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作者：北京交通大學 電氣工程學院 丁國君 應用領域：動車組制動控制單元、電路板檢測、故障診斷、信號采集 挑戰：制動控制單元(Brake Control Unit，BCU)是動車組制動控制系統的核心部件，擔負著制動力計算、電空聯合制動演算控制、防滑控制、空壓機控制、通信、監控以及故障處理等任務。目前對BCU的檢測診斷集中于BCU設備整體功能檢測，一旦設備存在故障，無法定位故障電路位置，最終可能導致整個設備損壞，并增加維修成本甚至危及動車組的可靠安全穩定運行。因此研制開發高集成度、自動化、智能化單板故障測試與診斷系統，用于大批量產品的出廠檢測和定期維護維修，具有重要的實際意義和經濟價值。 應用方案：本試驗臺設計實現對動車組制動控制單元的單板測試，可實現電源板、接口板、防滑板、CPU板、通信板的功能測試。本測試系統采用自上向下逐層設計的方法與自底向上逐層實現的方法相結合的技術解決方案。首先在明確被測試對象特征和測試任務的前提下，自上而下分析系統總體結構的層次模型，建立系統的總體設計框架，根據設計目的及功能的不同，進行分模塊設計和軟硬件劃分，對測試系統的軟、硬件進行總體設計。其次，在測試系統實現過程中，在搭建測試系統的基本應用框架的基礎上，完成對基本數據結構的定義及各模塊之間的接口定義，然后由基本模塊開始，完成對關鍵模塊的設計，再逐步完成其它模塊的設計，最后設計完成整個測試系統。 使用的產品： LabVIEW 2009 軟件開發平臺 PXI-1045機箱 PXI-8108嵌入式控制器 PXI-4070數字萬用表 PXI-2503矩陣繼電器開關 PXI-2566大電流繼電器開關 PXI-2570多通道通用繼電器開關 PXI-6528數字量輸入輸出模塊 PXI-6723模擬量輸出模塊 PXI-6220模擬量輸入模塊 PXI-6602計數器/定時模塊 PXI-2575開關模塊 以及配套的接線盒和線纜 正文： 一． 引言 近年來高速鐵路迅速發展，高速列車運行的安全性備受人們的關注，因此高速列車制動系統的可靠性顯得更為重要。制動控制單元是高速動車組制動控制系統的核心部件，擔負著制動力計算，電空聯合制動演算控制、防滑控制、空壓機控制、通信、監控以及故障處理等任務。目前對BCU的檢測集中于BCU設備整體功能檢測，一旦設備存在故障，無法定位故障電路位置，最終可能導致整個設備損壞、增加維修成本等后果。因此研制開發高集成度、自動化智能化單板故障測試系統，用于大批量生產產品的出廠檢測和維護維修，并應用電路板故障診斷技術對BCU制動控制單元進行單板測試及故障電路定位有重要的現實意義。 針對BCU大容量的數據采集工作，以及鐵路高可靠性的測試需求，采用傳統基于分立測量與數據處理設備的將受到數據傳輸速率、設備占地面積以及測試環境等條件的制約。本試驗臺采用NI公司基于PXI總線的數據采集系統，通過PXI嵌入式控制器配合數據采集板卡，通過軟件控制靈活的對各數據采集板卡進行功能配置，最大程度實現硬件的復用，極大地簡化了系統結構，并提升數據傳輸速度，整個測試系統相對于整機測試系統具有更高的數據吞吐量和測試速率。 二． BCU單板檢測系統的設計背景和開發理念 制動控制單元包括CPU板、接口板、防滑板、電源板和通信板五塊電路板。圖1是BCU的工作原理結構圖，通過司機控制器、列車傳感器和列車通信網絡等傳輸的數據信息和指令信息，BCU進行復雜的制動計算和防滑計算，輸出列車當前需要的制動力，并驅動中繼閥和防滑閥，控制制動風缸完成列車制動。 
圖1 制動控制單元工作原理示意圖 單板測試試驗臺根據人機交互界面輸入信息，模擬傳感器和列車網絡傳輸的數據，模擬制動過程，經過運算后與數據采集系統檢測到的數據進行比對，驗證BCU各單板工作狀態。主要包括三個方面的任務：首先是根據主控制器PXI-810的控制指令，數據輸出板卡輸出模擬量、數字量、PWM等信號至BCU各電路板，提供電路板工作的原始激勵型號；其次是進行模擬運算，計算當前狀況下BCU單板各路信號的輸出值；最后還要對BCU單板輸出進行高精度的采集，完成數據的比對、判別和存儲。 系統設計主要遵循以下幾個方面理念： 1. 充分發揮虛擬儀器技術的優勢，采用軟件配置代替硬件資源，對數據采集板卡硬件資源達到資源利用最大化； 2. 整體規劃單板測試試驗臺軟硬件資源配置，將測試測試內容劃分為導通測試、特性測試、電壓測量、模擬量輸出回路測試、PWM頻率/脈寬測試等10大類17個測試項，對不同電路板相同測試項目可合并為一組進行測試，以便硬件資源的重用和測試速度的加快； 3. 測試實現自動測試和手動測試，有條件的最大程度的向用戶開放底層硬件控制權，方便二次開發； 4. 利用NI公司提供的基于Intel酷睿雙核處理器T9400的高性能處理器主板，實現多線程操作，加快測試速率； 5. 測試智能化，系統支持測試數據保存打印，測試報告自動生成等輔助功能； 6. 采用觸摸屏作為人機界面，界面豐富友好。 三． BCU單板測試系統的整體設計 在組建BCU自動測試系統時，必須考慮硬件平臺的通用性與擴展性。整個平臺能適應被測設備本身狀態的變化，同時在現有硬件資源的基礎上具有較強的擴展升級能力，并滿足系統的小型化需求。本系統采用內嵌式控制方式以及3U的PXI模塊，數據采集單元、信號模擬單元均基于PXI總線，并在PXI機箱內實現，這是整個自動測試系統的核心。 本系統采用內嵌式控制方式以及基于PXI總線的3U PXI數據采集模塊，數據采集單元、信號模擬單元均在PXI機箱內實現。系統采用的PXI數據采集板卡及功能如下表所示（繼電器、控制器除外）。 表1 NI硬件產品使用說明
表2是針對系統通用資源的最小所需通道數的統計。 表2 系統所需資源列表
3.1 硬件的總體設計 本系統采用PXI總線，并引用PXI嵌入式工控機。在硬件資源方面采用基于PXI總線的功能強大的模塊化虛擬儀器，充分發揮了PXI總線的優勢，從而為電路板進行準確、快速的測試提供硬件保障。測試系統主要由以下幾部分組成：主控單元主要對信號進行處理和分析，信號輸出部分是給被測板提供激勵信號，信號采集部分是采集被測板卡的輸出信號，信號調理板是對信號進行調理及接口轉換，電源部分是給被測試板卡、數字板卡及轉接板供電。系統總體設計結構如圖2所示。 本系統主要包括電源模塊，五塊被測板卡，一塊轉接板，一個PXI總線機箱，一個觸摸液晶顯示器和一臺打印機等。被測板卡通過調理板卡與PXI總線機箱里的各種采集、輸出、測量板卡進行連接，上層軟件采用LABVIEW進行編程，實現系統的自動化測試，觸摸液晶顯示器是人機交互界面，打印機可以將測試結果進行打印輸出。
圖2 BCU單板測試系統結構圖 3.2 軟件的總體設計 測試系統的參數設定、儀器配置、測試激勵的產生、響應數據的采集、測試結果的判斷、故障定位和報表生成等，都是在系統軟件的控制下完成的。本測試系統將動車組制動控制單元的檢測細化到電路板級，本測試系統的軟件設計遵循模塊化設計原則，采用LabVIEW開發環境進行編程，采用軟件編程方式極大限度的對硬件資源進行配置和使用，使系統的通用型、可重用性以及可拓展性得到極大的提高，設計了豐富的人機交互界面，保證試驗操作直觀簡單，并且能實時顯示測試數據、定位故障回路。 測試軟件主要由電路板自動測試模塊、測試信息維護模塊、人機交互模塊等三個模塊構成，設計了包括測試過程管理控制軟件、測試子程序以及數據管理等子程序，并可自動生成報表，便于查詢與打印。軟件主要功能模塊示意圖如圖3所示。 為提高系統的兼容性和可拓展性，本實驗針對測試過程中的數據流設計了詳細的數據維護系統。用戶可以根據測試需求，通過主控計算機對測試數據進行讀取、存儲、分析，并生成測試報表及打印；用戶也可以登陸系統，添加或刪除相關測試信息，對測試數據進行維護和修改。
圖3 軟件功能流程 四． 試驗臺開發實現及成果展示 下面從模擬量測量和PWM量測量兩個方面，詳細論述利用NI公司PXI數據采集系統以及LabVIEW圖形化開發平臺開發BCU單板測試過程。 4.1 模擬量測量 模擬量測量包括模擬量輸出、模擬量采集兩個硬件驅動，以及軟件濾波三個重要環節。模擬量輸出包括0-10V正弦波和方波、0-10V直流電壓及10-30mA電流。采用NI公司PXI-6723模塊以及相應V/I轉換模塊完成模擬輸出。模擬量測試包括0-20V電壓、10-30mA電流、0-700mA電流，采用PXI-6220板卡，并且配合相應的傳感器、調理電路完成模擬量采集。模擬量輸出及采集功能框圖如圖4所示：
圖4 模擬量輸出及采集功能框圖 在測量CPU板EP電流輸出時，激勵信號需要模擬列車數字量輸入，速度輸入信號和再生反饋電壓信號。且要同時提供以上輸入信號，被測板EP閥才能產生EP閥輸出電流。因此需要并行執行輸出檢測操作，檢測在軸速變化過程中EP電流的輸出。采用LabVIEW中提供的硬件驅動以及相關函數庫，可以實現簡潔的實現激勵信號的并行輸出以及EP電流的采集。
圖5 模擬量輸出及采集程序 由于電流傳感器傳輸距離較長，線路會引入部分噪聲，采用LabVIEW中自帶的信號分析和處理工具包，設置濾波模式為低通濾波器，截止頻率50Hz以防止工頻及高頻噪聲干擾，可以有效的抑制噪聲，提高EP電流測量精度。 4.2 PWM測量 PWM信號的檢測過程是要先對控制繼電器輸入脈沖，讓繼電器先動作，再對防滑控制輸入控制信號，同時檢測其輸出及反饋信號。檢測PWM信號包括頻率和占空比，由于在測試過程中采用的是PXI-6602采集板卡。
圖6 PWM采集功能框圖 頻率采集的任務完成過程如下： （1）開始脈沖輸出任務：根據用戶指定通道，生成控制脈沖； （2）輸出防滑控制脈沖任務：根據用戶指定通道，生成防滑控制脈沖； （3）脈沖檢測任務：創建針對脈沖頻率采集任務，將采集結果顯示于前面板，結束任務； （4）結束脈沖輸出任務：結束脈沖輸出，釋放硬件資源； （5）錯誤處理：如果測量結果出現錯誤或警告，彈出對話框進行提示。 程序執行圖如圖7所示。
圖7 防滑板PWM檢測程序 4.3 人機交互界面開發 系統軟件界面如圖8所示：
圖8 單板檢測系統主界面 其操作功能包括： (1) 試驗實施：進入電路板測試界面，對五類電路板進行單板測試試驗； (2) 單項測試：進入電路板硬件確認界面，對五類電路板每一項測試參數進行調整，查看試驗結果。主要用于對于測試電路板個別項目的測試； (3) 試驗結果調出：查看已保存的歷史數據； (4) 管理主數據：對菜單登記項、用戶信息、試驗參數等進行數據管理和查看；提供查看歷史數據入口； (5) 退出：退出制動控制單元單板檢測程序。 進入試驗實施，系統將隱藏主界面，進入單板測試試驗登記界面。試驗實施界面包括試驗信息登記、試驗實施以及其他輔助窗口組成，可以進行四類電路板的單板測試，以及測試數據查看、保存、打印。試驗登記時自動測試的必要步驟。
圖9 自動測試界面 制動控制單元手動測試提供針對每一路測試信號的單路輸入輸出測試，方便用戶針對某一路電路故障進行檢測和調試。為用戶開放了更大權限的底層硬件控制權。
圖10 CPU板手動測試前面板 系統包括了基于SQL Server的數據管理系統對歷史數據和測試過程數據的數據管理系統，設計了基于多級用戶權限的數據查看修改打印的管理系統。 用戶在進行高級數據操作，需要進行身份驗證。歷史數據查詢提供對以往所有測試項目的數據查詢操作。
圖11 身份驗證及歷史數據查詢 4.4 試驗開發架構 綜上所述，對于被測電路板，由于所要測試的路數之多、功能復雜，完成測試軟件的任務繁重，因此本系統對人機交互、試驗測試、文件操作等采用分層結構模塊化設計，由上層到下次逐步分解，并從底層到上層逐步執行，并生成對應子vi，供上層調用，下層由上層提供參數配置，并將結果數據返回給上層并進行處理。最大程度的利用LabVIEW中的相互調用實現硬件的可重用與軟件的模塊化。
圖12 子程序結構圖 4.5 現場測試試驗
圖13 現場測試圖 以特性測試中CPU板EP電流測試和防滑板PWM輸出測試為例，闡述制動控制單元單板測試過程和分析結果。 拖車CPU電路板在空車情況下EP電流測試結果如圖14所示，對工作正常和發生故障的CPU板進行分析對比。根據制動控制單元設計要求，EP電流輸出允許誤差為±15mA。圖14（a）所示為無故障CPU板在快速制動下制動控制單元輸出EP電流；圖14(b)為發生故障CPU板在快速制動下的輸出EP電流；然后由手動單路測試確定是CPU板的AS1和AS2壓力輸入采集回路發生故障，導致輸出EP電流偏低。試驗結果證明了測試系統的可靠性和準確性。
（a） 正常情況下快速制動下EP電流測試結果 (b) 故障情況下快速制動下EP電流測試結果 圖14 EP電流測試結果對比 在防滑板100V PWM輸出特性功能是否正常的測試中，運用PXI 6602板卡，在LabVIEW中配置輸出幅值為5V，占空比為23%的PWM，防滑板110V PWM輸出波形如圖15所示，可知防滑板性能正常，也驗證了PXI 6602板卡的輸出精度較高，完全滿足測試需求。
圖15 現場測試波形 五． 結論 在分析BCU單板測試所需資源的基礎上，采用 PXI 系統為硬件測試平臺，通過對電路板測試系統的技術需求分析和對測試系統的組成原理的研究，完成了測試系統的硬件設計及系統信號調理板的設計。軟件設計方面，采用LabVIEW 軟件遵循模塊化設計方法，完成了自動測試測試子程序及測試界面的設計，人機交互可視化界面的設計，包括系統啟動初始化界面、試驗實施界面、手動測試界面，管理主數據界面等。測試人員通過對人機交互界面的操作，可以實現對測試子程序的調用，最終完成對電路板的測試，同時可對測試結果進行保存和打印。實際的測試結果驗證了本系統的可行性與可靠性，達到了預期的設計目標。NI公司提供的軟硬件產品為我們動車組制動控制單元單板測試試驗臺的開發提供了高效、便捷和靈活的支持，縮短了開發的周期，受到用戶的一致好評。 |
