姚 放，穆瑞琦，，王童毅，夏 菲，，孔 元

（1 北京縱橫機(jī)電科技有限公司，北京100094；2 中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 機(jī)車車輛研究所，北京100081）

隨著中國的軌道交通行業(yè)迎來巨大的發(fā)展機(jī)遇，鐵路里程增加以及新技術(shù)、新工藝的需求，必然導(dǎo)致動(dòng)車、機(jī)車及其系統(tǒng)設(shè)備的需求大增，由于相關(guān)設(shè)備來自于不同國家或不同廠商，為了列車的安全性和穩(wěn)定性在設(shè)備上車運(yùn)行之前需要對其進(jìn)行符合協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的一致性測試。

目前國內(nèi)大部分一致性測試系統(tǒng)采用手動(dòng)或者半自動(dòng)的方式對相關(guān)設(shè)備進(jìn)行一致性測試，單個(gè)設(shè)備檢測周期一般為1～2周，測試過程中存在大量的人機(jī)協(xié)調(diào)操作，人工操作也會(huì)引入一定的偶然誤差。

針對當(dāng)前階段TCN設(shè)備一致性測試需求大、一致性測試周期長的情況，將自動(dòng)化測試引入TCN一致性測試領(lǐng)域勢在必行，通過自動(dòng)化設(shè)計(jì)將極大地減少測試過程中的人員參與，將大量人機(jī)協(xié)調(diào)操作轉(zhuǎn)變?yōu)樽詣?dòng)化程序控制，減少偶然誤差的引入，提高測試效率，壓縮測試周期，以達(dá)到高效、快速、準(zhǔn)確測試的目的。

文中將針對TCN一致性測試臺(tái)的自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)進(jìn)行詳細(xì)介紹，主要包含自動(dòng)測試平臺(tái)的組成架構(gòu)、自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)方法。

1 TCN一致性測試的主要內(nèi)容

根據(jù)GB/T 28029.2-2011一致性測試標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，一致性測試分為靜態(tài)測試和動(dòng)態(tài)測試。靜態(tài)一致性測試主要是對PICS（Protocol Implementation Conformance Statement，協(xié)議實(shí)現(xiàn)的一致性陳述）內(nèi)容的回答，動(dòng)態(tài)一致性測試通過對IUT（Implemen?tation Under Test，被測設(shè)備）施加激勵(lì)，檢測其在受控環(huán)境中的動(dòng)態(tài)性能。

TCN一致性測試主要針對列車通信網(wǎng)絡(luò)和車載設(shè)備的一致性測試，分為設(shè)備級一致性測試和車輛級一致性測試。設(shè)備級測試針對MVB設(shè)備、WTB設(shè)備、網(wǎng)關(guān)設(shè)備，主要測試相關(guān)設(shè)備的物理接口、數(shù)據(jù)鏈路層和實(shí)時(shí)協(xié)議；車輛級測試針對WTB車輛檢測不同車輛之間的互聯(lián)互通操作性。

目前TCN一致性測試多采用自動(dòng)、半自動(dòng)和手動(dòng)結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)，測試過程中需要根據(jù)主控系統(tǒng)提示進(jìn)行接換線、配置設(shè)備等操作，人員依賴性較大、對人機(jī)交互設(shè)計(jì)的要求很高，實(shí)際測試時(shí)測試人員需要在測試過程中階段性地執(zhí)行相關(guān)操作，因此十分有必要開發(fā)TCN一致性測試的自動(dòng)化測試裝置。

2 自動(dòng)化測試實(shí)現(xiàn)

2.1 設(shè)計(jì)需求

按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 28029.2-2011要求，一致性測試由以下步驟組成：

（1）PICS編輯；

（2）PIXIT編輯；

（3）測試選擇和參數(shù)確定；

（4）基本互連測試；

（5）能力測試；

（6）行為測試；

（7）測試結(jié)果的復(fù)核和分析；

（8）綜合、結(jié)論及一致性測試報(bào)告的生成。

TCN一致性測試的基本執(zhí)行流程如圖1所示，PICS靜態(tài)一致性測試是根據(jù)測試結(jié)果篩選需要進(jìn)行的測試項(xiàng)，在執(zhí)行測試過程中依據(jù)PIXIT對測試設(shè)備進(jìn)行相關(guān)配置，并對測試結(jié)果進(jìn)行分析判斷。依據(jù)PICS信息、測試執(zhí)行結(jié)果、測試結(jié)論等內(nèi)容整合以形成TCN一致性測試報(bào)告。

圖1 TCN一致性測試執(zhí)行流程

半自動(dòng)測試中靜態(tài)測試和動(dòng)態(tài)測試分離，動(dòng)態(tài)測試相關(guān)測試項(xiàng)為人工依據(jù)靜態(tài)測試進(jìn)行判定，使得一致性測試整體流程不緊密，測試數(shù)據(jù)及結(jié)果未進(jìn)行統(tǒng)一管理，后續(xù)一致性測試報(bào)告生成時(shí)需人工進(jìn)行數(shù)據(jù)整合，因此設(shè)計(jì)一款測試管理軟件進(jìn)行測試數(shù)據(jù)記錄管理和測試報(bào)告生成，這樣可節(jié)省大量文本編寫和數(shù)據(jù)管理時(shí)間。

此外現(xiàn)有動(dòng)態(tài)一致性測試的實(shí)現(xiàn)方法多以手動(dòng)和半自動(dòng)方式為主，將萬用表、LCR測試儀、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA）、示波器、MVB陪試設(shè)備、WTB陪試設(shè)備、負(fù)載電路、衰減電阻和直流電源按照一致性協(xié)議規(guī)定的測試電路進(jìn)行連接，按照要求對IUT和陪試設(shè)備進(jìn)行配置，并對IUT反饋信號進(jìn)行檢測，在整個(gè)測試過程中需多次接換線和操作設(shè)備，以非預(yù)加重MVB 4類設(shè)備的一致性測試為例，整個(gè)測試過程共需切換測試電路42次，操作儀器對286個(gè)測試項(xiàng)點(diǎn)進(jìn)行檢測，平均每次電路切換耗時(shí)10 min左右，平均每個(gè)測試項(xiàng)點(diǎn)耗時(shí)2.5 min左右，考慮測試用例要求的測試持續(xù)時(shí)間，完成所有動(dòng)態(tài)一致性測試需22 h左右。

考慮到完成測試涉及的測試儀器并未呈現(xiàn)多樣性，主要以示波器和陪試設(shè)備為主，測試項(xiàng)主要對信號波形和信號報(bào)文進(jìn)行測量和解析，因此可設(shè)計(jì)一款測試切換設(shè)備，將所有測試需要用到的測試儀器、線纜以及IUT連接起來，根據(jù)測試需要進(jìn)行相關(guān)測試電路的匹配，并通過測試主機(jī)對測試儀器進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)波形采集、信號解析、數(shù)據(jù)上傳、結(jié)果判斷等工作，以此將切換電路和測試項(xiàng)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)的人工操作減到最少，同時(shí)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)一致性測試全過程測試數(shù)據(jù)的集中管理，減少其中的人工干預(yù)。

2.2 整體實(shí)現(xiàn)方案

TCN一致性測試的自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)需要從軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)2方面進(jìn)行。

軟件系統(tǒng)自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)主要由2方面構(gòu)成：

（1）將靜態(tài)一致性測試數(shù)據(jù)和動(dòng)態(tài)一致性測試數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫管理，以實(shí)現(xiàn)篩選動(dòng)態(tài)一致性測試項(xiàng)、測試報(bào)告自動(dòng)生成的目的；

（2）將所有測試項(xiàng)點(diǎn)的測試操作通過測試主機(jī)遠(yuǎn)程控制測試設(shè)備，實(shí)現(xiàn)包括波形數(shù)據(jù)采集、波形指標(biāo)分析、報(bào)文數(shù)據(jù)解析等功能。

因涉及測試項(xiàng)較多，為便于軟件管理及維護(hù)，軟件系統(tǒng)主要分為2個(gè)部分：測試管理軟件和測試執(zhí)行軟件。測試管理軟件主要實(shí)現(xiàn)靜態(tài)一致性測試數(shù)據(jù)管理、動(dòng)態(tài)一致性測試用例篩選、執(zhí)行控制和測試報(bào)告生成；測試執(zhí)行軟件主要實(shí)現(xiàn)測試設(shè)備控制、測試用例實(shí)現(xiàn)和測試結(jié)果分析處理功能。在層次結(jié)構(gòu)上，測試管理軟件處于TCN一致性測試系統(tǒng)最上層，直接與用戶進(jìn)行交互，其下為測試執(zhí)行軟件，與硬件系統(tǒng)進(jìn)行交互。

硬件系統(tǒng)自動(dòng)化主要是由測試切換設(shè)備實(shí)現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)方式為將測試儀器、負(fù)載電路、IUT連接起來，由系統(tǒng)提供控制接口，并根據(jù)測試需要進(jìn)行電路匹配控制。由于測試儀器端口有限，在設(shè)計(jì)測試切換設(shè)備時(shí)需考慮端口復(fù)用的問題。電路匹配一般使用繼電器切換來實(shí)現(xiàn)，其端口復(fù)用度越高，相關(guān)切換電路越復(fù)雜，繼電器數(shù)量越多，電路匹配時(shí)測試電路上的無效電路分叉越多，引入的測試誤差越大。為了降低測試誤差，提升測試精度，按照總線類型不同、通信介質(zhì)不同、被測設(shè)備不同，將測試切換設(shè)備分為WTB測試切換設(shè)備、MVB測試切換設(shè)備，其中MVB類測試切換設(shè)備又將中繼器測試單獨(dú)獨(dú)立出來，設(shè)計(jì)專用的測試接口。此外矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀相關(guān)測試用例對外部信號、阻抗匹配高度敏感，需將其獨(dú)立出來，專門設(shè)計(jì)相關(guān)測試切換設(shè)備。

同時(shí)，對于測試過程中需要用到的負(fù)載電路、衰減電路、直流電壓源等，為減小接口及線纜引入的誤差，減少外部接口數(shù)量，將上述器件集成設(shè)計(jì)到測試切換設(shè)備內(nèi)，通過繼電器切換進(jìn)行使用。

綜上，TCN一致性測試自動(dòng)化系統(tǒng)架構(gòu)框圖如圖2所示，測試管理軟件處于系統(tǒng)最上層，與測試執(zhí)行軟件進(jìn)行交互，實(shí)現(xiàn)測試管理和數(shù)據(jù)管理功能，測試執(zhí)行軟件處于系統(tǒng)中間層，主要用于測試項(xiàng)的具體實(shí)現(xiàn)和結(jié)果判斷，其直接與測試儀器進(jìn)行交互。

圖2 TCN一致性測試自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)方案框圖

2.3 硬件系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

TCN一致性自動(dòng)化測試硬件系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)為測試切換設(shè)備的實(shí)現(xiàn)。根據(jù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)方案，設(shè)計(jì)難點(diǎn)主要有阻抗匹配問題和串?dāng)_隔離問題，根據(jù)整體方案設(shè)計(jì)，測試切換設(shè)備分為MVB測試切換設(shè)備、WTB測試切換設(shè)備、矢網(wǎng)測試切換設(shè)備，其中矢網(wǎng)測試切換設(shè)備的實(shí)現(xiàn)難度最高。下面將就此對測試切換設(shè)備的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行介紹。

由于矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的特性阻抗為50Ω，而MVB和WTB通信介質(zhì)的特性阻抗為120Ω，若不進(jìn)行阻抗匹配轉(zhuǎn)換，在使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行插入損失測試時(shí)，IUT實(shí)際插入損失將淹沒在測試設(shè)備阻抗不匹配所導(dǎo)致的插入損失內(nèi)，因此需要進(jìn)行阻抗轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)。此外，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀輸出是單端線路，IUT是差分線路，還需要進(jìn)行單端轉(zhuǎn)差分設(shè)計(jì)，經(jīng)過調(diào)研可使用巴倫進(jìn)行阻抗匹配和單端轉(zhuǎn)差分，原理如圖3所示。

圖3 矢網(wǎng)測試切換設(shè)備阻抗匹配原理圖

由于連接矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、矢網(wǎng)測試切換設(shè)備及連接矢網(wǎng)測試切換設(shè)備和IUT的測試線纜也會(huì)引入測試誤差，所以為了提高測試精度，在進(jìn)行測試之前需進(jìn)行校準(zhǔn)，為了校準(zhǔn)方便將相關(guān)校準(zhǔn)電路設(shè)計(jì)到矢網(wǎng)測試切換設(shè)備中，通過程序控制實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化校準(zhǔn)。矢網(wǎng)測試切換設(shè)備切換原理圖如圖4所示。

圖4 矢網(wǎng)測試切換設(shè)備切換原理框圖

2.4 軟件系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

TCN一致性自動(dòng)化測試軟件系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)為上位機(jī)測試控制軟件的實(shí)現(xiàn)。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，軟件系統(tǒng)的層次架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖5所示，測試管理軟件構(gòu)成人機(jī)交互層，功能為測試用例管理、參數(shù)配置管理、測試執(zhí)行控制、測試報(bào)告管理。測試執(zhí)行軟件分為兩層：通用庫層和測試用例層，通用庫層由通信庫（上下位機(jī)通信）、設(shè)備庫（測試設(shè)備控制）、過程庫（測試結(jié)果判斷、過程文件處理）、算法庫（波形處理算法）組成；測試用例層由MVB測試用例和WTB測試用例組成，測試執(zhí)行軟件以exe的形式為測試管理軟件調(diào)用，兩者之間的通信邏輯如圖6所示。

圖5 軟件系統(tǒng)架構(gòu)

圖6 軟件通信邏輯關(guān)系圖

測試管理軟件的軟件架構(gòu)如圖7所示，軟件引入功能定義，一個(gè)功能對應(yīng)一個(gè)IUT，每個(gè)IUT均建立一個(gè)工程，所有測試相關(guān)文件數(shù)據(jù)均存儲(chǔ)在對應(yīng)的工程文件夾內(nèi)，軟件啟動(dòng)后進(jìn)入工程配置頁面。先選擇IUT的總線類型，其后根據(jù)選擇的總線類型跳轉(zhuǎn)到向?qū)渲庙撁?，此頁面對?yīng)一致性測試過程中的靜態(tài)一致性測試，可以根據(jù)IUT的PICS信息進(jìn)行相關(guān)配置，配置完成后系統(tǒng)自動(dòng)跳轉(zhuǎn)至測試用例篩選頁面，顯示IUT對應(yīng)的動(dòng)態(tài)一致性測試用例，確認(rèn)后跳轉(zhuǎn)至報(bào)告信息配置頁面，此頁面是填寫一致性測試報(bào)告生成需要的相關(guān)信息，確認(rèn)后至主界面開始執(zhí)行動(dòng)態(tài)一致性測試。

圖7 測試管理軟件層次架構(gòu)

若有PIXIT信息需要設(shè)置，可在主界面菜單欄的過程和標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)配置頁面進(jìn)行配置，軟件將自動(dòng)對陪試設(shè)備進(jìn)行設(shè)置，使之建立動(dòng)態(tài)一致性測試需要的配置文件。開始測試后測試管理軟件將根據(jù)總線類型調(diào)用測試執(zhí)行軟件的exe文件，并按照篩選的測試用例執(zhí)行通信邏輯以完成動(dòng)態(tài)一致性測試。測試過程中的所有原始數(shù)據(jù)及測試結(jié)果均保存在數(shù)據(jù)庫中，測試完成后可根據(jù)需要調(diào)用數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)及原始圖片，生成測試報(bào)告及相關(guān)記錄文件。

3 效果與結(jié)論

TCN一致性自動(dòng)化測試系統(tǒng)的核心設(shè)計(jì)理念是根據(jù)一致性測試標(biāo)準(zhǔn)通過程序，控制測試切換設(shè)備實(shí)現(xiàn)電路匹配，將測試設(shè)備和IUT組成規(guī)定的測試電路，根據(jù)測試項(xiàng)點(diǎn)對測試設(shè)備進(jìn)行程控，以完成各測試項(xiàng)點(diǎn)參數(shù)的監(jiān)測。

以“非預(yù)加重重載測試電路下傳輸過程中信號波形的測量”為例，一致性測試標(biāo)準(zhǔn)要求對最大幅值、穩(wěn)態(tài)幅值、穩(wěn)態(tài)幅值差、信號上升或下降速率、抖動(dòng)、最大幅值與穩(wěn)態(tài)幅值比等測試項(xiàng)進(jìn)行測量，每個(gè)測試項(xiàng)需要進(jìn)行信號觸發(fā)、波形定位、測試點(diǎn)定位、圖片存儲(chǔ)。全自動(dòng)化測試實(shí)現(xiàn)了軟件及硬件匹配后各個(gè)測試項(xiàng)點(diǎn)的快速、準(zhǔn)確、便捷的測試過程，并實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場直接出具報(bào)告的功能。

經(jīng)過對比，GB/T 28029.2-2011規(guī)定的MVB和WTB動(dòng)態(tài)一致性測試項(xiàng)均可以自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)，具體測試用例組成見表1、表2。

表1 MVB測試用例組成

表2 WTB測試用例組成

TCN一致性測試自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)后，測試電路切換和測試儀器操作均由程序控制實(shí)現(xiàn)，減少了人機(jī)交互操作，降低了測試成本和測試周期，同時(shí)將文本編輯工作交給軟件實(shí)現(xiàn)。

TCN一致性測試的物理層測試對于信號波形、電阻、電感、插入損耗、特性阻抗等物理參數(shù)的測試精度均有較高的要求，通過對同一IUT自動(dòng)測試和手動(dòng)測試的結(jié)果對比，自動(dòng)測試結(jié)果相對手動(dòng)測試結(jié)果偏差降低約為3%～5%，提高了TCN一致性測試的準(zhǔn)確性，降低了人為因素的干擾。

綜上所述，TCN網(wǎng)絡(luò)通信一致性測試的自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)將極大提高測試效率，降低測試成本，提高測試精度，對TCN一致性測試領(lǐng)域的發(fā)展具有重大意義。