牽引系統(tǒng)控制單元自動化測試設備的研制

申瑞源,張順廣,楊光威,趙紅衛(wèi)

(1 鐵道部運輸局 裝備部,北京100844;2 中國鐵道科學研究院 機車車輛研究所,北京100081)

TCU(Traction Control Unit,牽引控制單元)和CCU(Central Control Unit,中央控制單元)是用于鐵路機車車輛的微控制產(chǎn)品。其產(chǎn)品特點是邏輯功能復雜,作用關鍵。牽引系統(tǒng)控制單元自動化測試設備基于保證TCU/CCU產(chǎn)品質(zhì)量和提高生產(chǎn)效率的目的而研制,為TCU/CCU嚴格把握產(chǎn)品質(zhì)量關的檢測設備。

1 設計原則

1.1 技術成熟性和先進性

牽引系統(tǒng)控制單元自動化測試設備檢測的對象是TCU/CCU(包含其中的功能板卡)。研制自動化測試設備要充分考慮被測對象自身的設計理念和實現(xiàn)的技術手段。測試設備采用的技術既要成熟可靠,也同時兼顧技術的先進性原則。

1.2 可靠性、安全性和易操作性

自動化測試設備應該具有很好的可靠性,只有測試設備自身可靠和穩(wěn)定才能為被測對象的質(zhì)量把關。

同時,應充分考慮系統(tǒng)安全性。不僅要確保被測對象的測試安全和測試設備安全,而且要確保設備的操作人員安全。

自動化測試設備設計要充分體現(xiàn)“以人為本”的指導思想。在滿足系統(tǒng)功能需求的前提下,硬件系統(tǒng)的操作、軟件系統(tǒng)的人機接口設計以及操作界面將做到美觀實用,操作簡便,同時建立完善的幫助系統(tǒng)、為使用人員提供良好的學習和操作環(huán)境。

1.3 可擴展性和標準化

鐵路的快速發(fā)展,需求不同速度等級的機車車輛共存。根據(jù)不同的速度等級,TCU和CCU產(chǎn)品也略有不同。自動化測試設備應考慮到被測對象的產(chǎn)品升級,增加對測試資源的要求,所以應具有可擴展性。盡量選擇標準化的模塊構建系統(tǒng),使得系統(tǒng)具有良好的可擴展性。

2 測試需求分析

TCU/CCU具有7U尺寸大小的標準化機箱結構,由不同功能的板卡通過背板連接組合形成。為了能夠充分利用資源,研發(fā)的牽引系統(tǒng)控制單元自動化測試設備既能夠對TCU/CCU進行出廠前的功能測試實現(xiàn)自動化測試,也能夠對組成 TCU/CCU的各功能板卡進行板級自動測試。板級測試有著嚴格的性能參數(shù)指標要求,測試就是保證板卡滿足各種參數(shù)指標。TCU/CCU組合的功能測試,主要保證TCU/CCU的功能,對具體的參數(shù)要求主要由板級測試來保證。例如,二進制輸入板卡,是把車載的110 V輸入轉變成為微控制器可以讀取的電參數(shù)。在板級測試中,測試二進制輸入板卡的輸入發(fā)生跳變時,既要關注二進制輸入板卡的輸出有跳變,也要關注該板卡輸出跳變的延時是否滿足要求。而在TCU/CCU的組合測試中,針對二進制輸入板卡的輸入有跳變,測試只關注從CPU板卡能否讀到該輸入跳變。對于同樣的功能測試,板級測試和集成測試的側重點不一樣。

2.1 板級測試的需求分析

根據(jù)板卡的硬件,提供電源使得板卡能夠工作。為了對板卡進行測試,需要提供激勵。根據(jù)板卡功能的不同,需要提供的激勵信號也不一樣,有的板卡需要提供電壓,有的板卡需要提供電流源,有的板卡需要提供方波等。

根據(jù)對不同板卡進行測試的分析,總結對測試資源需求的最小組合,能夠滿足測試功能和測試精度的要求。

2.2 組合功能測試需求分析

TCU/CCU的功能測試主要是以測試TCU/CCU硬件功能為主,不包含TCU/CCU里面的軟件邏輯功能。在進行功能測試的時候,使用專用的測試程序。

為了對TCU/CCU進行測試,需要模擬車載的環(huán)境,使得TCU/CCU的硬件能正常運轉,從而能夠檢測相關硬件的功能。例如TCU中的某塊板卡有A/D(模/數(shù))功能,板卡輸入是牽引變流器的中間電壓互感器的輸出。在TCU測試時,通過電流電壓源模擬中間電壓互感器的輸出連接到該板卡,然后用計算機的RS232口連接CPU(Central Process Unit,中央處理單元)板卡,讀取A/D轉換的結果與標準值比較,判定是否在約定誤差范圍內(nèi),從而得到該板卡的A/D(模/數(shù))功能是否正常。

充分考慮為了測試TCU/CCU的各個功能,需要加載的信號激勵,歸納出組合測試時需要的測試資源。

3 方案設計

依據(jù)上述的設計原則,并綜合板級測試及組合測試需求分析結果,最終選擇了以VXI(VME-bus eXtension for Instrument,VME總線用于儀器的擴展)總線模塊化儀器為基礎,輔以具有程控接口的臺式儀器構建硬件測試平臺,并結合通用故障診斷軟件搭建通用性好、可擴展性強的牽引系統(tǒng)控制單元自動化測試設備。

VXI總線測試平臺是公認的21世紀儀器總線系統(tǒng)和自動測試系統(tǒng)的優(yōu)秀平臺,是一種開放式的系統(tǒng)結構,它集成了計算機數(shù)字接口和模塊化儀器的優(yōu)點。VXI總線模塊儀器優(yōu)良的交互操作性,數(shù)據(jù)傳輸速率高,可靠性高,結構緊湊、標準開放、模塊可重復使用。虛擬儀器是以一種全新的理念來設計和發(fā)展的儀器。虛擬儀器本質(zhì)上是一個開放式的結構,用戶能夠根據(jù)自己的需要定義儀器的功能。VISA(Virtual Instrument Software Architecture,虛擬儀器軟件結構)解決了所使用的計算機與儀器之間的接口與應用軟件開發(fā)環(huán)境的兼容性問題,因而廣泛應用在自動化測試領域中。臺式儀器用來彌補VXI總線儀器在功能和使用上的不足。

3.1 測試設備的程控體系架構

牽引系統(tǒng)控制單元自動測試設備建立以VXI測試總線為主,LAN(Local Area Network,局域網(wǎng))總線和RS485總線為輔的程控儀器測試體系架構。測試系統(tǒng)設備的程控體系架構如圖1所示,主控計算機的LAN口連接HUB(集線器),通過LAN口對臺式儀器(波形發(fā)生器、數(shù)字示波器和數(shù)字源表)的程控;主控計算機通過PCI擴展RS485接口對程控電源和信號調(diào)理的控制;主控計算機通過1394總線接口控制VXI機箱的零槽控制器對VXI總線儀器的控制。

3.2 測試設備的組成

牽引系統(tǒng)控制單元自動化測試設備主要由硬件平臺、系統(tǒng)軟件和 TPS(Test Program Set,測試程序集)組成,如圖2所示。

圖1 牽引系統(tǒng)控制單元自動化測試設備的程控體系架構示意圖

圖2 牽引系統(tǒng)控制單元自動化測試設備的組成示意圖

硬件設備配置主要由:主控計算機、VXI測控組合、臺式測試儀器、直流程控電源、加電控制組合、調(diào)理組合 、ICA(Interface Connector Assembly,接口連接適配器組合)、ITA(Interface Test Adapter,接口測試適配器)、測試適配器以及系統(tǒng)自檢裝置等組成。

自動測試設備的軟件系統(tǒng)和TPS存在于主控計算機中,如圖2在橢圓形里的內(nèi)容。主控計算機是整個測試設備的控制中心,協(xié)調(diào)處理各個測試儀器的工作,根據(jù)存儲在計算機中的TP(Test Program,測試程序)控制整個測試過程,包括施加激勵源、數(shù)據(jù)采集和處理、故障判斷等。VXI測控組合主要由VXI機箱和VXI總線儀器組成。臺式儀器主要由功率放大器、示波器、波形發(fā)生器和高精度數(shù)字源表組成。調(diào)理組合主要由64通道高壓繼電器開關、電阻負載、測試信號調(diào)理組成,用于模擬TCU/CCU正常工作時的負載及板級測試中的負載。程控電源用于提供被測對象供電及用于組合測試/板級測試中的電源供電波動測試。加電控制組合用于系統(tǒng)供電控制,并提供過壓過流保護。測試系統(tǒng)標準測試接口主要包括ICA和ITA兩部分。在測試時,被測對象通過專用適配板與標準測試適配器提供的測試資源連接。通過更換不同的專用適配器,可以重用測試設備的資源對不同的產(chǎn)品進行測試。通過更換TCU/CCU組合測試的適配器,可以進行集成測試。更換為板級適配器,可以進行板級測試。

TPS中分為自檢TP、用于測試TCU/CCU的T P和用于測試板卡的TP。自檢TP用于完成牽引系統(tǒng)控制單元自動測試設備的自檢,其主要功能可分為兩個方面。①通過自檢裝置,判定設備的主要技術指標是否合格,從而確認設備的工作狀態(tài)是否正常;②在設備故障時,可通過系統(tǒng)自檢,提供系統(tǒng)維護的相關信息。TCU/CCU TP是用于測量TCU/CCU的測試流程。板級TP用于測試板卡的測試流程,不同的功能板卡有對應的測試流程。

3.3 測試設備的工作原理

(1)集成測試的工作原理

自動化測試設備對TCU/CCU進行測試時,安裝TCU/CCU組合適配器,在主控計算機上的TP執(zhí)行平臺執(zhí)行對應T P,按照預先編制好的測試流程通過主控計算機的程控接口(1394、RS485、LAN)控制測試資源發(fā)送激勵信號,激勵信號通過標準測試接口發(fā)送至TCU/CCU組合適配器,再通過連接電纜加載到TCU/CCU;主控計算機與被測TCU/CCU有RS232接口連接,TP發(fā)送特定的指令讀取結果,并且判定讀取的結果與預定的結果是否一致,將判定結果輸入到報表中。自動化測試設備進行TCU/CCU測試時的工作原理如圖3所示。

圖3 牽引系統(tǒng)控制單元自動化測試設備進行TCU/CCU測試時的工作原理示意圖

圖4 牽引系統(tǒng)控制單元自動化測試設備進行板級測試時的工作原理示意圖

(2)板級測試的工作原理

自動化測試設備對板卡進行測試時,安裝板級測試適配器,插上對應板卡的轉接電路板,通過連接電纜與被測板卡的前面板連接器相連,被測板卡的背板連接器再連接回板卡的轉接電路板,形成閉環(huán)的連接。在TP執(zhí)行平臺執(zhí)行被測板卡的T P,通過主控計算機的程控接口控制測試資源發(fā)送激勵信號,激勵信號通過標準測試接口發(fā)送至板級測試適配器,通過被測板卡的轉接板和連接電纜(激勵信號)加載到被測板卡;測試結果再通過連接電纜(供電及結果)連到轉接板,然后再回到測試系統(tǒng),主控計算機通過程控接口讀回數(shù)據(jù),判定結果是否符合要求,把測試結果輸入到報表中。自動化測試設備進行板卡測試時的工作原理如圖4所示。更換與板級適配器相連的不同板卡的轉接電路板,可以對不同的板卡進行測試。

4 結束語

根據(jù)所描述的設計方案,研制的牽引系統(tǒng)控制單元自動化測試設備具有對TCU/CCU的功能及其中的板卡進行自動化測試的功能。在測試過程中減少了人為因素的影響,如減少操作信號源誤差、讀示波器誤差等引起的測試問題。測試結束后,能夠自動生成不可編輯的測試報告,確保測試結果的真實性,從而能夠充分保證產(chǎn)品的質(zhì)量,提高生產(chǎn)效率。引入數(shù)據(jù)庫,增強數(shù)據(jù)管理功能,數(shù)據(jù)的可追溯性強。根據(jù)記錄的歷史數(shù)據(jù),可以進行各種統(tǒng)計分析。如產(chǎn)品故障率和故障點等重要數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析,有利于找出在生產(chǎn)和組裝過程中產(chǎn)生的問題。

[1]張毅剛,等譯.VXI總線即插即用規(guī)范[M].哈爾濱工業(yè)大學出版社,1999.