基于PXI的MVB網絡一致性測試系統構建及測試實踐

段龍杰，崔金雪，祝鑫，祝常江，梁嘉

（1.上海軌道交通檢測認證（集團）有限公司，上海 200434；2.同濟大學 鐵道與城市軌道交通研究院，上海 201804；3.北京地鐵科技發展有限公司，北京 100160；4.北京市地鐵運營有限公司通信信號分公司，北京 100082）

0 引言

列車通信網絡（Train Communication Network，TCN）總線是目前我國軌道交通列車上運用最廣泛的通信網絡，其中的多功能車輛總線（Multifunction Vehicle Bus，MVB）在城市軌道交通列車上的運用尤為普遍。從IEC6 1375-1—1999 的TCN 標準開始，到目前我國的國家標準GB/T 28029—2020 列車通信網絡TCN 標準，國內外的TCN 設備制造商都是按照TCN 標準來生產制造用于列車上的通信網絡設備［1］。MVB 是用于1 節車輛或多節固定編組的車輛中連接車載可編程設備的通信總線。為了保證不同生產商的MVB設備之間的互操作，驗證MVB 設備與TCN 標準的一致性是非常有意義和必須的，也是中國城市軌道交通協會在其頒布的列車控制與診斷系統技術規范中明確規定的試驗測試項目之一。在研究MVB 網絡一致性測試的基礎上，開發基于面向儀器系統的PCI 擴展（PCI extensions for Instrumentation，PXI）的MVB 網絡一致性測試平臺，用以實現MVB 網絡一致性測試的系統集成，并為列車控制系統維護檢修的智能化打下基礎。

1 MVB網絡的一致性測試

一致性測試能夠保證一個通過測試的設備與協議標準的一致性；有助于各個制造商的設備能與其他制造商的設備實現互操作；也能夠為設備制造商的設計改進提供幫助［2］。一致性測試是網絡通信設備之間實現互操作的必要條件。

1.1 網絡一致性測試

一致性測試是一個能夠決定設備是否遵守標準技術要求以及展示標準要求性能的過程。一致性測試包括靜態測試和動態測試2個階段。

靜態測試是指在靜態條件下設備符合標準的能力要求的情況，靜態一致性定義了協議實現所要具備的核心能力集合。設備靜態能力分析是一致性測試的起點。

動態測試是監視被測設備在受控環境中的動態性能。動態測試規定了一系列給被測設備（Implementation Under Test，IUT）加激勵并監視結果性能的試驗，動態測試是網絡一致性測試的主要內容。

1.2 MVB的一致性測試

MVB 設備的一致性測試是為了保證MVB 設備與TCN 標準要求的一致性。MVB 的一致性測試內容分為基本互連測試、能力測試和行為測試。

（1）基本互連測試?；净ミB測試是在物理層檢查MVB 網絡運行的基本功能，并檢查能否建立相互連接的簡單測試?；净ミB測試是行為測試的子集，包括電氣短距離（Electrical Short Distance，ESD）介質、電氣中距離（Electrical Middle Distance，EMD）介質和光纖（Optical Glass Fiber，OGF）介質的基本互連測試?；净ミB測試決定可能的互連接是否對TCN 標準有足夠的一致性?；净ミB測試都能在行為測試過程中體現出來。

（2）能力測試。能力測試檢查被測MVB 設備是否滿足TCN 標準要求所應當具有的能力。通過對MVB 設備能力與標準要求能力的列表對比，有助于選擇合適的行為測試來與靜態測試相輔相成，完成一致性測試，將對TCN 標準要求的條目的測試覆蓋度提到最高。

（3）行為測試。行為測試是一致性測試的最主要部分，檢查被測MVB 設備是否滿足與TCN 標準要求的動態一致性。在TCN 標準中MVB 設備用于進行過程數據通信、消息數據通信和監督數據通信。針對能力測試中得出的靜態測試結論，選取相應的需要測試的內容來編制特定的行為測試的硬件和軟件［3］。比如，對只有過程數據能力的被測MVB設備進行行為測試的話，只要選取測試過程數據的硬件和軟件，在實驗室環境下進行測試，就能保證不損害覆蓋度的情況下正確驗證被測設備與TCN標準要求的一致性。

1.3 一致性測試的局限性

網絡通信的協議標準非常復雜，進行所有方面的徹底試驗是不可行的，故一致性測試不提供對標準每個方面的徹底試驗。由于一致性測試是在受控環境中完成的，因此事實上通過一致性測試的設備并不能保證與任何其他通過一致性測試的設備一定能夠完全實現相互操作，但是通過了一致性測試的設備之間的互操作實現起來肯定會相對容易得多，由此可看出一致性測試是互操作測試的必要條件。

2 PXI測試系統

PXI 是美國NI 公司開發推出、由PXI 聯盟發布的1種基于PC的測量自動化平臺。PXI結合了PCI的電氣總線特性與Compact PCI 的堅固性、模塊化以及Eurocard機械封裝的特性，發展成適合于試驗、測量與數據采集場合應用的機械、電氣和軟件規范。制訂PXI規范的目的是為了將臺式PC 的性能價格比優勢與PCI 總線面向儀器領域的必要擴展完美結合起來，成為測量和自動化系統的高性能、低成本平臺，并由此形成了虛擬儀器（Virtual Instrument，VI）的概念［4］。

PXI 系統包含4 個部分：PXI 機箱、PXI 控制器、PXI 模塊和軟件。PXI 機箱除了具備供電和散熱功能之外，主要具有用于信號互連的總線背板，嵌入式控制器以及各種模塊化儀器和I/O 模塊均通過總線背板互聯。PXI機箱外形見圖1。

圖1 PXI機箱外形

PXI 機箱實現了集成的定時和同步，PXI 模塊可以使用機箱底板上的共享信號發送和接收觸發信號并共享系統參考時鐘，更輕松地同步模塊和測量。PXI機箱通過集成最新的PCI Express 開關可以提高數據吞吐量；集成最新的英特爾多核處理器來實現更快更高效的并行測試。PXI機箱的功耗低、質量輕，且外形尺寸小。

PXI控制器在配置的操作系統上可以加裝多種NI專門開發的工程軟件，從而操控插入的儀器模塊和IO 端口，完成用戶的測控需求，PXI控制器提供了嵌入式和遠程2個選項。嵌入式控制器包含運行PXI 系統所需的儀器，無需連接外部PC；而遠程控制器則可讓用戶通過臺式機、筆記本電腦或服務器計算機控制PXI系統。

PXI系統將NI的多個專利技術集成到這些模塊化儀器中，這些技術包括同步內存核心（SMC）、用于模塊化儀器的NI-TCLK 定時與同步技術、用于多功能數據采集的NI-STC3定時與同步技術、用于數據采集的NIMCal 校準算法等［5］。這些技術的運用確保了系統的性能處在業內最高水平，確保了系統的測量性能與質量，同時為一些要求較高的應用提供可靠的測量質量。

開發中采用了PXI 模塊化儀器平臺，這種基于PC機的高性能標準化測量與自動化方案，能夠以合理的價位享有很多易用且靈活的PC 技術、開放的工業標準以及與Compact PCI 產品的完全互用性。PXI 測試系統平臺不僅可以實現完備的MVB 網絡一致性測試，測試系統還可以延伸運用于其他系統測試，如用作列車控制單元的功能測試。

3 基于PXI 的MVB 網絡一致性測試系統的構建

基于PXI 的MVB 網絡一致性測試系統是通用的測試平臺，可以對MVB 網絡的電氣中距離介質EMD 物理層以及MVB 網絡的鏈路層進行測試，實現MVB 網絡的基本互聯測試和性能測試［6］。

3.1 測試原理

3.1.1 終端阻抗測量

終端阻抗測量包含2個內容，一個是終端電阻R的測量，另一個是電感量X的測量。終端阻抗需要與EMD屏蔽雙絞線的特性阻抗匹配。特性阻抗可以表示為：

式中：X=∣Z∣sinθ，θ=tan-1（X/R）。

電阻的測量采用精密電阻測量儀，在IUT斷電的情況下，測量被測設備A線和B線的端接電阻，要求終端電阻的電阻值范圍為120（1±2%）Ω。

感抗的測量采用LCR 測試儀，對電流波形和電壓波形的相位角θ進行測量，根據θ值計算感抗大小。

3.1.2 插入損耗測量

插入損耗是指由于插入元件或器件所產生的信號損耗，定義為輸出端口所接收到的功率與輸入端口的源功率之比，單位是dB。測試方法是采用矢量網絡分析儀進行插入損耗的測量，測量的頻率范圍為0.5～2.0 BR。插入損耗測試示意見圖2。

圖2 插入損耗測試示意圖

3.1.3 傳輸過程中波形的測量

對傳輸過程中波形進行測量可以判斷總線的傳輸質量，如果總線上傳輸的波形與標準定義的波形相差過大，會導致總線上的通信設備無法準確解析數據，從而無法進行響應。根據GB/T 28029.10—2020 中5.3.6.4，為了模擬電纜和設備作為發送器的負載，MVB一致性測試規定了輕載測試電路、重載測試電路、閑置測試電路和短路電路［7］。不同負載下的波形測試原理電路見圖3。

圖3 不同負載下的波形測試原理電路

3.1.4 接收器行為測試

行為測試在于對IUT接收器的能力進行驗證，即當接收信號和理想信號的偏移量較大時，能否正確解析數據。接收器的行為測試是將衰減的主幀發送到被測設備IUT，利用示波器觀測檢驗被測設備IUT 是否能響應發送滿足要求的從幀，從而判斷接收器是否成功接收主幀。根據GB/T 28029.10—2020 中的5.3.6.4，接收器行為測試設定了閾值為200 mV和閾值為500 mV的接收器行為測試。測試系統采用串聯電阻的方法來實現主幀信號的衰減。

3.2 測試系統

測試系統是一個集成化的平臺，測試儀器集成在測試柜中（見圖4）。根據不同的測試項目，由PXI 系統組合不同的測試儀器來完成。測試儀器主要包括示波器、矢量網絡分析儀、LCR 測試儀及精密電阻測試儀。這些儀器均利用PXI的矩陣模塊來實現測試儀器的連接和測試，另外還需要配置發送器測試用的重載、輕載及空載測試電路。該平臺可以對被測設備的狀態、過程數據的通信能力以及從設備的消息數據的通信能力進行完整的測試評估。傳統的一致性測試，各個測試項目是獨立進行的，而該測試系統將分散的測試項目進行集成，實現自動化測試，能夠在線切換測試項點和存儲測試數據。

圖4 測試系統結構

3.3 測試軟件

MVB一致性測試系統的軟件是基于實驗室虛擬儀器工程平臺（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench，LabVIEW）構建的。LabVIEW 是一種圖形化的編程語言，編程采用框圖形式的流程化結構。Lab-VIEW集成了滿足GPIB、VXI、RS-232和RS-485協議的硬件及數據采集卡通信的全部功能，提供了常用的測試控件，如示波器、萬用表等，可以更加便捷地設計用戶界面；前面板即用戶界面，可以設置按鈕、波形顯示控件等，程序面板即編寫程序［8］。編寫過程中可以調用Lab-VIEW的函數庫和VI的程序模塊。使用LabVIEW的圖形化界面設計使編程更易操作。圖形化編程示例見圖5。

圖5 編程示例

4 MVB網絡一致性的測試實踐

MVB網絡一致性測試實踐結構示意見圖6。

圖6 MVB網絡一致性測試實踐結構示意圖

4.1 測試環境

MVB網絡一致性測試需要首先建立一個測試環境，即建立1個基本的MVB通信網絡。因此建立由1個主節點、2個從節點組成的MVB網絡，其中主節點作為總線管理器BA，1個從節點為模擬被測的IUT。主節點設備地址為0x11；設置9 個源端口，地址為0FF、201、202、203、204、205、206、301、302；7 個宿端口，地址為210、211、212、213、3A0、3A1、3A2。從節點1 的設備地址為0x21。從節點1設置4個源端口，地址為210、211、212、213；設置6 個宿端口，地址為201、202、203、204、205、206。從節點2設為模擬IUT，其設備地址為0x3A，設置3 個源端口，地址為3A0、3A1、3A2；2個宿端口，地址為301、302。傳輸的過程數據的特征周期有64、256、512、1 024 ms；過程數據的長度有16、32、64、128、256 bits 5種，對應的F-code碼是0～4。

MVB網絡過程數據傳輸的基本條件是需要建立周期信息的實時調度表。根據上述信息研究開發過程中采用LCM/HCF（最小公倍數/最大公約數）方法確定MVB 實時調度表的規模，然后用同步RM調度算法對各MVB周期數據分配相應的優先級，建立相應的實時調度表［9］。在BA上輸入實時調度表后，MVB網絡即可運行。

4.2 測試實踐

4.2.1 終端電阻測試

電阻測試采用的測試儀器為精密電阻測試儀。電阻測試界面見圖7。在選定微電阻測試儀端口后，對波特率和采集的數據量進行設置，即可點擊“電阻測試”進行端接電阻測試，測量所得的電阻值能夠實時顯示和存儲。

圖7 電阻、電感測試界面

4.2.2 電感測試

電感測試采用的測試儀器為LCR 測試儀，電感測試界面見圖7，在選定LCR測試儀端口后，對測試儀的參數進行設置，即可點擊“電感測試”進行電感測試，測量所得的電感值能夠實時顯示和存儲。

4.2.3 插入損耗測試

插入損耗采用矢量網絡分析儀測試。在圖8所示的界面上配置矢量網絡分析儀的端口后，選擇開始頻率為0.75 MHz，終止頻率3.0 MHz，S參數選擇S21，配置完成后點擊“插入損耗測量”，插入損耗的測量值能夠實時顯示并存儲。

圖8 插入損耗測試界面

4.2.4 傳輸過程中波形的測量與接收器行為測試

傳輸過程中信號波形的測量與接收器行為測試采用的測試儀器為示波器。在圖9 所示界面的右上角實現對示波器參數的配置，總線上當前傳輸的波形實時顯示在界面上方的波形顯示圖內，點擊“截取波形”后，被截取的波形顯示在左下角的波形顯示圖內，點擊“計算波形”，平臺系統對截取波形的最大幅值、最小幅值、相鄰脈沖幅值之差、理論過零點與實際過零點之差等參數進行測量和存儲。

圖9 波形與行為測試界面

5 結束語

基于PXI 的MVB 網絡一致性測試系統平臺將原本分散的各自獨立的MVB 網絡物理層一致性測試集成為一個完備的測試裝置，系統平臺不僅能夠完成MVB 網絡物理層和數據鏈路層的一致性測試，并具有一定的智能化性能。該測試系統平臺能夠保證測試數據的可靠性和完整性，同時為測試數據的可追溯性創造了條件。