王丁

（中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 通信信號研究所，北京 100081）

0 引言

地面電子單元（LEU）是鐵路信號點(diǎn)式應(yīng)答器傳輸系統(tǒng)［1-3］的關(guān)鍵設(shè)備，與有源應(yīng)答器［4-6］組合，構(gòu)成軌道交通列控系統(tǒng)［7-8］最前端的重要環(huán)節(jié)。由于LEU的產(chǎn)品特性［9］涉及鐵路信號系統(tǒng)安全［10］，因此對其認(rèn)證測試要求非常嚴(yán)格。作為應(yīng)答器傳輸系統(tǒng)中唯一跨越室內(nèi)、室外［11］連接的設(shè)備，LEU需要與室外有源應(yīng)答器進(jìn)行長距離（最大2.5 km）有線通信，因此國家鐵路產(chǎn)品認(rèn)證中心（CRCC）規(guī)定LEU 必須進(jìn)行有關(guān)雷電防護(hù)試驗(yàn)［12］鑒定。2019 年5 月，國家鐵路局科技司規(guī)定，在包括列控系統(tǒng)等5 個系統(tǒng)的鐵路信號產(chǎn)品CRCC認(rèn)證中，開始全面使用TB/T 3498—2018 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行防雷試驗(yàn)［13］，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定被試設(shè)備的所有端口均在其電纜芯線上施加雷電浪涌沖擊。由于信號設(shè)備端口設(shè)計時，一般有浪涌防護(hù)器件或者防護(hù)電路，當(dāng)端口受到雷擊、浪涌時，利用防護(hù)器件對地短路或泄流，可將外界輸入的電壓鉗位控制在一定范圍內(nèi)，避免后級電路的損壞，新的防雷試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：施加沖擊電壓的測試點(diǎn)是端口電纜芯線而非電纜屏蔽層，意味著浪涌雷擊時會觸發(fā)信號設(shè)備端口的防護(hù)器件，導(dǎo)致端口瞬時對地短接，期間端口的信號傳輸也會受到影響。

傳統(tǒng)LEU 設(shè)備防雷試驗(yàn)的測試環(huán)境搭建，需將車載應(yīng)答器傳輸模塊（BTM）［14］、有源應(yīng)答器在內(nèi)的整個應(yīng)答器傳輸系統(tǒng)設(shè)備都包括進(jìn)來，LEU 設(shè)備的狀態(tài)需要通過有源應(yīng)答器、BTM 等輔助設(shè)備的反饋間接判斷，但在試驗(yàn)中引入過多輔助設(shè)備會增加誤判風(fēng)險。在此，分析傳統(tǒng)測試方法中存在的不足，并據(jù)此設(shè)計一套基于虛擬儀器技術(shù)的LEU 防雷試驗(yàn)自動測試儀，實(shí)現(xiàn)直接采集信號并自動判斷對比結(jié)果的功能，可替代試驗(yàn)中的輔助設(shè)備，從而降低誤判風(fēng)險。

1 傳統(tǒng)防雷試驗(yàn)問題分析

LEU設(shè)備防雷/電磁兼容［15］類試驗(yàn)的測試［16］環(huán)境見圖1，試驗(yàn)的輔助設(shè)備為有源應(yīng)答器、BTM設(shè)備［17］、監(jiān)控電腦，雷電信號直接注入LEU 和有源應(yīng)答器之間的C 接口信號電纜中，試驗(yàn)人員通過監(jiān)控電腦觀察BTM讀取到的有源應(yīng)答器報文，判斷LEU是否異常。

圖1 LEU設(shè)備防雷/電磁兼容［15］類試驗(yàn)測試環(huán)境

采集防雷試驗(yàn)中的沖擊電壓波形（見圖2），電壓快速上升至2 000 V 時開始下降，其電壓波形變化符合GB/T 17627.1 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的10/700 μs 波形（測試脈沖上升時間為10 μs，持續(xù)時間為700 μs）［18］。由于設(shè)備處于高電壓狀態(tài)時，其內(nèi)部器件可能對臨近地線產(chǎn)生異常放電，進(jìn)而導(dǎo)致設(shè)備元器件損壞。為預(yù)防上述情況，通過防護(hù)器件對地泄放大功率沖擊信號，是鐵路信號產(chǎn)品較為常見的電磁兼容防護(hù)措施，不同廠家設(shè)計的產(chǎn)品，其保護(hù)器件泄放的電壓限值也不相同。LKY·LEU1-YH 型LEU 設(shè)備電壓鉗位后的沖擊電壓波形見圖3，經(jīng)過防護(hù)器件的泄放，沖擊電壓基本上被控制在150 V以下，超過150 V部分的電壓被削平。設(shè)定150 V的限值由3個方面綜合考慮而確定：（1）限值應(yīng)低于相應(yīng)元器件的耐壓值；（2）限值應(yīng)高于正常工作電壓；（3）在符合前2條的基礎(chǔ)上，可適當(dāng)提高限值電壓以增加大功率容量。

圖2 防雷試驗(yàn)電壓沖擊波形

圖3 防護(hù)器件保護(hù)后的防雷試驗(yàn)沖擊電壓波形

正常情況下，LEU 設(shè)備信號端口輸出的波形為連續(xù)不間斷信號（見圖4），當(dāng)端口承受雷電沖擊電壓時，由于設(shè)備的防護(hù)器件主動對地泄放，使端口對地電阻瞬時下降，在泄放外界輸入干擾信號的同時也在短時間內(nèi)阻斷了信號的傳輸，被阻斷的信號見圖5。

圖4 LEU端口正常波形

圖5 防雷試驗(yàn)中被阻斷的信號波形

TB/T 3485—2017《應(yīng)答器傳輸系統(tǒng)技術(shù)條件》有關(guān)章節(jié)規(guī)定［19］：有源應(yīng)答器最多可以容忍341 bit 無效數(shù)據(jù)（或信號中斷超過341 bit 對應(yīng)的時間），當(dāng)無效數(shù)據(jù)超過這個限值后，有源應(yīng)答器便會轉(zhuǎn)為發(fā)送其自身存儲的默認(rèn)報文，并且只要BTM 提供的射頻能量信號能夠維持應(yīng)答器工作，即使LEU 的C 接口信號恢復(fù)正常，有源應(yīng)答器也會繼續(xù)發(fā)送默認(rèn)報文，直至能量信號無法維持應(yīng)答器工作。上述規(guī)定的目的在于：防止當(dāng)列車正在讀取有源應(yīng)答器報文時，因LEU和有源應(yīng)答器之間的鏈路異常導(dǎo)致讀取過程中報文出現(xiàn)變化，該規(guī)定符合故障導(dǎo)向安全的原則。LEU的C接口標(biāo)準(zhǔn)通信速率為564.480 kbit/s，按此計算341 bit數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間為：

T=341×約為604 μs。防雷試驗(yàn)中，若要將作為干擾信號注入的10/700 μs 沖擊電壓波形中大于150 V的部分削去，則防護(hù)器件作用時間至少要超過1 500 μs，超出了錯誤數(shù)據(jù)容忍范圍，并且按TB/T 3485—2017《應(yīng)答器傳輸系統(tǒng)技術(shù)條件》的規(guī)定，有源應(yīng)答器內(nèi)部芯片需要依賴C接口內(nèi)的8.82 kHz信號提供電源，信號中斷時間過長可能導(dǎo)致芯片掉電。綜合上述原因，如在防雷試驗(yàn)中采用防護(hù)器件對超過150 V 以上沖擊電壓進(jìn)行防護(hù)，就一定會導(dǎo)致有源應(yīng)答器進(jìn)入異常狀態(tài)（發(fā)送默認(rèn)報文模式），而由于試驗(yàn)環(huán)境中有源應(yīng)答器位于BTM 天線下方，始終處于BTM 天線發(fā)射的能量信號作用范圍內(nèi)，因此試驗(yàn)中有源應(yīng)答器一旦進(jìn)入發(fā)送默認(rèn)報文狀態(tài)便無法恢復(fù)，除非關(guān)閉BTM，待有源應(yīng)答器恢復(fù)后再打開BTM，但卻無法連續(xù)監(jiān)控報文變化情況。由于LEU 的防雷試驗(yàn)重點(diǎn)在于測試LEU 設(shè)備端口對于沖擊電壓的耐受性而非輔助設(shè)備的耐受性，且合格要求為A 級，若因?yàn)橛性磻?yīng)答器（試驗(yàn)輔助設(shè)備）特性而導(dǎo)致誤判，則會影響測試結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此，有必要研究并采用一種更為準(zhǔn)確的LEU防雷試驗(yàn)測試方法。

2 基于虛擬儀器技術(shù)的防雷試驗(yàn)

使用虛擬儀器技術(shù)設(shè)計一種防雷試驗(yàn)自動測試儀器，其主要目的是簡化試驗(yàn)過程中的輔助設(shè)備以消除誤判風(fēng)險。通過防雷試驗(yàn)自動測試儀，LEU的C接口輸出信號可直接由自動測試儀器進(jìn)行采集，采集后直接在虛擬儀器后臺進(jìn)行解碼運(yùn)算得出報文信息，無需通過車載BTM 設(shè)備間接讀取有源應(yīng)答器報文，該方法可避免試驗(yàn)中使用輔助設(shè)備間接讀取報文信息帶來的問題，而測試環(huán)境中有源應(yīng)答器也可使用耐高壓且結(jié)構(gòu)簡單的水泥電阻替代。

將LEU 的信號輸出端口直接連接到水泥電阻上，虛擬儀器設(shè)備可利用三通接頭或BNC 探頭采集水泥電阻上的電壓信號進(jìn)行實(shí)時計算分析，以水泥電阻替代應(yīng)答器可避免試驗(yàn)過程中因應(yīng)答器故障而導(dǎo)致的誤判。使用虛擬儀器技術(shù)搭建LEU 防雷試驗(yàn)系統(tǒng)見圖6。由圖1、圖6 對比可見，使用虛擬儀器后搭建的試驗(yàn)環(huán)境得到明顯簡化。

圖6 使用虛擬儀器技術(shù)搭建LEU防雷試驗(yàn)系統(tǒng)

3 防雷試驗(yàn)自動化測試儀軟硬件設(shè)計

由于防雷試驗(yàn)中需要每隔2 s 實(shí)時讀取1 次應(yīng)答器中的數(shù)據(jù)，所以使用虛擬儀器的主要原因之一是：借助其內(nèi)部的PXI 高速總線，對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時分析。雖然利用USB、網(wǎng)線配合示波器也可采集數(shù)據(jù)，但難以做到實(shí)時分析，其單次數(shù)據(jù)傳輸耗時數(shù)十秒，數(shù)據(jù)傳輸完畢再由上位機(jī)后臺程序運(yùn)算分析，效率低下，難以滿足認(rèn)證試驗(yàn)的要求。

引入功能強(qiáng)大的NI虛擬儀器設(shè)備作為自動檢測設(shè)備的硬件基礎(chǔ)，此類設(shè)備帶有PXI高速總線，可實(shí)時對采集到的信號進(jìn)行后臺運(yùn)算分析，后臺軟件使用Lab-VIEW［20］作為編程語言，時域信號采集板卡集成在其機(jī)箱內(nèi)部，編程時可直接利用其系統(tǒng)自帶的驅(qū)動，將采集到的信號數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為一維、二維數(shù)組格式，配合信號采樣率設(shè)置，對輸入的差分雙向電平編碼（DBPL）信號進(jìn)行解碼操作。防雷試驗(yàn)自動測試設(shè)備主體帶有PXI高速總線的機(jī)箱，其中包括采集和運(yùn)算2塊板卡及1個高壓探頭。試驗(yàn)時，受試LEU設(shè)備將信號端口連接到水泥電阻上，由水泥電阻充當(dāng)負(fù)載，而NI機(jī)箱集成的信號采集板卡通過將高壓探頭并聯(lián)在水泥電阻兩端，采集電阻上的電壓信號（見圖7）。

圖7 防雷試驗(yàn)自動測試儀結(jié)構(gòu)

LEU 的C 接口信號為“C1”“C6”2 個接口疊加的復(fù)合信號，按TB/T 3485—2017《應(yīng)答器傳輸系統(tǒng)技術(shù)條件》規(guī)定：C 接口信號中“C1”信號的峰峰值電壓Vpp應(yīng)為14～18 V，“C6”信號的幅值為20～23 V，2 路信號疊加后C 接口復(fù)合信號的Vpp范圍為34.0～40.5 V。典型的C 接口復(fù)合信號Vpp為38.6 V（見圖8）。NI-PXI-5142 時域信號采集板卡具有14 位AD 采樣分辨率，輸入電壓范圍為±50 V，為保護(hù)設(shè)備，在防雷試驗(yàn)中可采用高壓探頭對C接口電纜芯線的傳輸信號進(jìn)行采集，探頭的衰減量設(shè)置為50∶1即可保護(hù)后級設(shè)備。

自動測試設(shè)備從水泥電阻上采集到的LEU輸出信號（見圖8）為正弦波與方波信號疊加組成的混合信號，由于混合信號無法進(jìn)行解調(diào)譯碼，需要對其進(jìn)行數(shù)字濾波處理，濾波后的信號見圖9，此時混合信號中的正弦波被濾除，只保留方波信號，該方波的編碼方式見圖10，電平由高轉(zhuǎn)低為A相，反之為B相，當(dāng)相發(fā)生變化時代表bit“0”，沒有變化時代表bit“1”。后臺解碼程序的邏輯可根據(jù)上述編碼方法設(shè)計，該自動測試系統(tǒng)采用較為簡單的過零點(diǎn)判斷方式進(jìn)行，后臺解碼程序見圖11。

圖8 LEU端口輸出信號

圖9 對混合信號進(jìn)行濾波處理后的信號

圖10 差分雙相電平編碼

圖11 后臺解碼程序

4 防雷試驗(yàn)自動化測試實(shí)現(xiàn)

防雷試驗(yàn)中將制作好的水泥電阻連線與LEU 信號端口連接，自動測試設(shè)備使用2個探頭分別連接水泥電阻兩端，2個探頭地線短接，后臺使用差分方式算出波形，也可直接使用高壓探頭采集水泥電阻上的電壓波形信號。

試驗(yàn)中可利用防雷自動測試設(shè)備集成的串口通信功能，用RS422 串口直接向LEU 傳輸報文信息以模擬TCC 通信環(huán)節(jié)，或者直接在報文對比對話框中輸入需要對比的報文內(nèi)容，省略模擬通信環(huán)節(jié)。自動測試設(shè)備每間隔2 000 ms 對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行1 次譯碼運(yùn)算，運(yùn)算時首先將雙向差分電平信號翻譯為0、1 bit 數(shù)據(jù)，隨后再將該數(shù)據(jù)翻譯為1 023 bit報文，報文內(nèi)容在后臺與模擬通信界面發(fā)送的報文進(jìn)行對比，其結(jié)果會顯示在相應(yīng)對話框中（見圖12）。

圖12 防雷自動測試設(shè)備信號采集譯碼界面

5 結(jié)束語

使用虛擬儀器技術(shù)開展防雷測試、認(rèn)證試驗(yàn)，可簡化試驗(yàn)中輔助設(shè)備的運(yùn)用，消除由輔助設(shè)備引起的誤判，并通過提高測試設(shè)備的自動化，降低試驗(yàn)中的人為因素，有利于提升認(rèn)證試驗(yàn)的科學(xué)性和權(quán)威性。隨著我國鐵路裝備事業(yè)的飛速發(fā)展，對各類型設(shè)備的認(rèn)證、測試、試驗(yàn)等標(biāo)準(zhǔn)的要求越來越高，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的研究也愈發(fā)深化，因此相應(yīng)的試驗(yàn)、測試技術(shù)也應(yīng)緊跟時代要求。隨著虛擬儀器測試技術(shù)的不斷進(jìn)步和推廣，防雷試驗(yàn)自動測試技術(shù)在高鐵信號設(shè)備的認(rèn)證試驗(yàn)、產(chǎn)品檢測把關(guān)等方面將發(fā)揮越來越重要的作用。