基于PXI的MVB网络一致性测试系统构建及测试实践

2023-09-08段龙杰崔金雪祝鑫祝常江梁嘉

铁路技术创新 2023年3期

段龙杰，崔金雪，祝鑫，祝常江，梁嘉

（1.上海轨道交通检测认证（集团）有限公司，上海 200434；2.同济大学铁道与城市轨道交通研究院，上海 201804；3.北京地铁科技发展有限公司，北京 100160；4.北京市地铁运营有限公司通信信号分公司，北京 100082）

0 引言

列车通信网络（Train Communication Network，TCN）总线是目前我国轨道交通列车上运用最广泛的通信网络，其中的多功能车辆总线（Multifunction Vehicle Bus，MVB）在城市轨道交通列车上的运用尤为普遍。从IEC6 1375-1—1999 的TCN 标准开始，到目前我国的国家标准GB/T 28029—2020 列车通信网络TCN 标准，国内外的TCN 设备制造商都是按照TCN 标准来生产制造用于列车上的通信网络设备［1］。MVB 是用于1 节车辆或多节固定编组的车辆中连接车载可编程设备的通信总线。为了保证不同生产商的MVB设备之间的互操作，验证MVB 设备与TCN 标准的一致性是非常有意义和必须的，也是中国城市轨道交通协会在其颁布的列车控制与诊断系统技术规范中明确规定的试验测试项目之一。在研究MVB 网络一致性测试的基础上，开发基于面向仪器系统的PCI 扩展（PCI extensions for Instrumentation，PXI）的MVB 网络一致性测试平台，用以实现MVB 网络一致性测试的系统集成，并为列车控制系统维护检修的智能化打下基础。

1 MVB网络的一致性测试

一致性测试能够保证一个通过测试的设备与协议标准的一致性；有助于各个制造商的设备能与其他制造商的设备实现互操作；也能够为设备制造商的设计改进提供帮助［2］。一致性测试是网络通信设备之间实现互操作的必要条件。

1.1 网络一致性测试

一致性测试是一个能够决定设备是否遵守标准技术要求以及展示标准要求性能的过程。一致性测试包括静态测试和动态测试2个阶段。

静态测试是指在静态条件下设备符合标准的能力要求的情况，静态一致性定义了协议实现所要具备的核心能力集合。设备静态能力分析是一致性测试的起点。

动态测试是监视被测设备在受控环境中的动态性能。动态测试规定了一系列给被测设备（Implementation Under Test，IUT）加激励并监视结果性能的试验，动态测试是网络一致性测试的主要内容。

1.2 MVB的一致性测试

MVB 设备的一致性测试是为了保证MVB 设备与TCN 标准要求的一致性。MVB 的一致性测试内容分为基本互连测试、能力测试和行为测试。

（1）基本互连测试。基本互连测试是在物理层检查MVB 网络运行的基本功能，并检查能否建立相互连接的简单测试。基本互连测试是行为测试的子集，包括电气短距离（Electrical Short Distance，ESD）介质、电气中距离（Electrical Middle Distance，EMD）介质和光纤（Optical Glass Fiber，OGF）介质的基本互连测试。基本互连测试决定可能的互连接是否对TCN 标准有足够的一致性。基本互连测试都能在行为测试过程中体现出来。

（2）能力测试。能力测试检查被测MVB 设备是否满足TCN 标准要求所应当具有的能力。通过对MVB 设备能力与标准要求能力的列表对比，有助于选择合适的行为测试来与静态测试相辅相成，完成一致性测试，将对TCN 标准要求的条目的测试覆盖度提到最高。

（3）行为测试。行为测试是一致性测试的最主要部分，检查被测MVB 设备是否满足与TCN 标准要求的动态一致性。在TCN 标准中MVB 设备用于进行过程数据通信、消息数据通信和监督数据通信。针对能力测试中得出的静态测试结论，选取相应的需要测试的内容来编制特定的行为测试的硬件和软件［3］。比如，对只有过程数据能力的被测MVB设备进行行为测试的话，只要选取测试过程数据的硬件和软件，在实验室环境下进行测试，就能保证不损害覆盖度的情况下正确验证被测设备与TCN标准要求的一致性。

1.3 一致性测试的局限性

网络通信的协议标准非常复杂，进行所有方面的彻底试验是不可行的，故一致性测试不提供对标准每个方面的彻底试验。由于一致性测试是在受控环境中完成的，因此事实上通过一致性测试的设备并不能保证与任何其他通过一致性测试的设备一定能够完全实现相互操作，但是通过了一致性测试的设备之间的互操作实现起来肯定会相对容易得多，由此可看出一致性测试是互操作测试的必要条件。

2 PXI测试系统

PXI 是美国NI 公司开发推出、由PXI 联盟发布的1种基于PC的测量自动化平台。PXI结合了PCI的电气总线特性与Compact PCI 的坚固性、模块化以及Eurocard机械封装的特性，发展成适合于试验、测量与数据采集场合应用的机械、电气和软件规范。制订PXI规范的目的是为了将台式PC 的性能价格比优势与PCI 总线面向仪器领域的必要扩展完美结合起来，成为测量和自动化系统的高性能、低成本平台，并由此形成了虚拟仪器（Virtual Instrument，VI）的概念［4］。

PXI 系统包含4 个部分：PXI 机箱、PXI 控制器、PXI 模块和软件。PXI 机箱除了具备供电和散热功能之外，主要具有用于信号互连的总线背板，嵌入式控制器以及各种模块化仪器和I/O 模块均通过总线背板互联。PXI机箱外形见图1。

图1 PXI机箱外形

PXI 机箱实现了集成的定时和同步，PXI 模块可以使用机箱底板上的共享信号发送和接收触发信号并共享系统参考时钟，更轻松地同步模块和测量。PXI机箱通过集成最新的PCI Express 开关可以提高数据吞吐量；集成最新的英特尔多核处理器来实现更快更高效的并行测试。PXI机箱的功耗低、质量轻，且外形尺寸小。

PXI控制器在配置的操作系统上可以加装多种NI专门开发的工程软件，从而操控插入的仪器模块和IO 端口，完成用户的测控需求，PXI控制器提供了嵌入式和远程2个选项。嵌入式控制器包含运行PXI 系统所需的仪器，无需连接外部PC；而远程控制器则可让用户通过台式机、笔记本电脑或服务器计算机控制PXI系统。

PXI系统将NI的多个专利技术集成到这些模块化仪器中，这些技术包括同步内存核心（SMC）、用于模块化仪器的NI-TCLK 定时与同步技术、用于多功能数据采集的NI-STC3定时与同步技术、用于数据采集的NIMCal 校准算法等［5］。这些技术的运用确保了系统的性能处在业内最高水平，确保了系统的测量性能与质量，同时为一些要求较高的应用提供可靠的测量质量。

开发中采用了PXI 模块化仪器平台，这种基于PC机的高性能标准化测量与自动化方案，能够以合理的价位享有很多易用且灵活的PC 技术、开放的工业标准以及与Compact PCI 产品的完全互用性。PXI 测试系统平台不仅可以实现完备的MVB 网络一致性测试，测试系统还可以延伸运用于其他系统测试，如用作列车控制单元的功能测试。

3 基于PXI 的MVB 网络一致性测试系统的构建

基于PXI 的MVB 网络一致性测试系统是通用的测试平台，可以对MVB 网络的电气中距离介质EMD 物理层以及MVB 网络的链路层进行测试，实现MVB 网络的基本互联测试和性能测试［6］。

3.1 测试原理

3.1.1 终端阻抗测量

终端阻抗测量包含2个内容，一个是终端电阻R的测量，另一个是电感量X的测量。终端阻抗需要与EMD屏蔽双绞线的特性阻抗匹配。特性阻抗可以表示为：

式中：X=∣Z∣sinθ，θ=tan-1（X/R）。

电阻的测量采用精密电阻测量仪，在IUT断电的情况下，测量被测设备A线和B线的端接电阻，要求终端电阻的电阻值范围为120（1±2%）Ω。

感抗的测量采用LCR 测试仪，对电流波形和电压波形的相位角θ进行测量，根据θ值计算感抗大小。

3.1.2 插入损耗测量

插入损耗是指由于插入元件或器件所产生的信号损耗，定义为输出端口所接收到的功率与输入端口的源功率之比，单位是dB。测试方法是采用矢量网络分析仪进行插入损耗的测量，测量的频率范围为0.5～2.0 BR。插入损耗测试示意见图2。

图2 插入损耗测试示意图

3.1.3 传输过程中波形的测量

对传输过程中波形进行测量可以判断总线的传输质量，如果总线上传输的波形与标准定义的波形相差过大，会导致总线上的通信设备无法准确解析数据，从而无法进行响应。根据GB/T 28029.10—2020 中5.3.6.4，为了模拟电缆和设备作为发送器的负载，MVB一致性测试规定了轻载测试电路、重载测试电路、闲置测试电路和短路电路［7］。不同负载下的波形测试原理电路见图3。

图3 不同负载下的波形测试原理电路

3.1.4 接收器行为测试

行为测试在于对IUT接收器的能力进行验证，即当接收信号和理想信号的偏移量较大时，能否正确解析数据。接收器的行为测试是将衰减的主帧发送到被测设备IUT，利用示波器观测检验被测设备IUT 是否能响应发送满足要求的从帧，从而判断接收器是否成功接收主帧。根据GB/T 28029.10—2020 中的5.3.6.4，接收器行为测试设定了阈值为200 mV和阈值为500 mV的接收器行为测试。测试系统采用串联电阻的方法来实现主帧信号的衰减。

3.2 测试系统

测试系统是一个集成化的平台，测试仪器集成在测试柜中（见图4）。根据不同的测试项目，由PXI 系统组合不同的测试仪器来完成。测试仪器主要包括示波器、矢量网络分析仪、LCR 测试仪及精密电阻测试仪。这些仪器均利用PXI的矩阵模块来实现测试仪器的连接和测试，另外还需要配置发送器测试用的重载、轻载及空载测试电路。该平台可以对被测设备的状态、过程数据的通信能力以及从设备的消息数据的通信能力进行完整的测试评估。传统的一致性测试，各个测试项目是独立进行的，而该测试系统将分散的测试项目进行集成，实现自动化测试，能够在线切换测试项点和存储测试数据。

图4 测试系统结构

3.3 测试软件

MVB一致性测试系统的软件是基于实验室虚拟仪器工程平台（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench，LabVIEW）构建的。LabVIEW 是一种图形化的编程语言，编程采用框图形式的流程化结构。Lab-VIEW集成了满足GPIB、VXI、RS-232和RS-485协议的硬件及数据采集卡通信的全部功能，提供了常用的测试控件，如示波器、万用表等，可以更加便捷地设计用户界面；前面板即用户界面，可以设置按钮、波形显示控件等，程序面板即编写程序［8］。编写过程中可以调用Lab-VIEW的函数库和VI的程序模块。使用LabVIEW的图形化界面设计使编程更易操作。图形化编程示例见图5。

图5 编程示例

4 MVB网络一致性的测试实践

MVB网络一致性测试实践结构示意见图6。

图6 MVB网络一致性测试实践结构示意图

4.1 测试环境

MVB网络一致性测试需要首先建立一个测试环境，即建立1个基本的MVB通信网络。因此建立由1个主节点、2个从节点组成的MVB网络，其中主节点作为总线管理器BA，1个从节点为模拟被测的IUT。主节点设备地址为0x11；设置9 个源端口，地址为0FF、201、202、203、204、205、206、301、302；7 个宿端口，地址为210、211、212、213、3A0、3A1、3A2。从节点1 的设备地址为0x21。从节点1设置4个源端口，地址为210、211、212、213；设置6 个宿端口，地址为201、202、203、204、205、206。从节点2设为模拟IUT，其设备地址为0x3A，设置3 个源端口，地址为3A0、3A1、3A2；2个宿端口，地址为301、302。传输的过程数据的特征周期有64、256、512、1 024 ms；过程数据的长度有16、32、64、128、256 bits 5种，对应的F-code码是0～4。

MVB网络过程数据传输的基本条件是需要建立周期信息的实时调度表。根据上述信息研究开发过程中采用LCM/HCF（最小公倍数/最大公约数）方法确定MVB 实时调度表的规模，然后用同步RM调度算法对各MVB周期数据分配相应的优先级，建立相应的实时调度表［9］。在BA上输入实时调度表后，MVB网络即可运行。

4.2 测试实践

4.2.1 终端电阻测试

电阻测试采用的测试仪器为精密电阻测试仪。电阻测试界面见图7。在选定微电阻测试仪端口后，对波特率和采集的数据量进行设置，即可点击“电阻测试”进行端接电阻测试，测量所得的电阻值能够实时显示和存储。

图7 电阻、电感测试界面

4.2.2 电感测试

电感测试采用的测试仪器为LCR 测试仪，电感测试界面见图7，在选定LCR测试仪端口后，对测试仪的参数进行设置，即可点击“电感测试”进行电感测试，测量所得的电感值能够实时显示和存储。

4.2.3 插入损耗测试

插入损耗采用矢量网络分析仪测试。在图8所示的界面上配置矢量网络分析仪的端口后，选择开始频率为0.75 MHz，终止频率3.0 MHz，S参数选择S21，配置完成后点击“插入损耗测量”，插入损耗的测量值能够实时显示并存储。

图8 插入损耗测试界面

4.2.4 传输过程中波形的测量与接收器行为测试

传输过程中信号波形的测量与接收器行为测试采用的测试仪器为示波器。在图9 所示界面的右上角实现对示波器参数的配置，总线上当前传输的波形实时显示在界面上方的波形显示图内，点击“截取波形”后，被截取的波形显示在左下角的波形显示图内，点击“计算波形”，平台系统对截取波形的最大幅值、最小幅值、相邻脉冲幅值之差、理论过零点与实际过零点之差等参数进行测量和存储。