牵引系统控制单元自动化测试设备的研制

申瑞源,张顺广,杨光威,赵红卫

(1 铁道部运输局 装备部,北京100844;2 中国铁道科学研究院 机车车辆研究所,北京100081)

TCU(Traction Control Unit,牵引控制单元)和CCU(Central Control Unit,中央控制单元)是用于铁路机车车辆的微控制产品。其产品特点是逻辑功能复杂,作用关键。牵引系统控制单元自动化测试设备基于保证TCU/CCU产品质量和提高生产效率的目的而研制,为TCU/CCU严格把握产品质量关的检测设备。

1 设计原则

1.1 技术成熟性和先进性

牵引系统控制单元自动化测试设备检测的对象是TCU/CCU(包含其中的功能板卡)。研制自动化测试设备要充分考虑被测对象自身的设计理念和实现的技术手段。测试设备采用的技术既要成熟可靠,也同时兼顾技术的先进性原则。

1.2 可靠性、安全性和易操作性

自动化测试设备应该具有很好的可靠性,只有测试设备自身可靠和稳定才能为被测对象的质量把关。

同时,应充分考虑系统安全性。不仅要确保被测对象的测试安全和测试设备安全,而且要确保设备的操作人员安全。

自动化测试设备设计要充分体现“以人为本”的指导思想。在满足系统功能需求的前提下,硬件系统的操作、软件系统的人机接口设计以及操作界面将做到美观实用,操作简便,同时建立完善的帮助系统、为使用人员提供良好的学习和操作环境。

1.3 可扩展性和标准化

铁路的快速发展,需求不同速度等级的机车车辆共存。根据不同的速度等级,TCU和CCU产品也略有不同。自动化测试设备应考虑到被测对象的产品升级,增加对测试资源的要求,所以应具有可扩展性。尽量选择标准化的模块构建系统,使得系统具有良好的可扩展性。

2 测试需求分析

TCU/CCU具有7U尺寸大小的标准化机箱结构,由不同功能的板卡通过背板连接组合形成。为了能够充分利用资源,研发的牵引系统控制单元自动化测试设备既能够对TCU/CCU进行出厂前的功能测试实现自动化测试,也能够对组成 TCU/CCU的各功能板卡进行板级自动测试。板级测试有着严格的性能参数指标要求,测试就是保证板卡满足各种参数指标。TCU/CCU组合的功能测试,主要保证TCU/CCU的功能,对具体的参数要求主要由板级测试来保证。例如,二进制输入板卡,是把车载的110 V输入转变成为微控制器可以读取的电参数。在板级测试中,测试二进制输入板卡的输入发生跳变时,既要关注二进制输入板卡的输出有跳变,也要关注该板卡输出跳变的延时是否满足要求。而在TCU/CCU的组合测试中,针对二进制输入板卡的输入有跳变,测试只关注从CPU板卡能否读到该输入跳变。对于同样的功能测试,板级测试和集成测试的侧重点不一样。

2.1 板级测试的需求分析

根据板卡的硬件,提供电源使得板卡能够工作。为了对板卡进行测试,需要提供激励。根据板卡功能的不同,需要提供的激励信号也不一样,有的板卡需要提供电压,有的板卡需要提供电流源,有的板卡需要提供方波等。

根据对不同板卡进行测试的分析,总结对测试资源需求的最小组合,能够满足测试功能和测试精度的要求。

2.2 组合功能测试需求分析

TCU/CCU的功能测试主要是以测试TCU/CCU硬件功能为主,不包含TCU/CCU里面的软件逻辑功能。在进行功能测试的时候,使用专用的测试程序。

为了对TCU/CCU进行测试,需要模拟车载的环境,使得TCU/CCU的硬件能正常运转,从而能够检测相关硬件的功能。例如TCU中的某块板卡有A/D(模/数)功能,板卡输入是牵引变流器的中间电压互感器的输出。在TCU测试时,通过电流电压源模拟中间电压互感器的输出连接到该板卡,然后用计算机的RS232口连接CPU(Central Process Unit,中央处理单元)板卡,读取A/D转换的结果与标准值比较,判定是否在约定误差范围内,从而得到该板卡的A/D(模/数)功能是否正常。

充分考虑为了测试TCU/CCU的各个功能,需要加载的信号激励,归纳出组合测试时需要的测试资源。

3 方案设计

依据上述的设计原则,并综合板级测试及组合测试需求分析结果,最终选择了以VXI(VME-bus eXtension for Instrument,VME总线用于仪器的扩展)总线模块化仪器为基础,辅以具有程控接口的台式仪器构建硬件测试平台,并结合通用故障诊断软件搭建通用性好、可扩展性强的牵引系统控制单元自动化测试设备。

VXI总线测试平台是公认的21世纪仪器总线系统和自动测试系统的优秀平台,是一种开放式的系统结构,它集成了计算机数字接口和模块化仪器的优点。VXI总线模块仪器优良的交互操作性,数据传输速率高,可靠性高,结构紧凑、标准开放、模块可重复使用。虚拟仪器是以一种全新的理念来设计和发展的仪器。虚拟仪器本质上是一个开放式的结构,用户能够根据自己的需要定义仪器的功能。VISA(Virtual Instrument Software Architecture,虚拟仪器软件结构)解决了所使用的计算机与仪器之间的接口与应用软件开发环境的兼容性问题,因而广泛应用在自动化测试领域中。台式仪器用来弥补VXI总线仪器在功能和使用上的不足。

3.1 测试设备的程控体系架构

牵引系统控制单元自动测试设备建立以VXI测试总线为主,LAN(Local Area Network,局域网)总线和RS485总线为辅的程控仪器测试体系架构。测试系统设备的程控体系架构如图1所示,主控计算机的LAN口连接HUB(集线器),通过LAN口对台式仪器(波形发生器、数字示波器和数字源表)的程控;主控计算机通过PCI扩展RS485接口对程控电源和信号调理的控制;主控计算机通过1394总线接口控制VXI机箱的零槽控制器对VXI总线仪器的控制。

3.2 测试设备的组成

牵引系统控制单元自动化测试设备主要由硬件平台、系统软件和 TPS(Test Program Set,测试程序集)组成,如图2所示。

图1 牵引系统控制单元自动化测试设备的程控体系架构示意图

图2 牵引系统控制单元自动化测试设备的组成示意图

硬件设备配置主要由:主控计算机、VXI测控组合、台式测试仪器、直流程控电源、加电控制组合、调理组合 、ICA(Interface Connector Assembly,接口连接适配器组合)、ITA(Interface Test Adapter,接口测试适配器)、测试适配器以及系统自检装置等组成。

自动测试设备的软件系统和TPS存在于主控计算机中,如图2在椭圆形里的内容。主控计算机是整个测试设备的控制中心,协调处理各个测试仪器的工作,根据存储在计算机中的TP(Test Program,测试程序)控制整个测试过程,包括施加激励源、数据采集和处理、故障判断等。VXI测控组合主要由VXI机箱和VXI总线仪器组成。台式仪器主要由功率放大器、示波器、波形发生器和高精度数字源表组成。调理组合主要由64通道高压继电器开关、电阻负载、测试信号调理组成,用于模拟TCU/CCU正常工作时的负载及板级测试中的负载。程控电源用于提供被测对象供电及用于组合测试/板级测试中的电源供电波动测试。加电控制组合用于系统供电控制,并提供过压过流保护。测试系统标准测试接口主要包括ICA和ITA两部分。在测试时,被测对象通过专用适配板与标准测试适配器提供的测试资源连接。通过更换不同的专用适配器,可以重用测试设备的资源对不同的产品进行测试。通过更换TCU/CCU组合测试的适配器,可以进行集成测试。更换为板级适配器,可以进行板级测试。

TPS中分为自检TP、用于测试TCU/CCU的T P和用于测试板卡的TP。自检TP用于完成牵引系统控制单元自动测试设备的自检,其主要功能可分为两个方面。①通过自检装置,判定设备的主要技术指标是否合格,从而确认设备的工作状态是否正常;②在设备故障时,可通过系统自检,提供系统维护的相关信息。TCU/CCU TP是用于测量TCU/CCU的测试流程。板级TP用于测试板卡的测试流程,不同的功能板卡有对应的测试流程。

3.3 测试设备的工作原理

(1)集成测试的工作原理

自动化测试设备对TCU/CCU进行测试时,安装TCU/CCU组合适配器,在主控计算机上的TP执行平台执行对应T P,按照预先编制好的测试流程通过主控计算机的程控接口(1394、RS485、LAN)控制测试资源发送激励信号,激励信号通过标准测试接口发送至TCU/CCU组合适配器,再通过连接电缆加载到TCU/CCU;主控计算机与被测TCU/CCU有RS232接口连接,TP发送特定的指令读取结果,并且判定读取的结果与预定的结果是否一致,将判定结果输入到报表中。自动化测试设备进行TCU/CCU测试时的工作原理如图3所示。

图3 牵引系统控制单元自动化测试设备进行TCU/CCU测试时的工作原理示意图

图4 牵引系统控制单元自动化测试设备进行板级测试时的工作原理示意图

(2)板级测试的工作原理

自动化测试设备对板卡进行测试时,安装板级测试适配器,插上对应板卡的转接电路板,通过连接电缆与被测板卡的前面板连接器相连,被测板卡的背板连接器再连接回板卡的转接电路板,形成闭环的连接。在TP执行平台执行被测板卡的T P,通过主控计算机的程控接口控制测试资源发送激励信号,激励信号通过标准测试接口发送至板级测试适配器,通过被测板卡的转接板和连接电缆(激励信号)加载到被测板卡;测试结果再通过连接电缆(供电及结果)连到转接板,然后再回到测试系统,主控计算机通过程控接口读回数据,判定结果是否符合要求,把测试结果输入到报表中。自动化测试设备进行板卡测试时的工作原理如图4所示。更换与板级适配器相连的不同板卡的转接电路板,可以对不同的板卡进行测试。

4 结束语

根据所描述的设计方案,研制的牵引系统控制单元自动化测试设备具有对TCU/CCU的功能及其中的板卡进行自动化测试的功能。在测试过程中减少了人为因素的影响,如减少操作信号源误差、读示波器误差等引起的测试问题。测试结束后,能够自动生成不可编辑的测试报告,确保测试结果的真实性,从而能够充分保证产品的质量,提高生产效率。引入数据库,增强数据管理功能,数据的可追溯性强。根据记录的历史数据,可以进行各种统计分析。如产品故障率和故障点等重要数据的统计分析,有利于找出在生产和组装过程中产生的问题。

[1]张毅刚,等译.VXI总线即插即用规范[M].哈尔滨工业大学出版社,1999.