高曉燕,丁國君

(1.河北交通職業(yè)技術(shù)學院，河北 石家莊 050035；2.北京交通大學 電氣工程學院，北京 100044)

我國已逐步掌握動車組制動系統(tǒng)作為列車運行安全的關(guān)鍵核心技術(shù)，但是由于國產(chǎn)化時間不長，制動系統(tǒng)的關(guān)鍵控制設備制動控制單元在實際運行中出現(xiàn)故障的次數(shù)較多，影響了列車的安全穩(wěn)定運行[1]。目前對制動控制單元的檢測集中于整體檢測，一旦設備存在故障，無法定位故障電路位置而增加維修成本和影響列車正常運行。為了能夠迅速對制動控制單元進行狀態(tài)檢測和故障定位，開發(fā)快速智能化的制動控制單元電路板自動檢測系統(tǒng)是十分必要和緊迫的。

借鑒目前集成測試和虛擬儀器的先進設計思想，通過編寫應用軟件，部分取代傳統(tǒng)儀器來實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集與分析已成為可能[2]。目前，國內(nèi)外許多公司推出了功能強大的計算機測試系統(tǒng)，品種較多，但價格相對昂貴，對特定研究對象而言，檢測與診斷的針對性不強[3]。因此研制開發(fā)了高集成度、智能化的適合于制動控制單元的單板自動化檢測系統(tǒng)，便于定位故障回路，同時適用于大批量生產(chǎn)產(chǎn)品的出廠檢測和維護維修。

根據(jù)動車組制動控制單元的工作性能和測試要求，本文以電流傳感器技術(shù)和虛擬儀器為開發(fā)平臺，從系統(tǒng)框架、硬件和軟件設計三部分對該系統(tǒng)進行詳細的闡述與分析，并進行了現(xiàn)場實際測試，驗證了系統(tǒng)的可行性和實用性。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)及原理

制動控制單元是動車組制動系統(tǒng)的核心控制設備，在制動系統(tǒng)中擔負著制動力計算、電空制動演算控制、防滑控制、空壓機控制、通信、監(jiān)控及故障處理等任務。制動控制單元主要由CPU主板、接口板、防滑板、電源板等電路板組成，各電路板間的連接器采用扁平電纜線連接。

自動化測試系統(tǒng)實現(xiàn)動車組制動控制單元單板導通測試、功能測試和特性測試等功能。測試時，從被試板處輸入測試信號，通過信號調(diào)理電路，PXI數(shù)據(jù)采集卡對信號進行采樣處理，然后由嵌入式計算機進行自動化測試分析，并實時顯示、存儲和打印測試結(jié)果。通過自動測試，可定位到故障回路；通過手動試驗，可對單板進行手動單項測試，進一步確定故障位置及發(fā)生故障的元器件。測試系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 測試系統(tǒng)框圖

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 主控制器及板卡選型

嵌入式計算機是測試系統(tǒng)的核心，自動化測試系統(tǒng)是以PXI嵌入式控制器為核心,并結(jié)合PXI測試板卡,給被測板提供激勵信號，并將被測板的響應輸出信號采集并傳回計算機進行處理。系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)測試的需求，選用PXI-8108高性能嵌入式控制器作為系統(tǒng)控制器，采用PXI-4070數(shù)字萬用表板卡、PXI-6528數(shù)字I/O板卡、PXI-6602 PWM產(chǎn)生及采集板卡、PXI-6723和PXI-6220多功能數(shù)據(jù)采集板卡等對輸入輸出信號進行采集處理。信號調(diào)理板在對PXI系統(tǒng)與被測電路板之間進行接口轉(zhuǎn)換的同時還有完成對PXI系統(tǒng)輸入輸出信號調(diào)理的任務，以滿足被測電路板的實際工作需要和與采集板卡信號類型匹配。

2.2 電流傳感器

針對CPU主板在進行EP閥功能測試時，需要對制動控制單元輸出的0～700 mA電流進行測量，但是PXI模擬輸入采集板卡是量程 0～5 V電壓輸入,因此需要采用電流傳感器進行電流電壓轉(zhuǎn)換。但是傳統(tǒng)的電流傳感器的靈敏度比較低，輸出信號有偏置電壓和噪聲,對于處理電路要求高,系統(tǒng)成本高[4]。測試系統(tǒng)采用北京森社電子的電流變送器 (宇波模塊)CHS-1AD/V0。宇波模塊采用霍爾傳感器的工作原理(如圖3所示)，是一種先進的能隔離主回路(原邊)與電子控制回路 (副邊)的電流變送器。其基本工作原理是磁平衡式的，即主電流回路所產(chǎn)生的磁場通過一個次級線圈的電流所產(chǎn)生的磁場進行補償，使霍爾元件始終處于檢測零磁通的工作狀態(tài)。具有體積小、功耗低、噪聲小、隔離效果好等優(yōu)點[5]。

3 系統(tǒng)軟件設計

自動化測試系統(tǒng)的軟件設計遵循模塊化設計原則，采用 LabVIEW軟件進行編程[6]，實現(xiàn)可視化實時顯示測試數(shù)據(jù)，給出測試結(jié)果，并能定位故障回路。測試軟件主要由電路板測試模塊、測試信息維護模塊和人機交互模塊組成，設計了包括底層設備驅(qū)動、測試過程管理控制、程序基本測試驅(qū)動以及數(shù)據(jù)管理等子軟件，并可自動生成報表，便于查詢與打印。軟件功能模塊框圖如圖4所示。

進入系統(tǒng)后，首先要對PXI采集板卡進行配置與自檢；然后根據(jù)測試需求進行測試模式選擇。如果是新類型的電路板，則需要在管理主數(shù)據(jù)功能中進行登記，并對測試項進行編輯，以完成本類型測試板的資源配置；然后執(zhí)行測試流程。如果測試結(jié)果顯示故障，則進行故障回路定位，輸出測試報表，釋放硬件資源占用，系統(tǒng)軟件的操作流程如圖5所示。

用戶可以根據(jù)測試需求選擇自動檢測和手動檢測兩種測試方案。在試驗過程中，測試軟件會自動記錄故障類型。系統(tǒng)在試驗完成后彈出提示框，并標記電路故障，用戶可以選擇進行下一項檢測，或者結(jié)束測試，進行維修。

4 實際測試分析

圖3 宇波模塊工作原理圖

圖4 軟件功能模塊框圖

圖5 電路板測試流程圖

以拖車CPU電路板在空車情況下EP電流測試為例，對工作正常和發(fā)生故障的CPU板進行分析對比。根據(jù)制動控制單元設計要求,EP電流輸出允許誤差為±15mA。圖6(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6(b)為發(fā)生故障CPU板在快速制動下輸出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(fā)生故障，導致輸出EP電流偏低。試驗結(jié)果證明了宇波模塊和測試系統(tǒng)的可靠性和準確性。

圖6 EP電流測試結(jié)果對比

根據(jù)集成測試和虛擬儀器的先進設計思想，開發(fā)了電路板自動化測試系統(tǒng)。整個測試系統(tǒng)集成度高、自動化程度高、擴展性強，充分體現(xiàn)了虛擬儀器的優(yōu)勢，功能擴展靈活、系統(tǒng)維護方便，具有良好的應用前景。

[1]陳戰(zhàn)勝.CRH2型動車組BCU故障原因及處理和應急措施[J].河南科技,2008(9):315-318.

[2]張琪,侯加林,閆銀發(fā),等.基于虛擬儀器的電路板故障檢測與診斷系統(tǒng)的研究[J].電子測量與儀器學報，2011,25(2):135-140.

[3]樊新海,戰(zhàn)軍,安鋼,等.裝甲車輛底盤關(guān)鍵部件綜合檢測系統(tǒng)研制[J].兵工學報,2009,30(7):849-852.

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[5]郭清,王元昔.霍爾傳感器在直流電機轉(zhuǎn)速測量中的應用研究[J].傳感器與微系統(tǒng),2011,30（7）:54-56.

[6]李錚,苗曙光.基于 WSNs和 LabVIEW水溫控制系統(tǒng)的設計[J].傳感器與微系統(tǒng),2011,30（3）:118-120,124.