（交通信息工程及控制专业论文）基于虚拟仪器的主体机车信号出入库自动测试系统的研究.pdf

北京交通大学硕士毕业论文 y87 89 7 3 摘要 摘要 列车运行速度的不断提高，对车载机车信号设备的要求越来越高，对主体 机车信号出入库的自动测试系统的要求也日益严格。本文针对基于虚拟仪器技 术的主体机车信号出入库自动测试系统进行了深入研究，对保证主体机车信号 的良好运用具有重大意义。 论文主要的研究工作如下： l 、主体机车信号出入库测试系统的需求分析 分析了主体机车信号出入库测试系统的现状，结合自动测试系统的历史和 发展，阐述研制一种基于虚拟仪器的主体机车信号出入库自动测试系统的必要 性和重要性。 2 、测试系统的功能设计与技术指标 介绍了机车信号的系统组成，分析系统工作原理，提出了基于虚拟仪器的 主体机车信号自动测试系统的设计方法，系统具有主体机车信号性能指标的测 试、出入库测试数据的分析和保存等功能，同时具备环线完整性的自测试和环 线输出正确性的自测试功能。 3 、测试系统的总体方案 根据虚拟仪器体系结构的特点，提出了采用基于串行口和d a q 数据采集卡 虚拟仪器系统的主体机车信号出入库自动狈4 试系统方案。将系统研究分成两个 子系统来进行：环线监控测试子系统和车载记录器仿真子系统。 4 、测试系统的硬件设计与实现 设计并实现了主体机车信号出入库测试所需发送轨道信号的发送设备，叠 加信息的发送设备以及信号后级的处理设备。 5 、测试系统的软件设计与实现 基于l a b w i n d o w s c v i 虚拟仪器开发环境，采用模块化的设计方法，设计并 实现了环线测试子系统软件和车载记录器仿真子系统软件。 综上所述，本系统具有测试功能全面、效率高、精度高等特点，非常适用 于主体机车信号出入库过程中的测试。 关键词：主体机车信号，自动测试系统，虚拟仪器，l a b w i n d o w s c v i 北京交通大学硕士毕业论文 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ea c c e l e r a t i n gs p e e do fm et r a i nd e m a n dh i 豇p e r f o n a n c eo fo n - b o a r dc a b s i g n a ls y s t e m ，w h i c hd e m a l l dh i 曲q u a l i t yo fc a bs i 印a 1 a u t o - t e s t s y s t e m i n c r e 鸽i n g l ya s w e l l t h ea p p e a r 柚c ea n dr a p i dd e v e l o p m e n to ft h ev i n u a l i n s t m m e n tt e c h n o l o g y ， w h i c hi n v o l v e s c o m p u t e ra n di n s t n l m e n tt e c h n 0 1 0 9 y ， p r o “d ean e ww a yt om ef e s e a r c h o fv i t a lc a bs i 印a lt e s ts y s t e m t h ep 印e r s t u d i e st h ei m p l e m e l l to fv i t a lc a bs i 9 1 1 a 11 e a v i n ga i 】de n t e n gt h ew a r e h o u s e a u t o t e s ts y s t 锄b a s e do nv i r t u a ii n s t m m e n tt e c h n o i o g y t h em a i nw o r k so f r e s e a r c ha r es h o w e da sb e l o w ： 1 t h ed 咖a n da n a l y s i so f1 e a v i n ga n de n t e r i n gt h ew a r e h o u s et e s tf o rv i t a lc a b s i g n a l t h ep e r f o 肋a n c ea n dt e s td c l l l a l l do fv i t a lc a bs i 印a 1 ，a n da c n l a l i t yo fv i t a lc a b s i 印a lt e s ts y s t e mi n t e 霉a t ew i t ht 1 1 ed e v e l o p r r l e n to fa u t o t e s ts y s t e ma r ea n a l y z e d ， m en e c e s s i t ya n ds i 鲫m c a n c eo f m er e s e a r c hf o rn e ws t y l ev i t a lc a bs i 弘a la u t o t c s t s y s t c n li se l u c i d a t e d ， 2 t e c l l i l o l o g yg i l i d e1 i n ea n df i l i l c t i o n so fa u t o t e s ts y s t e n l t h ec o n s t i t u t i o no fv i t a lc a bs i 辨a 1i si n t r o d u c e d ，t h ew o d ( i n gp r i n c i p l ei s a i l a l y z e da n dm ei 衄o v a t i o np o i n to fv i t a lc a bs j g n a la u t o - t e s ts y s t e mt om e e tt h e t e s td e m a n do fv i t a lc a bs i g i l a ll l i l d e rt h ce n v i r o n m e n t so fl c a v i n ga n de n t 耐n gt h e w a r e h o u s et e s ta r ed i v i d e di n t ob a s e do nv i r t u a li n s t m m e n tt c c l l r l o l o g ym a i n l y c o m p l e t el o o p 如c e g m h t ) rs e l 厶t e s t ，t l ec o r r e c t n e s so f1 0 0 po u t p u t ，s t o r a g ea 1 1 d a 1 1 a l y s i so fd a t e sf o r l e a v i n ga n de n t e r i n gw a r e h o u s e ，v i t a lc a bs i g t l a lp e r f o m a n c e t e s t ，a l t c m t i o no f t h er e c o r d e ro f c a bs i g n a l ，a n ds oo n 3 t h ec o l l e c t j v i t yb l u e 阳n to fa u t o t e s t t h er e s e a r c hb a s e do nv i n i l a li n s t m m e mt e c l l l l o l o g yo fd a qa n ds 谢a 1p o n a r eb m u g h tf o r 、v a r df o rm eb a s i so ft h es y 8 t e mc o n f l g u r a t i o no fv i r t i l a l i n s 咖e n t 1 w os e t so fv i t a lc a bs g n a la u t o t e s ts y s t 哪p r o j e c t sa r ed i v i d e d ：o n ei sl o o p i n s p e c t i n gs u b s y s t e m ，t h eo t l l e ri sr e c o r d e rs j m u l a t i o ns u b s y s t e m 4 t h eh a r d w a r ed e s i 鲷a t l dr e a l i z a t i o no fa u t o t e s ts y s 佃n 北京交通大学硕士毕业论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 机车信号测试系统概述 1 1 1 机车信号出入库测试系统的现状 铁路是国家重要的基础设施、国民经济的大动脉、交通运输体系的骨干。 随着国民经济的发展和国防建设的需要，铁路在运输组织和技术设备方面有了 长足的进步，同时，社会主义市场经济也对铁路运输提出了更高的要求。 机车信号是一种能够自动复示列车运行前方地面信号机显示的机车车载 系统，是保证铁路行车安全的重要设备之一。由于机车信号是辅助信号，其译 码完好率不作为电务工作的硬指标，且译码结果作为中间过程没有存档记录 随着铁路向“高速重载”的方向发展，特别是对机车信号提出主体化要求后， 对机车信号的可靠性等要求有质的变化。为满足列车提速区段的列控系统的要 求，机车需装备具有更高性能的机车信号系统。 由于机车信号是一个由车上信号设备和地面信号设备共同构成的系统，牵 涉面广，结合部分多，所以必须从机车信号整个系统采取措施，在研制和生 产，到安装和维护的一系列过程中都必须通过各项指标的严格测试。机车信号 测试系统的研制在铁路安全生产中起着非常重要的作用。 目前对机车信号出入库测试通常有如下方法： 1 、通过轨道环线实现系统测试：在机车信号日常出入库检查的系统测试， 可通过轨道环线发送信号，用传统方法人工检查车载系统设备是否正常。检查 车载系统设备正常应包括以下各项： 1 ) 主机内双套工作正常，双套的接收灵敏度正常，主机内记录器正常； 2 ) 上下行切换有效； 3 ) 前后端切换有效，通过前后端接收线圈接收的信号都正常； 4 ) 前后端显示器每个灯位显示正常； 北京交通大学硕士毕业论文 第一章绪论 3 、智能化：传统“智能仪器”概念的内涵已经被大大拓展了，柔性化设 计、人工智能、人工生命等一些新方法、新技术被越来越多地用于仪器和测控 系统的实现，数据处理过程中的诊断也进一步发展成为基于知识的专家系统。 4 、集成化：a s i c ( a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t ) 技术将 被普遍应用于仪器与自动测试系统中。新兴的生物芯片技术是集成化发展的新 方向，其基本思想是采用一种l a b o n c h i p 的结构，在芯片上实现混合、化学 反应、分离等宏观上不连续的物理化学过程，使这些过程连续化，并提高系统 的性能。 5 、小型化和微型化：为了适应野外测试、现场监测、机载和车载测试、 星载分析检测等的需求，测试与仪器系统的小型化已成为发展潮流，一些功能 不亚于传统庞大实验室的小型化、轻量化甚至全固件化的仪器已经实现；此外， 纳米技术、微传感和微制造技术的发展也使仪器与自动测试系统的微型化成为 可能。 6 、网络化：网络技术的飞速发展已经使网络化的测控或仪器系统的应用 越来越普及。测试数据能够直接通过网络共享，仪器用户与厂商之间能够通过 i n t e r n e t 实现异地信息交互，及时完成仪器故障诊断、指导用户维修或交换新 仪器改进的数据、软件升级等工作。以计算机和网络为基础的虚拟实验室或虚 拟实验中心，也将得到重视和发展。 1 - 2 3 自动测试技术的应用现状 自动测试系统应用需求，极大地促进了测量仪器智能接口和总线技术发 展。与传统单台仪器相比，自动测试系统更能充分发挥计算机优势、能将多台 仪器有机地结合起来发挥群体优势，是解决大数量、多参数、高精度、高速度 这些相互间不无矛盾的测量要求的重要手段，非常适合复杂测试对象或生产线 快速测量要求的场合，如：以军用电子装备为代表的大型复杂电子装备集成联 试和维修保障，电子元 x 北京交通大学硕士毕业论文 第一章绪论 p c 的示波器、任意波形发生器、波形分析仪、函数发生器、逻辑分析仪、电压 表和数据采集产品。另一类基于v x i 或c p c i p x i 专用系统，采用这种结构能构 成用于生产测试的高性能专用测试系统、数据采集系统和自动测试设备( a t e ) 。 1 、插卡型虚拟仪器：i s a 、p c m c i a 、p c i 。 基于通用p c 的硬件，可以利用p c 机组建成为灵活的虚拟仪器，是现在比较 流行的虚拟仪器系统。这种方式借助于插入p c 机或工控机内的数据采集卡与专 用的软件相结合，完成测试任务。它充分利用计算机的总线、机箱、电源及系 统软件的便利，其关键在于a d 转换技术。 插卡类型有i s a 卡、p c m c i a 卡和p c i 卡等多种类型。随着计算机的发展，i s a 型插卡已经逐渐退出舞台。p c m c i a 卡由于受到结构连接强度太弱的限制影响了 它的工程应用。而p c i 总线正在广泛使用，已经成为p c 的事实标准。它是一种 同步的独立于c p u 的3 2 位或6 4 位局部总线，时钟频率为3 3 m h z ，数据传输率高达 1 3 2 2 6 4 m b p s ，p c i 总线技术的无限读写突发方式，可在一瞬间发送大量数据。 p c i 总线上的外围设备可与c p u 并发工作，从而提高了整体性能。p c i 总线还有 自动配置功能，从而使所有与p c i 兼容的设备实现真正的“即插即 用”( p l u g p l a y ) 。 由于插卡型仪器多数没有抗混滤波器且分时采样，特别要注意混叠现象和 通道间相位差。因个人计算机数量非常庞大，插卡式仪器价格最便宜，因此其 用途广泛，特别适合于教学部门和各种实验室使用。目前仍有强大的生命力。 2 、外挂型虚拟仪器：r s 2 3 2 串口总线、u s b 通用串口总线、i e e e1 3 9 4 总线。 由于基于p c i 总线的虚拟仪器在插入d a q 时都需要打开机箱等，操作不便。 而且主机上的p c i 插槽有限，再加上测试信号直接进入计算机，各种现场的被 测信号对计算机的安全造成很大的威胁，同时，计算机内部的强电磁干扰对被 测信号也会造成很大的影响，故以串口接口总线方式的外挂式虚拟仪器系统成 为廉价型虚拟仪器测试系统的主流。 虚拟仪器系统采用的总线包括传统的r s 2 3 2 串行总线、u s b 通用串行总线和 i e e e1 3 9 4 总线( 即f i r e w i r e ，也叫做火线) 。r s 2 3 2 总线是p c 机早期采用的串 行总线，技术成熟，应用广泛，至今仍然适用于要求较低的虚拟仪器或测试系 统。近年来，u s b 总线得到广泛的支持，微软的全系列操作系统均支持u s b 。但 是，u s b 总线也只限于用在较简单的测试系统中。用虚拟仪器组建自动测试系 统，更有前途的是采用i e e e l 3 9 4 串行总线，这是因为这一种高速串行总线，能 7 北京交通大学硕士毕业论文 第一章绪论 够以l o o 、2 0 0 或4 0 0 m b s 的速率传送数据，显然会成为虚拟仪器发展最有前途 的总线。目前国际上虚拟仪器所用i e e e1 3 9 4 总线的传站速度已经达到1 0 0 m b s 。 利用p c 机的各种串口通讯，可把硬件集成在一个采集盒里或一个探头上， 软件装在p c 机上，通常可以完成各种虚拟仪器的功能。它们的最大好处是可以 与笔记本计算机相连，方便野外作业。又可与台式p c 机或工控机相连，实现台 式和便携式两用，非常方便。特别是u s b 口和1 3 9 4 口具由于传输速度快、可以 热插拔、联机使用方便的特点，很有发展前途，将成为未来虚拟仪器有巨大发 展前景和广泛市场的主流平台。通过各种不同的接口总线，可以组建不同规模 的自动测试系统。它可以借助不同的接口总线的沟通，将虚拟仪器、带接口总 线的各种电子仪器或各种插件单元，调配并组建成为中小型甚至大型的自动调 试系统。 世界各国的公司，特别是美国n i 公司，为使虚拟仪器能够适应上述各种总 线的配置，开发了大量的软件以及适应要求的硬件( 插件) ，可以灵活地组建 不同复杂程度的虚拟仪器自动测试系统。 3 、高精度集成系统：g p i b v x i p x i 仪器总线。 除了利用通用计算机或工控机开发虚拟仪器外，专用的仪器总线系统也在 不断发展，成为构建高精度、集成化仪器系统的专用平台。 g p i b 总线( 即i e e e4 8 8 总线) 是一种数字式并行总线，主要用于连接测试 仪器和计算机。该总线最多可以连接1 5 个设各( 包括作为主控器的主机) 。如果 采用高速h s 4 8 8 交互握手协议，传输速率可高到8 m b p s 。作为早期虚拟仪器发展 的产物，目前已经逐步退出市场。 v x i 总线( 即i e e e1 1 5 5 总线) 是一种高速计算机总线一v m e 总线在仪器领 域的扩展。v x i 总线具有标准开放、结构紧凑、数据吞吐能力强，最高可达 4 0 m b p s ，定时和同步精确、模块可重复利用、众多仪器厂家支持的特点，因此 得到了广泛的应用。经过1 0 多年的发展，v x i 系统的组建和使用越来越方便， 尤其是组建大、中规模自动测量系统以及对速度、精度要求高的场合。然而， 组建v x i 总线要求有机箱、零槽管理器及嵌入式控制器，造价比较高，其推广 应用受到一定限制，主要应用集中在航空、航天等国防军工领域。目前这种类 型也有逐渐退出市场的趋势。 p x i 总线是以c 0 m p a c t p c i 为基础的，由具有开放性的p c i 总线扩展而来( n i 北京交通大学硕士毕业论文 第一章绪论 公司于1 9 9 7 年提出) 。p x i 总线符合工业标准，在机械、电气和软件特性方面充 分发挥了p c i 总线的全部优点。p x i 构造类似于v x i 结构，但它的设备成本更低、 运行速度更快，体积更紧凑。目前基于p c i 总线的软硬件均可应用于p x i 系统中， 从而使p x i 系统具有良好的兼容性。p x i 还有高度的可扩展性，它有8 个扩展槽， 而台式p c i 系统只有3 4 个扩展槽。p x i 系统通过使用p c i p c i 桥接器，可扩展 到2 5 6 个扩展槽。p x i 总线的传输速率已经达到1 3 2 m b p s ( 最高为5 0 0 m b p s ) ，是目 前已经发布的最高传输速率。 因此，基于p x i 总线的仪器硬件将会得到越来越广泛的应用。把台式p c 的 性能价格比和p c i 总线面向仪器领域的扩展优势结合起来，将形成未来主流的 虚拟仪器平台之一。在2 0 0 3 年，全球v x i 的销售额达到2 3 亿美元，p x i 的销售 额达到o 8 亿美元。据权威人士预测，到2 0 1 0 年，p x i 销售额可望达到4 1 亿美 元，年增长率约为2 5 4 。 4 、网络化虚拟仪器：现场总线、工业以太网、i n t e r n e t 为了共享测试系统资源，越来越多的用户正在转向网络。工业现场总线是 一个网络通讯标准，它使得不同厂家的产品通过通讯总线使用共同的协议进行 通讯。现在，各种现场总线在不同行业均有一定应用；工业以太网也有望进入 工业现场，应用前景广阔；i n t e r n e t 已经深入各行各业乃至千家万户。嵌入式 智能仪器设备联网的需求将越来越广泛。 为此，n i 等公司已开发了通过w e b 浏览器观测嵌入式仪器设备的产品，使 人们可以通过i n t e r n e t 操作仪器设备。根据虚拟仪器的特性，人们能够方便地 将虚拟仪器组成计算机网络。利用网络技术将分散在不同地理位置不同功能的 测试设备联系在一起，使昂贵的硬件设备、软件在网络上得以共享，减少了设 备重复投资。现在，有关m c n ( m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ln e t w o r k s ) 方面的标 准已经取得了一定进展。由此可见，m c n 网络化虚拟仪器将具有广泛的应用前 景。 综上所述，基于不同的通讯总线和联网总线，虚拟仪器可面向高中低端的 不同应用。目前，全球有成千上万台测控设备中正在使用虚拟仪器，虚拟仪器 正在深入各行各业，影响着人类的生产、教学、科学实验、国防等，甚至进入 家庭自动化管理。由于可充分利用p c 、网络和通讯的相关技术，虚拟仪器有望 取代测量技术传统领域的各类仪器。基于虚拟仪器架构，采用测试领域先进的 总线技术，可以研究设计出扩展性能良好，测试自动化程度高，测试精度高的 北京交通大学硕士毕业论文 第一章绪论 机车信号自动测试系统。因此在机车信号自动测试系统的设计中，同样可以实 现应用程序与多种总线仪器的通信，从而使测试系统的效率及性价比得到大幅 度提高，实现系统更加优化、便捷的功能。 总之，从机车信号出入库测试系统的现状，以及自动测试系统，尤其是虚 拟仪器的应用现状，研制一种基于虚拟仪器的主体机车信号出入库自动测试系 统是解决目前铁路系统中出入库问题的首选方案，本研究就是在此背景下研 制。 1 3 论文研究内容 本文从主体机车信号的简介及其测试需求的研究出发，深入探讨通过串口 r s 一2 3 2 和d a q 数据采集卡为体系结构的主体机车信号出入库自动测试系统的设 计，实现对主体机车信号完善的出入库的自动测试。论文研究的主要内容如图 卜l 所示。 图1 1 论文研究的主要f i | 密 北京交通大学硕士毕业论文第章绪论 论文从机车信号测试系统的现状分析，指出主体机车信号自动测试系统的 需求分析；结合自动测试系统的历史和发展，尤其是第三代自动测试系统的产 生，给自动测试系统开辟了新天地，设计了一种基于虚拟仪器的主体机车信号 出入库自动测试系统，在本章里，再次提出本研究设计的必要性，以及指明本 测试系统的工作流程和测试系统和实现的大致功能：接下来介绍了系统的总体 方案，针对具体的测试对象主体机车信号，基于虚拟仪器的技术设计，根 据测试系统的应用场合机车出入库，提出了主体机车信号出入库测试的设 计方案，并给出具体的软件、硬件实现；然后顺序地介绍了测试系统的硬件和 软件结构和功能，这两部分，都将分成两大部分：环线监控子系统和车载记录 器仿真子系统来详细介绍；再下来就是系统的总体联调；最后是总结和致谢， 以及个人的学习情况。 北京交通大学硕士毕业论文 第二章测试系统的功能设计与技术指标 第二章测试系统的功能设计与技术指标 2 1 机车信号系统构成及工作原理 2 1 1 系统结构 我国目前所使用的机车信号一般可以看作是单方向传递信息的远程控制 系统，即信息只能从地面向机车传递，而不能反向传递。无论类型如何，机车 信号的系统构成基本相同如图2 1 所示，般可以分为信息源、信息接收、信 息处理、信息显示和机车电源等几个部分。 图2 1 机车信号的系统框图 信息源：主要是指地面信息发送设备，也就是各种自动闭塞系统的地面信 号发码设备，它的主要功能是根据地面自动闭塞连锁条件的要求，将地面信号 北京交通大学硕士毕业论文 第二章测试系统的功能设计与技术指标 的显示信息变换为可以进行传递的电信号，发送到相应的轨道电路中。 信息接收：主要是指接收地面钢轨中传输的信号，它是机车信号系统的重 要组成部分，其接收信号的质量直接影响羞机车信号的性能。 信息处理：主要是对感应器接收到的地面信号进行处理，它是机车信号系 统的核心部分，主要包括信息鉴别和信息译解两部分。前者就是要求对接收到 的信号通过判断分析，鉴别出信号本省所包涵的信息特征，而信息译解就是将 信息鉴别所得到的信息特征，按照相应的闭塞制式的设计规定，译解成机车信 号显示机构所对应的显示。 信息显示：主要是将信息处理的结果通过机车信号显示机构显示出来。 机车电源：一般采用机车发电机和机车蓄电池浮充方式来提供直流5 0 v 电 源，供机车信号设备使用。 2 1 2 工作原理 前面讲过，机车信号是一种能够复示列车运行前方地面信号机显示的机车 车载系统。它可以反映列车的运行条件，通过对接收到的地面信号进行处理， 得到列车运行前方信号机的显示信息，并将该信息通过相应的显示机构显示出 来。由上述的机车信号系统的结构可知，机车信号的工作原理及流程如下： 地面信号发送设备将前方信号机信息发送到相应的轨道电路中；利用安装 在机车前导轮前方相应高度上的一段串联的电磁感应器，与钢轨中的信息电流 发生电磁感应，将地面信号传递给信息处理设备，即机车信号主机；信号在主 机中进行鉴别和译解；最后根据处理的结果控制信号显示机构的显示，指导列 车的运行。 2 2 测试系统的工作原理 基于虚拟仪器的主体机车信号出入库自动测试系统用于实现主体化机车 信号的出入库自动测试，它可以完整实现系统正确的自测试。系统的工作原理 如下： 1 、在机车出入库的地点设置轨道环线，由系统监控主机控制向环线不间 北京交通大学硕士毕业论文 第二章测试系统的功能设计与技术指标 断地循环发送叠加有特殊信息的轨道电路信号。其中轨道电路信号包括：移频、 u m 7 l 、z p w 2 0 0 0 、交流计数等制式下的各种轨道信息；特殊信息是指标志当前 发送的轨道信号特征的参数，包括：发送轨道信号的载频、调频、环线编码、 工作电流、以及发码时间等参数。 2 、系统监控主机对发送到环线上的信号进行闭环检测，实时检查环线是 否短路或开路、发送信号的频率、幅度是否合格等，在显示器上给出闭环检测 结果； 3 、机车出入库时，在装备有环线的区段停车，以便对测试系统对车载机 车信号设备进行测试； 4 、机车信号主机接收到环线发送的轨道电路信号后，按照正常程序进行 译码输出； 5 、机车信号记录器接收环线发送的叠加在轨道电路信号上的特殊信息， 经过逻辑处理，判断是否需要启动机车信号出入库自动测试程序。 6 、机车信号记录器启动机车信号出入库自动测试程序后，首先通过对特 殊信息做进一步译解，得到目前环线正在旋送的信号载频、低频、幅度、时间 等信息，再将这些信息与机车信号的实际输出进行比较，判断机车信号的显示 输出是否正确，灵敏度是否满足要求、应变时间是否满足要求、a 、b 主机是 否工作正常。 通过上述对主体机车信号环线完整性的自测试，以及主体机车信号输出正 确性的测试工作，就可以判断当前的主体机车信号是否可以满足运行的要求， 从而保证主体机车信号的安全运行。 2 3 测试系统的主要功能 在主体机车信号的研究、生产、安装和维护等各个阶段，研究人员和工程 人员对机车信号测试的要求不尽相同。在研究的过程中，需要进行的测试内容 繁多，要求的精度也高，此时，测试系统的功能应当尽可能地全面，测试自动 化的程度尽可能地高，所采用的硬件设备应当提供满足要求的测试精度：机车 信号设备一旦经过鉴定，进入生产阶段，其出厂测试的要求比研究阶段的要求 要降低得多，测试内容也相应减少，此时的测试系统应充分考虑性价比的问题； 4 北京交通大学硕士毕业论文 第二章测试系统的功能设计与技术指标 安装和维护阶段的测试旨在检测机车信号设备赚舞是习陆抓；托静魏拍静司一 蔓”瓠二疆这使得传统的人王劂垡亘擎企理些量拿尘街霍趁t 删璎晕耍姿渖蜒嚣蹁掣缆盟醛织霎凇噬穗塑壤疆域喇磺i i 。粕烈骅牾耋镭提葛黢强掣凼爨磁焉晒舀中年蜩琥雕缒丽圳巍； ：器矧黼副萌蠢薛酽i ；：匹邀备鼬虿机整体称篓简 称at s ( a u t o m a t i ct e s ts y s t e m ) 。 1 2 1 自动测试系统的发展历史 自动测试系统始于上世纪5 0 年代，至今已发展至第三代。 第一代自动测试系统常见的有数据采集系统、自动分析系统等。系统的控 制器通常采用计算机或者逻辑和定时电路，组建测试系统时，设计人员需要自 行设计系统中各种相关的接口电路；当系统中需要设备较多时，将会暴露出研 制工作量大、研制成本高等缺点，相应的适应性和扩展性也大大降低。 以c a m ac 和g p i b 总线系统为代表的第二代自动测试系统的出现在很大程度 上克服了第一代测试系统的缺点。由于采用了标准的总线接口，系统中所用的 计算机、程控仪器、开关等均配备有标准的接口电路，无需设计人员自行设计。 进入2 0世纪8 0 年代中后期，随着智能仪器、个人仪器的发展，以及计算机 的广泛应用，计算机与测量仪器的结合越来越紧密，这种结合导致了虚拟仪器 的出现，即第三代自动测试系统。其特点是以计算机软件实现为核心，功能强、 测试精度高、测试速度快、自动化程度高、人机界面优异、灵活性强等。虚拟 仪器是指通过应用程序将通用计算机与功能模块硬件结合起来，充分利用计算 机系统强大的数据处理能力，在基本仪器设备配件的支持下，利用软件完成资 料的采集、控制、资料分析和处理以及测试结果显示的测试测量系统。 与传统仪器一样，虚拟仪器也由三大功能模块构成：信号的采集和控制、 信号的分析和处理、数据结果的表达与输出等。虚拟的含义在于：】、虚拟 仪器面板采用传统 仪器进行测试测量工作时，操作人员通过操作仪器物理面板上的各种开关 、按键、旋钮等来实现对仪器的控制，采用虚拟仪器时，相应的测试功能模块 或者各种辅助设备没有物理的操作面板，操作人员通过对计算机中的测试程序 的软件界面的操作实现对仪器模块的控制，进而完成测试任务。 北京交通大学硕士毕业论文 第二章测试系统的功能设计与技术指标 1 7 0 0 、2 0 0 0 、2 3 0 0 、 1 0 3 、1 i 4 、1 2 5 、1 3 6 、1 4 7 、1 5 8 、 u m 7 12 6 0 0 1 6 9 、1 8 o 、1 9 1 、2 0 2 、2 l - 3 、2 2 4 、 2 3 5 、2 4 6 、2 5 7 、2 6 8 、2 7 9 、2 9 z p w 2 0 0 01 7 0 1 4 、 1 6 8 9 7 、1 0 3 、“4 、1 2 5 、1 3 6 、1 4 7 、1 5 8 、 z 0 0 1 4 、1 9 9 8 7 、1 6 9 、1 8 o 、1 9 1 、2 0 2 、2 13 、2 2 4 、 2 3 0 1 4 、2 2 9 8 7 、2 3 5 、2 46 、2 5 7 、2 6 8 、2 7 9 、2 9 2 6 0 1 4 、2 5 9 8 7 交流计数 2 5 、5 0 、7 5f d l 、f d 2 微码 2 5 、6 0 、7 5a 、b 2 ) 可以实现多通道环线的电压、电流的测试，发送的轨道信号通过不同 的通道接口接到环线上，接通的通道数可以由用户自行决定，可以为1 通道一7 通道任意选择其中的任意几个通道。 3 ) 测试发码设备的发码时间，根据用户的需求可以为0 s 一2 s 的范围，变化 间隔为o 2 5 s 。 4 ) 测试发码设备的总的发码时间，可以为4 0 s ，变化间隔为o 5 s 。 2 、环线测试的技术指标： 1 ) 各输出通道采用峰值功率为8 0 w 的大功率集成功率放大器，不仅具备过 流保护和过热保护功能，还可以确证环线阻抗4q 时，信号电流长期稳定输出 4 a ，或环线阻抗8o 时，信号电流长期稳定输出2 a 。 2 ) 测试环线的工作电压，可精确测试到o 0 1 v 。 3 ) 测试环线的电流范围为0 a 一2 a ，最小变化间隔为o 1 2 5 a 。 3 、主体机车信号性能指标的测试： 表2 2 主体机车信号性能指标的测试 主体机车信号性能指标的测试 测试项目测试内容 应变时间 同一种制式下信息变换时，机车信号的转换时间 制式转换时间不同制式切换时，机车信号的转换时间 双机转换时间机车信号双机之间的切换时间 灵敏度和返还系数 机平信号口j 罪小上作与可靠工作的临界值和他们的比值 1 ) 应变时间 6 北京交通大学硕士毕业论文 第三章测试系统的总体方案 第三章测试系统的总体方案 本章首先介绍基于虚拟仪器自动测试系统的体系结构；然后根据实际需 要，提出主体机车信号出入库自动测试系统实现的总体方案，其中包括系统的 结构设计以及系统的详细功能，并针对其中的关键技术，进行详细的研究分析。 3 1 虚拟仪器的体系结构 虚拟仪器可以充分利用现有计算机资源，配以独特设计的软硬件，实现普 通仪器的全部功能以及一些在普通仪器上无法实现的功能。它依赖软件，通过 计算机来控制测试硬件、分析和提供测试数据。由于没有专门的前面板、显示 器和电源，其硬件通常在p c 或v x i c p c i 主机中，所有仪器面板和显示器都在监 视器上模拟，所以称为虚拟仪器。虚拟仪器不但功能多样、测量准确，而且界 面友好、操作简易，与其它设备集成方便灵活。 用户 应用软件一仪器功能应用软件一虚拟面板 仪器驱动嚣软件 操作系统 通用计算机 外围硬件设备 被测系统 图3 ，1 虚拟仪器的体系结构 一 软件 硬件 一 北京交通大学硕士毕业论文第三章测试系统的总体方案 虚拟仪器技术的出现彻底打破了传统仪器由厂家定义、用户无法改变的模 式，给用户一个充分发挥自己才能和想象力的空间。用户可以根据不同要求， 设计自己的仪器系统，满足多样的应用需求。其特点是价格适中、功能强、测 试速度快、可重组。有趋势表明，虚拟仪器最终要取代大量的传统仪器成为仪 器领域的主流产品，成为测量、分析、控制、自动化仪表的核心。 虚拟仪器由硬件和软件两大部分构成，而硬件部分包括通用计算机和外围 硬件设备；软件部分包括操作系统、仪器驱动器和应用软件。如图3 1 所示。 3 1 1 虚拟仪器的硬件 l 、通用计算机：各种类型的通用计算机，如台式计算机、便携式计算机、 工作站、嵌入式计算机等，它是虚拟仪器的硬件基础。 2 、 外围硬件设备：外围硬件设备在计算机的控制下直接面向被测对象， 执行虚拟仪器系统的测试功能，包括信号发生、信号采集、开关控制和各种电 参量、频率参量的测试等。根据设备所采用的总线，将虚拟仪器分类成v x i 总 线虚拟仪器、p x i 总线虚拟仪器、g p i b 总线虚拟仪器、串行口虚拟仪器、各种 d a q 卡虚拟仪器及其它总线虚拟仪器系统等。如图3 2 为虚拟仪器系统结构，从 图中可以看出各种总线仪器模块在虚拟仪器中的应用。 图3 2 虚 议仪器系统结构 北京交通大学硕士毕业论文 第三章测试系统的总体方案 串行口仪器系统 r s 一2 3 2 c 是一种典型串行接口总线，信道长度小于1 5 m ，与g p i b 接口相比， 采用t t l 电平，结构简单，信息传输慢，传输的信号线少，但传送的距离远， 它实际上并不是仪器总线，但大多数仪器都装有r s 一2 3 2 c 通信接口，可作为程 控仪器，适用于小型的仪器系统中。它主要通过调制解调器在电话网中传输数 据。除此之外串行口总线标准还有r s 一4 2 2 4 2 3 、r s 一4 4 9 、r s 一4 8 5 和r s 一5 3 0 等。 各种d a q 卡仪器系统 d a q 仪器是以微型计算机为平台，配以用于测试测量的数据采集卡及专用 软件，为实现某些测试测量功能而构成的通用或者专用的仪器系统。由数据采 集卡组成d a q 虚拟仪器的方式主要有：内插式，即将数据采集卡插入微机的内 部总线上而构成d a q 仪器；外挂式，即将微机总线引到扩展箱，在扩展箱里插 入数据采集卡，构成d a q 仪器；直接外挂式，即在微机外总线接口( 如u s b ) 上 接入数据采集卡。 与传统的智能仪器相比，d a q 仪器系统具有如下优越性：缩短了测试系统 研制的周期，提高产品的竞争力；具有良好的可视化和直读性；测试过程控制 自动化程度高，数据处理能力强大；模块化的设计，功能多样化；集成化和扩 展性能优越；操作方便等。根据所采用的总线的不同，数据采集卡可以分为i s a 总线、p c i 总线、u s b 总线、1 3 9 4 总线、i e e e 一1 2 8 4 总线和p c m c i a 总线等数据采 集卡。 v x i 总线仪器系统 v x i 总线是“用于仪器的v m e 总线扩展”的简称。为了适应测量仪器从分立 的台式和机架式结构发展为更紧凑的模块式结构的需要而发展的。v x i 总线吸 取了v m e 总线和g p i b 总线技术的一些优点，是一种完全开放的、适合多厂商环 境的模块化仪器总线标准。v x i 总线具有以下特点： 1 ) v x i 总线是真正的开放式标准； 2 ) 具有高速的数据传输能力； 3 ) 对仪器功能 x 北京交通大学硕士毕业论文 第三章测试系统的总体方案 实用函数：能够完成许多使用操作的函数，其中一些是必备函数，如复位、 自检、错误查询、错误消息和版本查询等。开发者也可自行定义实用函数，如 校准、信息识别等。 关闭函数：终止一次仪器通话操作，并释放与该通话有关的系统资源。 c 应用软件： 虚拟仪器的应用软件建立在仪器驱动器之上，直接面对操作用户，通过提 供直观友好的测试控制接口、丰富的资料分析与处理功能，来完成自动测试任 务。应用程序包含两个方面，即用户界面和仪器功能的实现。用户界面是虚拟 仪器软件的最上层，可以提供与用户交互的界面，而且能够通过面板上的各种 控件来实现对虚拟仪器的控制；虚拟仪器用户界面程序的开发环境与虚拟仪器 系统功能是否容易实现有着密切的关系。仪器功能的实现包括程序控制、数据 采集和数据分析及处理。程序控制指测试过程中的控制逻辑、数据存储和数据 发布等过程；数据采集包括对电压和电流等基本参数的测量和对信号显示状态 的查询等，这些功能的实现必须通过仪器驱动器的接口；数据分析及处理则是 根据测试的要求对采集回来的数据进行必要的分析和发布。 3 2 测试系统的总体设计 3 2 1 测试系统的总体结构设计 基于虚拟仪器的主体机车信号出入库自动测试系统的总体结构，如图3 6 所示。由系统的总体结构框图可以看出，基于虚拟仪器的主体机车信号出入库 自动测试系统可以分成两部分来研究：环线监控子系统和车载接收子系统。 1 、环线监控子系统 环线监控子系统由系统控制器、信号调理单元、信号产生单元1 、信号产 生单元2 、加法器和功放组组成。 该子系统的工作原理是：将环线铺设在机车出入库的线路上，系统控制器 由串口向信号产生单元1 发送控制信息，信号产生单元1 根据串口通讯协议发送 相应的轨道电路信号，同时系统控制器通过串口也向信号产生单元2 发送控制 信息，信号产生单元2 根据串口通讯协议发送相应的特殊信息。信号产生单元l 北京交通大学硕士毕业论文第三章测试系统的总体方案 图3 - 6 测试系统的总体结构 产生的轨道信号一路经信号调理后，由数据采集卡( n ip c i6 0 2 4 e ) 采集，进入系 统控制器中作为完成系统的自检功能的基准电压：另一路与信号产生单元2 产 生的特殊信息共同作为加法器的输入，叠加了特殊信息的轨道信号经过功放组 的驱动放大，发送到环线上；从环线采集回来的环线各通道的工作电压、工作 电流经信号调理后，同样经过数据采集卡采集后，由系统控制器来处理，主要 是对采集的数据进行有效值的计算，以及信息的显示等功能，用户可以实时地， 有效地、完整地监控环线各通道的工作电压和工作电流。 针对主体机车信号研究的测试场合，对测试精度的要求较高，测试功能全 面，在测试过程中对系统的稳定性要求严格，因此需要采用精度高，稳定性好 的仪器系统。关于系统控制器、信号产生单元和信号调理单元的选取如下： 1 ) 系统控制器 系统控制器一般由计算机系统和相应的总线控制器组成，系统控制器是主 北京交通大学硕士毕业论文 第三章测试系统的总体方案 体机车信号测试系统的核心部分，包含了计算机的硬件和软件部分，是作为测 试系统的控制单元而存在的。其作用是制定测试任务、控制测试过程、保存和 发布测试结果等，根据所采用的总线仪器的不同，系统控制器的组成也不尽相 同，如果是采用v x i 总线仪器和g p i b 总线仪器相结合的系统，其系统控制器应 选用m x i v x i 系统控制器和g p i b 接口卡；如果系统是由v x i 总线仪器和串行口仪 器组成，系统控制器可以采用m x i v x i 系统控制器( 因为计算机本身配备有串 口，所以无须对串口准备相应的控制器) ；因为本系统采用的是串行口和d a q 数据采集卡，则计算机本身就是系统控制器。 2 ) 信号产生单元 信号产生单元由信号产生单元1 和信号产生单元2 组成。信号产生单元1 发 送机车信号测试用的各种轨道电路信号，具体内容如表2 1 所示；信号产生单 元2 发送包含特殊信息的f s k 调制信号。特殊信息的功能是为机车信号记录器提 供当前发送轨道电路信号的特征参数，包括信号载频、调制频率、环线编码、 工作电流以及发码时间等信息，特殊信号采用编码形式调制在与轨道电路信号 载频不同的特定载波频率上。 3 ) 加法器 加法器主要是将具有标志功能的特殊信息叠加到轨道信号上，用来完成信 息的合成，作为功率放大器的前级输入。 4 ) 信号调理单元 信号产生单元1 产生的轨道信号在进入加法器前的前级电压经过信号调理 单元的隔离放大以后，由作为系统控制器的p c 机作为环线上电自检的基准电 压。环线各通道的电压和电流信号进行隔离、放大，处理后的信息经数据采集 卡传由p c 机处理。 2 、车载接收子系统 该子系统由记录器、接线盒、显示机构、机车感应器等设备组成。 在该子系统中，叠加了特殊信息的轨道电路信号，通过位于钢轨上方的机 车感应器的感应，将感应信息由转换接口电路传到接线盒上：机车信号记录器 实时采集叠加的特殊信息，并进行解调和译码，获取当前轨道环线的编码、发 码时间、轨道电路信号载频及调制低频等信息，然后将机车信号主机的点灯输 出与该特殊信息进行比较，从而可以得知主体机车信号的译码输出是否与信号 源发送的信息相一致，进而判断主体机车信号的应变时间、灵敏度、双机切换 北京交通大学硕士毕业论文 第三章测试系统的总体方案 时间等性能参数。