CN112835342B - 一种用于轨道电路的pxi测试系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种用于轨道电路的PXI测试系统，该系统包括：放置于PXI机箱内的PXI控制器、PXI数字IO板卡、PXI‑CAN通信板卡、PXI示波器、PXI波形发生器、PXI可编程电阻，以及功率放大器、可编程电源、和海量适配接口层。该系统由PXI控制器驱动整个系统硬件工作，可实现测试项灵活配置、测试过程自动执行、测试状态实时显示、测试结果分析上传等功能。解决了以往系统测试中被测设备耦合制约、测试效率低下等问题。
Description
技术领域
本发明涉及轨道电路系统的技术领域，尤其是指一种用于轨道电路的PXI测试系统。
背景技术
轨道电路系统是一种能够控制列车运行间隔，检查轨道占用/空闲的铁路信号基础自动控制系统。
轨道电路系统的基本原理是通过发送器产生FSK信号，信号经室内传输至室外轨道，并沿轨道从发送端传输至接收端，再由接收端进入室内后通过接收器解调，接收器通过识别解调后的信号波形参数确认列车占用情况。当轨道有列车经过时，列车通过轮对前的感应线圈接收信号，获得FSK信号中的调制频率，列车根据不同的频率值调整运行状态。
结合基本原理可知，轨道电路系统的关键技术在于FSK信号的传输和解调。而由于轨道电路系统的实际应用环境复杂、信号在传输过程中存在衰减、失真、干扰等因素，使得系统的设计验证和试验分析存在很大挑战。而现场试验又受实际应用条件限制，室内外试验配合复杂，编码条件、传输参数无法调整。因此，亟需研制一套半实物仿真测试系统支持轨道电路产品设计验证和试验分析。
目前轨道电路系统环境搭建方式有两种：
1、搭建单区段的运行系统，包含编码监控主机、轨道电路通信接口板(仅用于通信编码轨道电路系统)、发送器、防雷模拟网络盘、轨道模拟盘、空心线圈、调谐匹配单元(用于通信编码轨道电路系统)、调谐单元(用于继电编码轨道电路系统)、匹配变压器(用于继电编码轨道电路系统)、衰耗器、接收器，其中除编码监控主机和轨道模拟盘外，其他设备均为真实轨道电路系统设备。对于通信编码轨道电路系统，编码监控主机用于模拟列控中心下发轨道电路编码信息，采集轨道电路状态信息，监控系统运行状态。对于继电编码轨道电路系统，编码监控主机用于采集轨道电路状态信息，通过手动连线方式调整继电编码条件。轨道电路模拟盘是由电阻、电容、电感搭建谐振电路组成，能够模拟实际钢轨参数、补偿电容、道床电阻，通过手动调整器件类型和电路组合实现不同钢轨类型，达到模拟实际钢轨的效果。该系统可手动调整钢轨类型和编码条件，进行发送器、接收器设计验证，和系统试验分析。
2、与单区段运行系统类似，搭建多区段的运行系统，每一套设置各自的钢轨类型和编码条件，通过多区段系统构成多种测试组合。
目前方案的缺点：
第1种方案发送器、接收器均采用真实设备，测试时系统内产品之间相互耦合制约，无法实现超出产品功能条件或故障注入类型测试。而且系统指标调整通过手动方式，试验验证过程时间耗费巨大。
第2种方案依赖真实设备构成系统，测试受系统内设备相互耦合制约，无法实现超出产品功能条件或故障注入类型测试。且由于单个区段的区段类型固定，不适合对单台设备如发送器、接收器在不同系统条件下的遍历验证。
发明内容
针对上述问题和现有解决方案的缺陷,本方案提出:
由一台基于PXI的测试系统，通过海量接口适配层将发送器、接收器、衰耗器、程控负载结合在一起构成半实物仿真测试系统。
针对上述问题，本发明涉及一种用于轨道电路的PXI测试系统，该系统包括：放置于PXI机箱内的PXI控制器、PXI数字IO板卡、PXI-CAN通信板卡、PXI示波器、PXI波形发生器、PXI可编程电阻，以及功率放大器、可编程电源、和海量适配接口层：其中PXI控制器针对被测对象不同，通过控制PXI数字IO板卡将系统在“发送器-程控负载-接收器”、“发送器-程控负载-PXI示波器”、“PXI波形发生器-接收器”三种测试系统之间切换。“发送器-程控负载-接收器”中轨道电路信号由发送器直接产生，信号经程控负载衰减后送入接收器进行解调，此方式信号的调制解调都由真实设备构成，通过遍历负载和发送器、接收器工作条件，可以验证发送器和接收器在单个区段环境下的电气性能指标。
“发送器-程控负载-PXI示波器”中轨道电路信号由发送器直接产生，信号经程控负载衰减后送入示波器内，由示波器测试发送器输出信号在接收端的具体表现，通过遍历负载和发送器工作条件验证发送器的电气性能指标。
“PXI波形发生器-接收器”中轨道电路信号(FSK信号)由波形发生器产生，正常或加噪声信号注入接收器后验证接收器的解调能力和抗干扰能力。
发送器在轨道电路系统中作为系统的信号源，将FSK信号经电缆和匹配网络传输至钢轨，FSK信号由钢轨传递一段距离经过接收端匹配网络和电缆后进入接收器。模拟负载就是模拟传输路径中电缆、钢轨和匹配网络的电气参数。接收器作为轨道是否占用或空闲的判断单元，通过解调FSK信号的波形，通过频率、幅值、相位等参数判断此时轨道是否处于列车占用或空闲状况。PXI-CAN通信卡在通信编码轨道电路系统中用于与发送器、接收器通信，发送编码条件和接收设备工作状态；PXI数字IO板卡用于程控负载条件切换、系统类型切换、发送器工作条件切换、接收器工作条件切换，继电编码发送器编码条件切换；PXI可编程电阻用于连接发送器、接收器继电器输出条件，用于测试输出能力；PXI示波器用于测试发送器FSK信号指标；PXI波形发生器和功率放大器用于生成FSK信号，并可任意调整波形指标、施加噪声条件，用于验证接收器解调能力；可编程电源用于提供发送器、接收器供电和工作条件电源；海量接口适配层用于实现测试系统接口与发送器、接收器、程控负载接口之间的匹配连接。
本测试系统支持两类轨道电路系统，一种是通信编码轨道电路系统、一种是继电编码轨道电路系统，通信编码轨道电路系统和继电编码轨道电路系统的发送器和接收器工作条件输入有所区别，继电编码轨道电路系统工作条件输入由直流电平信号组合输入，通信编码轨道电路系统工作条件输入在直流电平信号组合输入的基础上增加CAN通信输入方式。所以需要增加PXI-CAN通信卡实现通信编码轨道电路系统中发送器和接收器的工作条件输入。
本发明进一步公开了：发送器测试时，PXI控制器根据软件功能驱动PXI数字IO将发送器工作条件切换至指定状态，将输出电压等级调整至指定级别；驱动PXI可编程电阻提供发送器报警输出的指定负载电阻；通过USB通信控制可编程电源输出发送器电源电压和工作电平；驱动PXI-CAN通信板卡发送CAND/CANE编码条件，接收CAND/CANE状态信息；驱动PXI示波器测试发送器S1、S2信号输出和T1、T2输出信号；驱动PXI数字IO使发送器S1、S2信号输出负载在400Ω和程控负载之间切换。发送器所有电气接口都通过海量适配接口层与测试系统资源匹配。
本发明进一步公开了：接收器测试时，PXI控制器根据软件功能驱动PXI数字IO将接收器工作条件切换至指定状态；驱动PXI可编程电阻提供接收器报警输出、主轨道继电器输出、小轨道继电器输出的指定负载电阻；通过USB通信控制可编程电源输出接收器电源电压和工作电平；驱动PXI-CAN通信板卡发送CAND/CANE编码条件，接收CAND/CANE状态信息；驱动PXI波形发生器产生标准FSK信号或叠加信号或含噪声信号，通过功率放大器接入接收器主轨道信号入口和小轨道信号入口。接收器所有电气接口都通过海量适配接口层与测试系统资源匹配。
本发明进一步公开了：系统传输测试时，PXI控制器根据软件功能驱动PXI数字IO将发送器、接收器工作条件切换至指定状态，将发送器S1、S2信号输出切至程控负载发送端，将接收器主轨道信号入口和小轨道信号入口切至衰耗器主轨道信号输出、小轨道信号输出，将程控负载调整到指定轨道类型和参数；驱动PXI可编程电阻提供发送器报警输出、接收器报警输出、主轨道继电器输出、小轨道继电器输出的指定负载电阻；通过USB通信控制可编程电源输出发送器、接收器电源电压和工作电平；驱动PXI-CAN通信板卡发送CAND/CANE编码条件，接收CAND/CANE状态信息。发送器、接收器、程控负载所有电气接口都通过海量适配接口层与测试系统资源匹配。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了根据本发明实施例的测试系统功能框图；
图2示出了根据本发明实施例的测试系统功能框图；
图3示出了根据本发明实施例的程控负载功能框图；
图4示出了根据本发明实施例的三种系统切换原理示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明专利实施例中的附图，对本发明专利实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅是本发明专利一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明专利中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明专利保护的范围。
如图1-4所示，PXI测试系统是由PXI总线控制器、PXI示波器、PXI波形发生器、PXI可编程电阻、PXI数字IO卡、PXI-CAN通信卡、可编程电源、功率放大器组成。
程控负载是由防雷模拟网络盘、空心线圈、机械绝缘节空心线圈、调谐匹配单元、调谐单元、匹配变压器、站内匹配变压器、单位长度的钢轨等效电感、补偿电容、道床电阻、分路电阻构成，各部分通过继电器节点接入系统内，继电器通过测试系统的PXI数字IO卡控制。通过继电器节点可切换多种轨道区段类型，包括通信编码轨道电路系统中“电气绝缘节-电气绝缘节”、“机械绝缘节-机械绝缘节”“机械绝缘节-电气绝缘节”三种类型，继电编码轨道电路系统中“电气绝缘节-电气绝缘节”、“机械绝缘节-电气绝缘节“两种类型。通过继电器节点改变防雷模拟网络配线，电缆长度可在0km-15km调整。通过继电器节点可将钢轨长度可在0Km-1.6km调整，可将补偿电容在0μF、25μF、55μF、50μF、46μF、40μF切换，可将道床电阻在1Ω·km、2Ω·km、∞Ω·km之间切换，分路电阻可在开路、0.15Ω、0.25Ω之间切换。通过以上调整可实现任意类型的区段参数切换。
针对被测对象不同，PXI总线控制器可通过控制PXI数字IO板卡将系统在“发送器-程控负载-接收器”、“发送器-程控负载-PXI示波器”、“PXI波形发生器-接收器”三种测试系统之间切换。
“发送器-程控负载-接收器”中轨道电路信号由发送器直接产生，信号经程控负载衰减后送入接收器进行解调，此方式信号的调制解调都由真实设备构成，通过遍历负载和发送器、接收器工作条件，可以验证发送器和接收器在单个区段环境下的电气性能指标。
“发送器-程控负载-PXI示波器”中轨道电路信号由发送器直接产生，信号经程控负载衰减后送入示波器内，由示波器测试发送器输出信号在接收端的具体表现，通过遍历负载和发送器工作条件验证发送器的电气性能指标。
“PXI波形发生器-接收器”中轨道电路信号(FSK信号)由波形发生器产生，正常或加噪声信号注入接收器后验证接收器的解调能力和抗干扰能力。
发送器在轨道电路系统中作为系统的信号源，将FSK信号经电缆和匹配网络传输至钢轨，FSK信号由钢轨传递一段距离经过接收端匹配网络和电缆后进入接收器。模拟负载就是模拟传输路径中电缆、钢轨和匹配网络的电气参数。接收器作为轨道是否占用或空闲的判断单元，通过解调FSK信号的波形，通过频率、幅值、相位等参数判断此时轨道是否处于列车占用或空闲状况。
PXI-CAN通信卡在通信编码轨道电路系统中用于与发送器、接收器通信，发送编码条件和接收设备工作状态。
PXI数字IO卡用于程控负载条件切换、系统类型切换、发送器工作条件切换、接收器工作条件切换，继电编码发送器编码条件等切换。
PXI可编程电阻用于连接发送器、接收器继电器输出条件，用于测试输出能力。
PXI示波器用于测试发送器FSK信号指标。
PXI波形发生器+功率放大器用于生成FSK信号，并可任意调整波形指标、施加噪声条件，用于验证接收器解调能力。
可编程电源用于提供发送器、接收器供电和工作条件电源。
海量接口适配层用于实现测试系统接口与发送器、接收器、程控负载接口之间的匹配连接。
该系统软件通过labview/labwindows进行开发，软件运行于PXI控制器内，由PXI控制器驱动整个系统硬件工作，可实现测试项灵活配置、测试过程自动执行、测试状态实时显示、测试结果分析上传等功能。解决了以往系统测试中被测设备耦合制约、测试效率低下等问题。
本发明专利通过一台PXI测试系统、一台控制负载和被测设备发送器、接收器、衰耗器共同组成轨道电路半实物仿真测试系统，控制负载用于模拟真实系统中发送器至衰耗器之间所有负载条件，并采用真实设备和模拟设备相结合的方式，通过模块化的组合切换实现。PXI测试系统用于切换测试系统和轨道区段类型、参数，驱动各测试资源进行测试。
1、PXI测试系统介绍
PXI测试系统由放置于PXI机箱内的PXI控制器、PXI数字IO板卡、PXI-CAN通信板卡、PXI示波器、PXI波形发生器、PXI可编程电阻，以及功率放大器、可编程电源、海量适配接口层共同组成。
发送器测试时，PXI控制器根据软件功能驱动PXI数字IO将发送器工作条件切换至指定状态，将输出电压等级调整至指定级别；驱动PXI可编程电阻提供发送器报警输出的指定负载电阻；通过USB通信控制可编程电源输出发送器电源电压和工作电平；驱动PXI-CAN通信板卡发送CAND/CANE编码条件，接收CAND/CANE状态信息；驱动PXI示波器测试发送器S1、S2信号输出和T1、T2输出信号；驱动PXI数字IO使发送器S1、S2信号输出负载在400Ω和程控负载之间切换。发送器所有电气接口都通过海量适配接口层与测试系统资源匹配。
接收器测试时，PXI控制器根据软件功能驱动PXI数字IO将接收器工作条件切换至指定状态；驱动PXI可编程电阻提供接收器报警输出、主轨道继电器输出、小轨道继电器输出的指定负载电阻；通过USB通信控制可编程电源输出接收器电源电压和工作电平；驱动PXI-CAN通信板卡发送CAND/CANE编码条件，接收CAND/CANE状态信息；驱动PXI波形发生器产生标准FSK信号或叠加信号或含噪声信号，通过功率放大器接入接收器主轨道信号入口和小轨道信号入口。接收器所有电气接口都通过海量适配接口层与测试系统资源匹配。
系统传输测试时，PXI控制器根据软件功能驱动PXI数字IO将发送器、接收器工作条件切换至指定状态，将发送器S1、S2信号输出切至程控负载发送端，将接收器主轨道信号入口和小轨道信号入口切至衰耗器主轨道信号输出、小轨道信号输出，将程控负载调整到指定轨道类型和参数；驱动PXI可编程电阻提供发送器报警输出、接收器报警输出、主轨道继电器输出、小轨道继电器输出的指定负载电阻；通过USB通信控制可编程电源输出发送器、接收器电源电压和工作电平；驱动PXI-CAN通信板卡发送CAND/CANE编码条件，接收CAND/CANE状态信息。发送器、接收器、程控负载所有电气接口都通过海量适配接口层与测试系统资源匹配。
本测试系统支持两类轨道电路系统，一种是通信编码轨道电路系统、一种是继电编码轨道电路系统，通信编码轨道电路系统和继电编码轨道电路系统的发送器和接收器工作条件输入有所区别，继电编码轨道电路系统工作条件输入由直流电平信号组合输入，通信编码轨道电路系统工作条件输入在直流电平信号组合输入的基础上增加CAN通信输入方式。所以需要增加PXI-CAN通信卡实现通信编码轨道电路系统中发送器和接收器的工作条件输入。
2、程控负载介绍
程控负载由发送端、模拟轨道、接收端三部分构成，发送端和接收端均由
防雷模拟网络、空心线圈、机械节空心线圈、站内匹配变压器、匹配变压器、调谐单元、调谐匹配单元组成，通过继电器节点控制可将将发送端和接收端在调谐匹配单元并联空心线圈、调谐匹配单元并联机械节空心线圈、站内匹配变压器、调谐单元并联匹配变压器并联空心线圈、调谐单元并联匹配变压器并联机械节空心线圈、五种类型中切换。分别用于实现通信编码“电气-电气”轨道区段类型、“机械-电气”轨道区段类型、“机械-机械”轨道区段类型，继电编码“电气-电气”轨道区段类型、“机械-电气”轨道区段类型。模拟轨道由轨道单元组成，各单元可通过继电器节点最多组成160段连续轨道单元，每个轨道单元含两支等效10m钢轨电感，用于实现道床电阻1Ω·Km，2Ω·Km的50Ω、100Ω接地电阻，用于实现0.1Ω、0.25Ω分路的电阻，以及并联于电感间的25μF、40μF、46μF、50μF、55μF电容，用于模拟分布电容，所有分立器件均通过PXI数字IO板驱动继电器实现接入电路，最长可模拟1600m实际钢轨。
3、系统切换原理
轨道电路半实物仿真测试系统可通过PXI数字IO板切换继电器节点实现“发送器—程控负载-PXI示波器”，“PXI波形发生器-接收器”，“发送器-程控负载-接收器”三种测试系统切换。切换原理示意图如下：
“发送器—程控负载-PXI示波器”系统适用于测试发送器性能，包括信号调制精度和信号输出能力。
“PXI波形发生器-接收器”系统适用于测试接收器性能，包括信号解调能力和抗干扰能力。
“发送器-程控负载-接收器”系统适用于传输系统测试，包括系统分析验证和系统试验。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (5)
1.一种用于轨道电路的PXI测试系统，该系统包括：放置于PXI机箱内的PXI控制器、PXI数字IO板卡、PXI-CAN通信板卡、PXI示波器、PXI波形发生器、PXI可编程电阻，以及功率放大器、可编程电源、和海量适配接口层：
其中PXI控制器针对被测对象不同，通过控制PXI数字IO板卡将系统在“发送器-程控负载-接收器”、“发送器-程控负载-PXI示波器”、“PXI波形发生器-接收器”三种测试系统之间切换；发送器测试时，PXI控制器根据软件功能驱动PXI数字IO板卡将发送器工作条件切换至指定状态，将输出电压等级调整至指定级别；驱动PXI可编程电阻提供发送器报警输出的指定负载电阻；通过USB通信控制可编程电源输出发送器电源电压；驱动PXI-CAN通信板卡发送CAND/CANE编码条件，接收CAND/CANE状态信息；驱动PXI示波器测试发送器S1、S2信号输出和T1、T2输出信号；驱动PXI数字IO板卡使发送器S1、S2信号输出负载在400Ω和程控负载之间切换；发送器所有电气接口都通过海量适配接口层与测试系统资源匹配；接收器测试时，PXI控制器根据软件功能驱动PXI数字IO板卡将接收器工作条件切换至指定状态；驱动PXI可编程电阻提供接收器报警输出、主轨道继电器输出、小轨道继电器输出的指定负载电阻；通过USB通信控制可编程电源输出接收器电源电压；驱动PXI-CAN通信板卡发送CAND/CANE编码条件，接收CAND/CANE状态信息；驱动PXI波形发生器产生标准FSK信号或叠加信号或含噪声信号，通过功率放大器接入接收器主轨道信号入口和小轨道信号入口；接收器所有电气接口都通过海量适配接口层与测试系统资源匹配；
PXI-CAN通信卡在通信编码轨道电路系统中用于与发送器、接收器通信，发送编码条件和接收设备工作状态；
PXI数字IO板卡用于程控负载条件切换、系统类型切换、发送器工作条件切换、接收器工作条件切换，继电编码发送器编码条件切换；
PXI可编程电阻用于连接发送器、接收器继电器输出条件，用于测试输出能力；
PXI示波器用于测试发送器FSK信号指标；
PXI波形发生器和功率放大器用于生成FSK信号，并可任意调整波形指标、施加噪声条件，用于验证接收器解调能力；所述PXI波形发生器-接收器轨道电路信号FSK由波形发生器产生，正常或加噪声信号注入接收器后验证接收器的解调能力和抗干扰能力；发送器在轨道电路系统中作为系统的信号源，将FSK信号经电缆和匹配网络传输至钢轨，FSK信号由钢轨传递一段距离经过接收端匹配网络和电缆后进入接收器；
可编程电源用于提供发送器、接收器供电和工作条件电源；
海量接口适配层用于实现测试系统接口与发送器、接收器、程控负载接口之间的匹配连接。
2.如权利要求1所述的PXI测试系统，其特征在于：
系统传输测试时，PXI控制器根据软件功能驱动PXI数字IO板卡将发送器、接收器工作条件切换至指定状态，将发送器S1、S2信号输出切至程控负载发送端，将接收器主轨道信号入口和小轨道信号入口切至衰耗器主轨道信号输出、小轨道信号输出，将程控负载调整到指定轨道类型和参数；驱动PXI可编程电阻提供发送器报警输出、接收器报警输出、主轨道继电器输出、小轨道继电器输出的指定负载电阻；通过USB通信控制可编程电源输出发送器、接收器电源电压和工作条件电压；驱动PXI-CAN通信板卡发送CAND/CANE编码条件，接收CAND/CANE状态信息；发送器、接收器、程控负载所有电气接口都通过海量适配接口层与测试系统资源匹配。
3.如权利要求1所述的PXI测试系统，其特征在于：所述发送器-程控负载-接收器中轨道电路信号由发送器直接产生，信号经程控负载衰减后送入接收器进行解调，此方式信号的调制解调都由真实设备构成，通过遍历负载和发送器、接收器工作条件，可以验证发送器和接收器在单个区段环境下的电气性能指标。
4.如权利要求1所述的PXI测试系统，其特征在于：所述发送器-程控负载-PXI示波器中轨道电路信号由发送器直接产生，信号经程控负载衰减后送入示波器内，由示波器测试发送器输出信号在接收端的具体表现，通过遍历负载和发送器工作条件验证发送器的电气性能指标。
5.如权利要求1所述的PXI测试系统，其特征在于：所述通信编码轨道电路系统支持两类轨道电路系统，一种是通信编码轨道电路系统、一种是继电编码轨道电路系统，通信编码轨道电路系统和继电编码轨道电路系统的发送器和接收器工作条件输入有所区别，继电编码轨道电路系统工作条件输入由直流电平信号组合输入，通信编码轨道电路系统工作条件输入在直流电平信号组合输入的基础上增加CAN通信输入方式，所以需要增加PXI-CAN通信卡实现通信编码轨道电路系统中发送器和接收器的工作条件输入。
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