基于PXI的MVB網(wǎng)絡(luò)一致性測試系統(tǒng)構(gòu)建及測試實踐

段龍杰，崔金雪，祝鑫，祝常江，梁嘉

（1.上海軌道交通檢測認(rèn)證（集團(tuán)）有限公司，上海 200434；2.同濟(jì)大學(xué) 鐵道與城市軌道交通研究院，上海 201804；3.北京地鐵科技發(fā)展有限公司，北京 100160；4.北京市地鐵運營有限公司通信信號分公司，北京 100082）

0 引言

列車通信網(wǎng)絡(luò)（Train Communication Network，TCN）總線是目前我國軌道交通列車上運用最廣泛的通信網(wǎng)絡(luò)，其中的多功能車輛總線（Multifunction Vehicle Bus，MVB）在城市軌道交通列車上的運用尤為普遍。從IEC6 1375-1—1999 的TCN 標(biāo)準(zhǔn)開始，到目前我國的國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 28029—2020 列車通信網(wǎng)絡(luò)TCN 標(biāo)準(zhǔn)，國內(nèi)外的TCN 設(shè)備制造商都是按照TCN 標(biāo)準(zhǔn)來生產(chǎn)制造用于列車上的通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備［1］。MVB 是用于1 節(jié)車輛或多節(jié)固定編組的車輛中連接車載可編程設(shè)備的通信總線。為了保證不同生產(chǎn)商的MVB設(shè)備之間的互操作，驗證MVB 設(shè)備與TCN 標(biāo)準(zhǔn)的一致性是非常有意義和必須的，也是中國城市軌道交通協(xié)會在其頒布的列車控制與診斷系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范中明確規(guī)定的試驗測試項目之一。在研究MVB 網(wǎng)絡(luò)一致性測試的基礎(chǔ)上，開發(fā)基于面向儀器系統(tǒng)的PCI 擴(kuò)展（PCI extensions for Instrumentation，PXI）的MVB 網(wǎng)絡(luò)一致性測試平臺，用以實現(xiàn)MVB 網(wǎng)絡(luò)一致性測試的系統(tǒng)集成，并為列車控制系統(tǒng)維護(hù)檢修的智能化打下基礎(chǔ)。

1 MVB網(wǎng)絡(luò)的一致性測試

一致性測試能夠保證一個通過測試的設(shè)備與協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的一致性；有助于各個制造商的設(shè)備能與其他制造商的設(shè)備實現(xiàn)互操作；也能夠為設(shè)備制造商的設(shè)計改進(jìn)提供幫助［2］。一致性測試是網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備之間實現(xiàn)互操作的必要條件。

1.1 網(wǎng)絡(luò)一致性測試

一致性測試是一個能夠決定設(shè)備是否遵守標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)要求以及展示標(biāo)準(zhǔn)要求性能的過程。一致性測試包括靜態(tài)測試和動態(tài)測試2個階段。

靜態(tài)測試是指在靜態(tài)條件下設(shè)備符合標(biāo)準(zhǔn)的能力要求的情況，靜態(tài)一致性定義了協(xié)議實現(xiàn)所要具備的核心能力集合。設(shè)備靜態(tài)能力分析是一致性測試的起點。

動態(tài)測試是監(jiān)視被測設(shè)備在受控環(huán)境中的動態(tài)性能。動態(tài)測試規(guī)定了一系列給被測設(shè)備（Implementation Under Test，IUT）加激勵并監(jiān)視結(jié)果性能的試驗，動態(tài)測試是網(wǎng)絡(luò)一致性測試的主要內(nèi)容。

1.2 MVB的一致性測試

MVB 設(shè)備的一致性測試是為了保證MVB 設(shè)備與TCN 標(biāo)準(zhǔn)要求的一致性。MVB 的一致性測試內(nèi)容分為基本互連測試、能力測試和行為測試。

（1）基本互連測試?；净ミB測試是在物理層檢查MVB 網(wǎng)絡(luò)運行的基本功能，并檢查能否建立相互連接的簡單測試。基本互連測試是行為測試的子集，包括電氣短距離（Electrical Short Distance，ESD）介質(zhì)、電氣中距離（Electrical Middle Distance，EMD）介質(zhì)和光纖（Optical Glass Fiber，OGF）介質(zhì)的基本互連測試?；净ミB測試決定可能的互連接是否對TCN 標(biāo)準(zhǔn)有足夠的一致性?；净ミB測試都能在行為測試過程中體現(xiàn)出來。

（2）能力測試。能力測試檢查被測MVB 設(shè)備是否滿足TCN 標(biāo)準(zhǔn)要求所應(yīng)當(dāng)具有的能力。通過對MVB 設(shè)備能力與標(biāo)準(zhǔn)要求能力的列表對比，有助于選擇合適的行為測試來與靜態(tài)測試相輔相成，完成一致性測試，將對TCN 標(biāo)準(zhǔn)要求的條目的測試覆蓋度提到最高。

（3）行為測試。行為測試是一致性測試的最主要部分，檢查被測MVB 設(shè)備是否滿足與TCN 標(biāo)準(zhǔn)要求的動態(tài)一致性。在TCN 標(biāo)準(zhǔn)中MVB 設(shè)備用于進(jìn)行過程數(shù)據(jù)通信、消息數(shù)據(jù)通信和監(jiān)督數(shù)據(jù)通信。針對能力測試中得出的靜態(tài)測試結(jié)論，選取相應(yīng)的需要測試的內(nèi)容來編制特定的行為測試的硬件和軟件［3］。比如，對只有過程數(shù)據(jù)能力的被測MVB設(shè)備進(jìn)行行為測試的話，只要選取測試過程數(shù)據(jù)的硬件和軟件，在實驗室環(huán)境下進(jìn)行測試，就能保證不損害覆蓋度的情況下正確驗證被測設(shè)備與TCN標(biāo)準(zhǔn)要求的一致性。

1.3 一致性測試的局限性

網(wǎng)絡(luò)通信的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)非常復(fù)雜，進(jìn)行所有方面的徹底試驗是不可行的，故一致性測試不提供對標(biāo)準(zhǔn)每個方面的徹底試驗。由于一致性測試是在受控環(huán)境中完成的，因此事實上通過一致性測試的設(shè)備并不能保證與任何其他通過一致性測試的設(shè)備一定能夠完全實現(xiàn)相互操作，但是通過了一致性測試的設(shè)備之間的互操作實現(xiàn)起來肯定會相對容易得多，由此可看出一致性測試是互操作測試的必要條件。

2 PXI測試系統(tǒng)

PXI 是美國NI 公司開發(fā)推出、由PXI 聯(lián)盟發(fā)布的1種基于PC的測量自動化平臺。PXI結(jié)合了PCI的電氣總線特性與Compact PCI 的堅固性、模塊化以及Eurocard機(jī)械封裝的特性，發(fā)展成適合于試驗、測量與數(shù)據(jù)采集場合應(yīng)用的機(jī)械、電氣和軟件規(guī)范。制訂PXI規(guī)范的目的是為了將臺式PC 的性能價格比優(yōu)勢與PCI 總線面向儀器領(lǐng)域的必要擴(kuò)展完美結(jié)合起來，成為測量和自動化系統(tǒng)的高性能、低成本平臺，并由此形成了虛擬儀器（Virtual Instrument，VI）的概念［4］。

PXI 系統(tǒng)包含4 個部分：PXI 機(jī)箱、PXI 控制器、PXI 模塊和軟件。PXI 機(jī)箱除了具備供電和散熱功能之外，主要具有用于信號互連的總線背板，嵌入式控制器以及各種模塊化儀器和I/O 模塊均通過總線背板互聯(lián)。PXI機(jī)箱外形見圖1。

圖1 PXI機(jī)箱外形

PXI 機(jī)箱實現(xiàn)了集成的定時和同步，PXI 模塊可以使用機(jī)箱底板上的共享信號發(fā)送和接收觸發(fā)信號并共享系統(tǒng)參考時鐘，更輕松地同步模塊和測量。PXI機(jī)箱通過集成最新的PCI Express 開關(guān)可以提高數(shù)據(jù)吞吐量；集成最新的英特爾多核處理器來實現(xiàn)更快更高效的并行測試。PXI機(jī)箱的功耗低、質(zhì)量輕，且外形尺寸小。

PXI控制器在配置的操作系統(tǒng)上可以加裝多種NI專門開發(fā)的工程軟件，從而操控插入的儀器模塊和IO 端口，完成用戶的測控需求，PXI控制器提供了嵌入式和遠(yuǎn)程2個選項。嵌入式控制器包含運行PXI 系統(tǒng)所需的儀器，無需連接外部PC；而遠(yuǎn)程控制器則可讓用戶通過臺式機(jī)、筆記本電腦或服務(wù)器計算機(jī)控制PXI系統(tǒng)。

PXI系統(tǒng)將NI的多個專利技術(shù)集成到這些模塊化儀器中，這些技術(shù)包括同步內(nèi)存核心（SMC）、用于模塊化儀器的NI-TCLK 定時與同步技術(shù)、用于多功能數(shù)據(jù)采集的NI-STC3定時與同步技術(shù)、用于數(shù)據(jù)采集的NIMCal 校準(zhǔn)算法等［5］。這些技術(shù)的運用確保了系統(tǒng)的性能處在業(yè)內(nèi)最高水平，確保了系統(tǒng)的測量性能與質(zhì)量，同時為一些要求較高的應(yīng)用提供可靠的測量質(zhì)量。

開發(fā)中采用了PXI 模塊化儀器平臺，這種基于PC機(jī)的高性能標(biāo)準(zhǔn)化測量與自動化方案，能夠以合理的價位享有很多易用且靈活的PC 技術(shù)、開放的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)以及與Compact PCI 產(chǎn)品的完全互用性。PXI 測試系統(tǒng)平臺不僅可以實現(xiàn)完備的MVB 網(wǎng)絡(luò)一致性測試，測試系統(tǒng)還可以延伸運用于其他系統(tǒng)測試，如用作列車控制單元的功能測試。

3 基于PXI 的MVB 網(wǎng)絡(luò)一致性測試系統(tǒng)的構(gòu)建

基于PXI 的MVB 網(wǎng)絡(luò)一致性測試系統(tǒng)是通用的測試平臺，可以對MVB 網(wǎng)絡(luò)的電氣中距離介質(zhì)EMD 物理層以及MVB 網(wǎng)絡(luò)的鏈路層進(jìn)行測試，實現(xiàn)MVB 網(wǎng)絡(luò)的基本互聯(lián)測試和性能測試［6］。

3.1 測試原理

3.1.1 終端阻抗測量

終端阻抗測量包含2個內(nèi)容，一個是終端電阻R的測量，另一個是電感量X的測量。終端阻抗需要與EMD屏蔽雙絞線的特性阻抗匹配。特性阻抗可以表示為：

式中：X=∣Z∣sinθ，θ=tan-1（X/R）。

電阻的測量采用精密電阻測量儀，在IUT斷電的情況下，測量被測設(shè)備A線和B線的端接電阻，要求終端電阻的電阻值范圍為120（1±2%）Ω。

感抗的測量采用LCR 測試儀，對電流波形和電壓波形的相位角θ進(jìn)行測量，根據(jù)θ值計算感抗大小。

3.1.2 插入損耗測量

插入損耗是指由于插入元件或器件所產(chǎn)生的信號損耗，定義為輸出端口所接收到的功率與輸入端口的源功率之比，單位是dB。測試方法是采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行插入損耗的測量，測量的頻率范圍為0.5～2.0 BR。插入損耗測試示意見圖2。

圖2 插入損耗測試示意圖

3.1.3 傳輸過程中波形的測量

對傳輸過程中波形進(jìn)行測量可以判斷總線的傳輸質(zhì)量，如果總線上傳輸?shù)牟ㄐ闻c標(biāo)準(zhǔn)定義的波形相差過大，會導(dǎo)致總線上的通信設(shè)備無法準(zhǔn)確解析數(shù)據(jù)，從而無法進(jìn)行響應(yīng)。根據(jù)GB/T 28029.10—2020 中5.3.6.4，為了模擬電纜和設(shè)備作為發(fā)送器的負(fù)載，MVB一致性測試規(guī)定了輕載測試電路、重載測試電路、閑置測試電路和短路電路［7］。不同負(fù)載下的波形測試原理電路見圖3。

圖3 不同負(fù)載下的波形測試原理電路

3.1.4 接收器行為測試

行為測試在于對IUT接收器的能力進(jìn)行驗證，即當(dāng)接收信號和理想信號的偏移量較大時，能否正確解析數(shù)據(jù)。接收器的行為測試是將衰減的主幀發(fā)送到被測設(shè)備IUT，利用示波器觀測檢驗被測設(shè)備IUT 是否能響應(yīng)發(fā)送滿足要求的從幀，從而判斷接收器是否成功接收主幀。根據(jù)GB/T 28029.10—2020 中的5.3.6.4，接收器行為測試設(shè)定了閾值為200 mV和閾值為500 mV的接收器行為測試。測試系統(tǒng)采用串聯(lián)電阻的方法來實現(xiàn)主幀信號的衰減。

3.2 測試系統(tǒng)

測試系統(tǒng)是一個集成化的平臺，測試儀器集成在測試柜中（見圖4）。根據(jù)不同的測試項目，由PXI 系統(tǒng)組合不同的測試儀器來完成。測試儀器主要包括示波器、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、LCR 測試儀及精密電阻測試儀。這些儀器均利用PXI的矩陣模塊來實現(xiàn)測試儀器的連接和測試，另外還需要配置發(fā)送器測試用的重載、輕載及空載測試電路。該平臺可以對被測設(shè)備的狀態(tài)、過程數(shù)據(jù)的通信能力以及從設(shè)備的消息數(shù)據(jù)的通信能力進(jìn)行完整的測試評估。傳統(tǒng)的一致性測試，各個測試項目是獨立進(jìn)行的，而該測試系統(tǒng)將分散的測試項目進(jìn)行集成，實現(xiàn)自動化測試，能夠在線切換測試項點和存儲測試數(shù)據(jù)。

圖4 測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.3 測試軟件

MVB一致性測試系統(tǒng)的軟件是基于實驗室虛擬儀器工程平臺（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench，LabVIEW）構(gòu)建的。LabVIEW 是一種圖形化的編程語言，編程采用框圖形式的流程化結(jié)構(gòu)。Lab-VIEW集成了滿足GPIB、VXI、RS-232和RS-485協(xié)議的硬件及數(shù)據(jù)采集卡通信的全部功能，提供了常用的測試控件，如示波器、萬用表等，可以更加便捷地設(shè)計用戶界面；前面板即用戶界面，可以設(shè)置按鈕、波形顯示控件等，程序面板即編寫程序［8］。編寫過程中可以調(diào)用Lab-VIEW的函數(shù)庫和VI的程序模塊。使用LabVIEW的圖形化界面設(shè)計使編程更易操作。圖形化編程示例見圖5。

圖5 編程示例

4 MVB網(wǎng)絡(luò)一致性的測試實踐

MVB網(wǎng)絡(luò)一致性測試實踐結(jié)構(gòu)示意見圖6。

圖6 MVB網(wǎng)絡(luò)一致性測試實踐結(jié)構(gòu)示意圖

4.1 測試環(huán)境

MVB網(wǎng)絡(luò)一致性測試需要首先建立一個測試環(huán)境，即建立1個基本的MVB通信網(wǎng)絡(luò)。因此建立由1個主節(jié)點、2個從節(jié)點組成的MVB網(wǎng)絡(luò)，其中主節(jié)點作為總線管理器BA，1個從節(jié)點為模擬被測的IUT。主節(jié)點設(shè)備地址為0x11；設(shè)置9 個源端口，地址為0FF、201、202、203、204、205、206、301、302；7 個宿端口，地址為210、211、212、213、3A0、3A1、3A2。從節(jié)點1 的設(shè)備地址為0x21。從節(jié)點1設(shè)置4個源端口，地址為210、211、212、213；設(shè)置6 個宿端口，地址為201、202、203、204、205、206。從節(jié)點2設(shè)為模擬IUT，其設(shè)備地址為0x3A，設(shè)置3 個源端口，地址為3A0、3A1、3A2；2個宿端口，地址為301、302。傳輸?shù)倪^程數(shù)據(jù)的特征周期有64、256、512、1 024 ms；過程數(shù)據(jù)的長度有16、32、64、128、256 bits 5種，對應(yīng)的F-code碼是0～4。

MVB網(wǎng)絡(luò)過程數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕緱l件是需要建立周期信息的實時調(diào)度表。根據(jù)上述信息研究開發(fā)過程中采用LCM/HCF（最小公倍數(shù)/最大公約數(shù)）方法確定MVB 實時調(diào)度表的規(guī)模，然后用同步RM調(diào)度算法對各MVB周期數(shù)據(jù)分配相應(yīng)的優(yōu)先級，建立相應(yīng)的實時調(diào)度表［9］。在BA上輸入實時調(diào)度表后，MVB網(wǎng)絡(luò)即可運行。

4.2 測試實踐

4.2.1 終端電阻測試

電阻測試采用的測試儀器為精密電阻測試儀。電阻測試界面見圖7。在選定微電阻測試儀端口后，對波特率和采集的數(shù)據(jù)量進(jìn)行設(shè)置，即可點擊“電阻測試”進(jìn)行端接電阻測試，測量所得的電阻值能夠?qū)崟r顯示和存儲。

圖7 電阻、電感測試界面

4.2.2 電感測試

電感測試采用的測試儀器為LCR 測試儀，電感測試界面見圖7，在選定LCR測試儀端口后，對測試儀的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，即可點擊“電感測試”進(jìn)行電感測試，測量所得的電感值能夠?qū)崟r顯示和存儲。

4.2.3 插入損耗測試

插入損耗采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測試。在圖8所示的界面上配置矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的端口后，選擇開始頻率為0.75 MHz，終止頻率3.0 MHz，S參數(shù)選擇S21，配置完成后點擊“插入損耗測量”，插入損耗的測量值能夠?qū)崟r顯示并存儲。

圖8 插入損耗測試界面

4.2.4 傳輸過程中波形的測量與接收器行為測試

傳輸過程中信號波形的測量與接收器行為測試采用的測試儀器為示波器。在圖9 所示界面的右上角實現(xiàn)對示波器參數(shù)的配置，總線上當(dāng)前傳輸?shù)牟ㄐ螌崟r顯示在界面上方的波形顯示圖內(nèi)，點擊“截取波形”后，被截取的波形顯示在左下角的波形顯示圖內(nèi)，點擊“計算波形”，平臺系統(tǒng)對截取波形的最大幅值、最小幅值、相鄰脈沖幅值之差、理論過零點與實際過零點之差等參數(shù)進(jìn)行測量和存儲。

圖9 波形與行為測試界面

5 結(jié)束語

基于PXI 的MVB 網(wǎng)絡(luò)一致性測試系統(tǒng)平臺將原本分散的各自獨立的MVB 網(wǎng)絡(luò)物理層一致性測試集成為一個完備的測試裝置，系統(tǒng)平臺不僅能夠完成MVB 網(wǎng)絡(luò)物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的一致性測試，并具有一定的智能化性能。該測試系統(tǒng)平臺能夠保證測試數(shù)據(jù)的可靠性和完整性，同時為測試數(shù)據(jù)的可追溯性創(chuàng)造了條件。