统连接

将时间统计装置的电源板卡外接110 V电源，此电源在测试过程中不断电；将CPU板卡的MVB接口连接至被测设备的MVB接口；将被测设备的电源正负极接至电源输出装置。

当被测设备为TRDP通讯时，系统的连接方式如图5所示。

图5 TRDP设备启动时间测试系统连接

将TRDP时间统计装置的电源板卡外接110 V电源，此电源在测试过程中不断电；将TRDP板卡的网口与被测设备的网口相连，将被测设备的电源正负极接至电源输出装置。

以MVB为例，介绍具体的实验步骤。

步骤1：生成MVB时间统计装置使用的配置文件，该配置文件设置输入方向的端口信息，端口号为118，字节大小为32字节，刷新周期为64 ms；

表4 MVB端口配置文件

将此配置文件下发到MVB时间统计装置中；

步骤2：在工具软件中输入测试指令；

1)当需要统计被测设备开机启动时间是否满足小于某一时间时：

编写方式1，不需要统计被测设备确切开机时间：

setvoltage=110;

delay=50000；

lifesignal(118，1，0，500，10)；

setvoltage=0;

工具软件控制电源输出110 V电压，使得被测设备上电；然后延时50 s的时间，等待设备正常工作；延时时间到后，向MVB时间统计装置发送心跳获取指令，装置以500 ms的频率保存端口118，字节偏移为1，位偏移为0的数据的值，共保存10次；保存次数到后，将结果返回至工具软件，由工具软件判断测试是否通过；

编写方式2，需要统计被测设备确切开机时间：

setvoltage=110;

boottime(118,1,0,50);

setvoltage=0;

工具软件控制电源输出110 V电压，使得被测设备上电；然后向MVB时间统计装置发送时间获取指令；装置收到指令后，首先记录此时刻时间T1，然后以默认频率500 ms，检测端口118，字节偏移为1，位偏移为0的数据的值；检测到的数据较默认值有变化，则记录此时时间T2；将T2-T1的值发送至工具软件，检测超时时间到后，仍未检测到有变化，则将65535发送至工具软件；由工具软件判断是否执行通过；

2)当测试被测设备开机启动时间是否满足在某一时间范围内，并且统计确切的开机时间：

setvoltage=110;

boottime(118，1，0，30，50，60);

setvoltage=0;

工具软件控制电源输出110 V电压，使得被测设备上电；然后向MVB时间统计装置发送时间获取指令；装置收到指令后，首先记录此时刻时间T1，然后以默认频率500 ms，检测端口118，字节偏移为1，位偏移为0的数据的值；检测到的数据较默认值有变化，则记录此时时间T2；将T2-T1的值发送至工具软件，检测超时时间60 s到后，仍未检测到有变化，则将65535发送至工具软件；由工具软件判断是否执行通过；

步骤3：触发工具软件循环执行测试指令，设置连续重复执行一周的时间(具体执行时间视测试需求而定)，以充分验证设备的稳定性；当执行失败时，工具软件自动停止执行；

步骤4：工具软件能够记录每次执行的结果，当执行完毕后将结果保存；