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作者：北京交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院 丁國君 應用領(lǐng)域：動(dòng)車(chē)組制動(dòng)控制單元、電路板檢測、故障診斷、信號采集 挑戰：制動(dòng)控制單元(Brake Control Unit，BCU)是動(dòng)車(chē)組制動(dòng)控制系統的核心部件，擔負著(zhù)制動(dòng)力計算、電空聯(lián)合制動(dòng)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(wù)。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(wú)法定位故障電路位置，最終可能導致整個(gè)設備損壞，并增加維修成本甚至危及動(dòng)車(chē)組的可靠安全穩定運行。因此研制開(kāi)發(fā)高集成度、自動(dòng)化、智能化單板故障測試與診斷系統，用于大批量產(chǎn)品的出廠(chǎng)檢測和定期維護維修，具有重要的實(shí)際意義和經(jīng)濟價(jià)值。 應用方案：本試驗臺設計實(shí)現對動(dòng)車(chē)組制動(dòng)控制單元的單板測試，可實(shí)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(shí)現的方法相結合的技術(shù)解決方案。首先在明確被測試對象特征和測試任務(wù)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(jìn)行分模塊設計和軟硬件劃分，對測試系統的軟、硬件進(jìn)行總體設計。其次，在測試系統實(shí)現過(guò)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(kāi)始，完成對關(guān)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(gè)測試系統。 使用的產(chǎn)品： LabVIEW 2009 軟件開(kāi)發(fā)平臺 PXI-1045機箱 PXI-8108嵌入式控制器 PXI-4070數字萬(wàn)用表 PXI-2503矩陣繼電器開(kāi)關(guān) PXI-2566大電流繼電器開(kāi)關(guān) PXI-2570多通道通用繼電器開(kāi)關(guān) 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(shí)模塊 PXI-2575開(kāi)關(guān)模塊 以及配套的接線(xiàn)盒和線(xiàn)纜 正文： 一． 引言 近年來(lái)高速鐵路迅速發(fā)展，高速列車(chē)運行的安全性備受人們的關(guān)注，因此高速列車(chē)制動(dòng)系統的可靠性顯得更為重要。制動(dòng)控制單元是高速動(dòng)車(chē)組制動(dòng)控制系統的核心部件，擔負著(zhù)制動(dòng)力計算，電空聯(lián)合制動(dòng)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(wù)。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(wú)法定位故障電路位置，最終可能導致整個(gè)設備損壞、增加維修成本等后果。因此研制開(kāi)發(fā)高集成度、自動(dòng)化智能化單板故障測試系統，用于大批量生產(chǎn)產(chǎn)品的出廠(chǎng)檢測和維護維修，并應用電路板故障診斷技術(shù)對BCU制動(dòng)控制單元進(jìn)行單板測試及故障電路定位有重要的現實(shí)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(huán)境等條件的制約。本試驗臺采用NI公司基于PXI總線(xiàn)的數據采集系統，通過(guò)PXI嵌入式控制器配合數據采集板卡，通過(guò)軟件控制靈活的對各數據采集板卡進(jìn)行功能配置，最大程度實(shí)現硬件的復用，極大地簡(jiǎn)化了系統結構，并提升數據傳輸速度，整個(gè)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(kāi)發(fā)理念 制動(dòng)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(guò)司機控制器、列車(chē)傳感器和列車(chē)通信網(wǎng)絡(luò )等傳輸的數據信息和指令信息，BCU進(jìn)行復雜的制動(dòng)計算和防滑計算，輸出列車(chē)當前需要的制動(dòng)力，并驅動(dòng)中繼閥和防滑閥，控制制動(dòng)風(fēng)缸完成列車(chē)制動(dòng)。 
圖1 制動(dòng)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(chē)網(wǎng)絡(luò )傳輸的數據，模擬制動(dòng)過(guò)程，經(jīng)過(guò)運算后與數據采集系統檢測到的數據進(jìn)行比對，驗證BCU各單板工作狀態(tài)。主要包括三個(gè)方面的任務(wù)：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(jìn)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(jìn)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(gè)方面理念： 1. 充分發(fā)揮虛擬儀器技術(shù)的優(yōu)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(lèi)17個(gè)測試項，對不同電路板相同測試項目可合并為一組進(jìn)行測試，以便硬件資源的重用和測試速度的加快； 3. 測試實(shí)現自動(dòng)測試和手動(dòng)測試，有條件的最大程度的向用戶(hù)開(kāi)放底層硬件控制權，方便二次開(kāi)發(fā)； 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(shí)現多線(xiàn)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(dòng)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(dòng)測試系統時(shí)，必須考慮硬件平臺的通用性與擴展性。整個(gè)平臺能適應被測設備本身狀態(tài)的變化，同時(shí)在現有硬件資源的基礎上具有較強的擴展升級能力，并滿(mǎn)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(xiàn)，并在PXI機箱內實(shí)現，這是整個(gè)自動(dòng)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(xiàn)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(shí)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(chǎn)品使用說(shuō)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(xiàn)，并引用PXI嵌入式工控機。在硬件資源方面采用基于PXI總線(xiàn)的功能強大的模塊化虛擬儀器，充分發(fā)揮了PXI總線(xiàn)的優(yōu)勢，從而為電路板進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(gè)PXI總線(xiàn)機箱，一個(gè)觸摸液晶顯示器和一臺打印機等。被測板卡通過(guò)調理板卡與PXI總線(xiàn)機箱里的各種采集、輸出、測量板卡進(jìn)行連接，上層軟件采用LABVIEW進(jìn)行編程，實(shí)現系統的自動(dòng)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(jìn)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(chǎn)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(dòng)車(chē)組制動(dòng)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(kāi)發(fā)環(huán)境進(jìn)行編程，采用軟件編程方式極大限度的對硬件資源進(jìn)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(guān)簡(jiǎn)單，并且能實(shí)時(shí)顯示測試數據、定位故障回路。 測試軟件主要由電路板自動(dòng)測試模塊、測試信息維護模塊、人機交互模塊等三個(gè)模塊構成，設計了包括測試過(guò)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(dòng)生成報表，便于查詢(xún)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(shí)驗針對測試過(guò)程中的數據流設計了詳細的數據維護系統。用戶(hù)可以根據測試需求，通過(guò)主控計算機對測試數據進(jìn)行讀取、存儲、分析，并生成測試報表及打��；用戶(hù)也可以登陸系統，添加或刪除相關(guān)測試信息，對測試數據進(jìn)行維護和修改。
圖3 軟件功能流程 四． 試驗臺開(kāi)發(fā)實(shí)現及成果展示 下面從模擬量測量和PWM量測量?jì)蓚�(gè)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(kāi)發(fā)平臺開(kāi)發(fā)BCU單板測試過(guò)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(gè)硬件驅動(dòng)，以及軟件濾波三個(gè)重要環(huán)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(shí)，激勵信號需要模擬列車(chē)數字量輸入，速度輸入信號和再生反饋電壓信號。且要同時(shí)提供以上輸入信號，被測板EP閥才能產(chǎn)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(guò)程中EP電流的輸出。采用LabVIEW中提供的硬件驅動(dòng)以及相關(guān)函數庫，可以實(shí)現簡(jiǎn)潔的實(shí)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(cháng)，線(xiàn)路會(huì )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(guò)程是要先對控制繼電器輸入脈沖，讓繼電器先動(dòng)作，再對防滑控制輸入控制信號，同時(shí)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(guò)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(wù)完成過(guò)程如下： （1）開(kāi)始脈沖輸出任務(wù)：根據用戶(hù)指定通道，生成控制脈沖； （2）輸出防滑控制脈沖任務(wù)：根據用戶(hù)指定通道，生成防滑控制脈沖； （3）脈沖檢測任務(wù)：創(chuàng )建針對脈沖頻率采集任務(wù)，將采集結果顯示于前面板，結束任務(wù)； （4）結束脈沖輸出任務(wù)：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(huà)框進(jìn)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(kāi)發(fā) 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(shí)施：進(jìn)入電路板測試界面，對五類(lèi)電路板進(jìn)行單板測試試驗； (2) 單項測試：進(jìn)入電路板硬件確認界面，對五類(lèi)電路板每一項測試參數進(jìn)行調整，查看試驗結果。主要用于對于測試電路板個(gè)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(hù)信息、試驗參數等進(jìn)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(dòng)控制單元單板檢測程序。 進(jìn)入試驗實(shí)施，系統將隱藏主界面，進(jìn)入單板測試試驗登記界面。試驗實(shí)施界面包括試驗信息登記、試驗實(shí)施以及其他輔助窗口組成，可以進(jìn)行四類(lèi)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(shí)自動(dòng)測試的必要步驟。
圖9 自動(dòng)測試界面 制動(dòng)控制單元手動(dòng)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(hù)針對某一路電路故障進(jìn)行檢測和調試。為用戶(hù)開(kāi)放了更大權限的底層硬件控制權。
圖10 CPU板手動(dòng)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(guò)程數據的數據管理系統，設計了基于多級用戶(hù)權限的數據查看修改打印的管理系統。 用戶(hù)在進(jìn)行高級數據操作，需要進(jìn)行身份驗證。歷史數據查詢(xún)提供對以往所有測試項目的數據查詢(xún)操作。
圖11 身份驗證及歷史數據查詢(xún) 4.4 試驗開(kāi)發(fā)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(wù)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(jìn)行處理。最大程度的利用LabVIEW中的相互調用實(shí)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(chǎng)測試試驗
圖13 現場(chǎng)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(dòng)控制單元單板測試過(guò)程和分析結果。 拖車(chē)CPU電路板在空車(chē)情況下EP電流測試結果如圖14所示，對工作正常和發(fā)生故障的CPU板進(jìn)行分析對比。根據制動(dòng)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(wú)故障CPU板在快速制動(dòng)下制動(dòng)控制單元輸出EP電流；圖14(b)為發(fā)生故障CPU板在快速制動(dòng)下的輸出EP電流；然后由手動(dòng)單路測試確定是CPU板的AS1和AS2壓力輸入采集回路發(fā)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(dòng)下EP電流測試結果 (b) 故障情況下快速制動(dòng)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(mǎn)足測試需求。
圖15 現場(chǎng)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(guò)對電路板測試系統的技術(shù)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(dòng)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(dòng)初始化界面、試驗實(shí)施界面、手動(dòng)測試界面，管理主數據界面等。測試人員通過(guò)對人機交互界面的操作，可以實(shí)現對測試子程序的調用，最終完成對電路板的測試，同時(shí)可對測試結果進(jìn)行保存和打印。實(shí)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(chǎn)品為我們動(dòng)車(chē)組制動(dòng)控制單元單板測試試驗臺的開(kāi)發(fā)提供了高效、便捷和靈活的支持，縮短了開(kāi)發(fā)的周期，受到用戶(hù)的一致好評。 |
