地面电子单元防雷试验自动测试技术

王丁

（中国铁道科学研究院集团有限公司 通信信号研究所，北京 100081）

0 引言

地面电子单元（LEU）是铁路信号点式应答器传输系统［1-3］的关键设备，与有源应答器［4-6］组合，构成轨道交通列控系统［7-8］最前端的重要环节。由于LEU的产品特性［9］涉及铁路信号系统安全［10］，因此对其认证测试要求非常严格。作为应答器传输系统中唯一跨越室内、室外［11］连接的设备，LEU需要与室外有源应答器进行长距离（最大2.5 km）有线通信，因此国家铁路产品认证中心（CRCC）规定LEU 必须进行有关雷电防护试验［12］鉴定。2019 年5 月，国家铁路局科技司规定，在包括列控系统等5 个系统的铁路信号产品CRCC认证中，开始全面使用TB/T 3498—2018 标准进行防雷试验［13］，该标准规定被试设备的所有端口均在其电缆芯线上施加雷电浪涌冲击。由于信号设备端口设计时，一般有浪涌防护器件或者防护电路，当端口受到雷击、浪涌时，利用防护器件对地短路或泄流，可将外界输入的电压钳位控制在一定范围内，避免后级电路的损坏，新的防雷试验标准规定：施加冲击电压的测试点是端口电缆芯线而非电缆屏蔽层，意味着浪涌雷击时会触发信号设备端口的防护器件，导致端口瞬时对地短接，期间端口的信号传输也会受到影响。

传统LEU 设备防雷试验的测试环境搭建，需将车载应答器传输模块（BTM）［14］、有源应答器在内的整个应答器传输系统设备都包括进来，LEU 设备的状态需要通过有源应答器、BTM 等辅助设备的反馈间接判断，但在试验中引入过多辅助设备会增加误判风险。在此，分析传统测试方法中存在的不足，并据此设计一套基于虚拟仪器技术的LEU 防雷试验自动测试仪，实现直接采集信号并自动判断对比结果的功能，可替代试验中的辅助设备，从而降低误判风险。

1 传统防雷试验问题分析

LEU设备防雷/电磁兼容［15］类试验的测试［16］环境见图1，试验的辅助设备为有源应答器、BTM设备［17］、监控电脑，雷电信号直接注入LEU 和有源应答器之间的C 接口信号电缆中，试验人员通过监控电脑观察BTM读取到的有源应答器报文，判断LEU是否异常。

图1 LEU设备防雷/电磁兼容［15］类试验测试环境

采集防雷试验中的冲击电压波形（见图2），电压快速上升至2 000 V 时开始下降，其电压波形变化符合GB/T 17627.1 标准规定的10/700 μs 波形（测试脉冲上升时间为10 μs，持续时间为700 μs）［18］。由于设备处于高电压状态时，其内部器件可能对临近地线产生异常放电，进而导致设备元器件损坏。为预防上述情况，通过防护器件对地泄放大功率冲击信号，是铁路信号产品较为常见的电磁兼容防护措施，不同厂家设计的产品，其保护器件泄放的电压限值也不相同。LKY·LEU1-YH 型LEU 设备电压钳位后的冲击电压波形见图3，经过防护器件的泄放，冲击电压基本上被控制在150 V以下，超过150 V部分的电压被削平。设定150 V的限值由3个方面综合考虑而确定：（1）限值应低于相应元器件的耐压值；（2）限值应高于正常工作电压；（3）在符合前2条的基础上，可适当提高限值电压以增加大功率容量。

图2 防雷试验电压冲击波形

图3 防护器件保护后的防雷试验冲击电压波形

正常情况下，LEU 设备信号端口输出的波形为连续不间断信号（见图4），当端口承受雷电冲击电压时，由于设备的防护器件主动对地泄放，使端口对地电阻瞬时下降，在泄放外界输入干扰信号的同时也在短时间内阻断了信号的传输，被阻断的信号见图5。

图4 LEU端口正常波形

图5 防雷试验中被阻断的信号波形

TB/T 3485—2017《应答器传输系统技术条件》有关章节规定［19］：有源应答器最多可以容忍341 bit 无效数据（或信号中断超过341 bit 对应的时间），当无效数据超过这个限值后，有源应答器便会转为发送其自身存储的默认报文，并且只要BTM 提供的射频能量信号能够维持应答器工作，即使LEU 的C 接口信号恢复正常，有源应答器也会继续发送默认报文，直至能量信号无法维持应答器工作。上述规定的目的在于：防止当列车正在读取有源应答器报文时，因LEU和有源应答器之间的链路异常导致读取过程中报文出现变化，该规定符合故障导向安全的原则。LEU的C接口标准通信速率为564.480 kbit/s，按此计算341 bit数据传输的时间为：

T=341×约为604 μs。防雷试验中，若要将作为干扰信号注入的10/700 μs 冲击电压波形中大于150 V的部分削去，则防护器件作用时间至少要超过1 500 μs，超出了错误数据容忍范围，并且按TB/T 3485—2017《应答器传输系统技术条件》的规定，有源应答器内部芯片需要依赖C接口内的8.82 kHz信号提供电源，信号中断时间过长可能导致芯片掉电。综合上述原因，如在防雷试验中采用防护器件对超过150 V 以上冲击电压进行防护，就一定会导致有源应答器进入异常状态（发送默认报文模式），而由于试验环境中有源应答器位于BTM 天线下方，始终处于BTM 天线发射的能量信号作用范围内，因此试验中有源应答器一旦进入发送默认报文状态便无法恢复，除非关闭BTM，待有源应答器恢复后再打开BTM，但却无法连续监控报文变化情况。由于LEU 的防雷试验重点在于测试LEU 设备端口对于冲击电压的耐受性而非辅助设备的耐受性，且合格要求为A 级，若因为有源应答器（试验辅助设备）特性而导致误判，则会影响测试结果的准确性。因此，有必要研究并采用一种更为准确的LEU防雷试验测试方法。

2 基于虚拟仪器技术的防雷试验

使用虚拟仪器技术设计一种防雷试验自动测试仪器，其主要目的是简化试验过程中的辅助设备以消除误判风险。通过防雷试验自动测试仪，LEU的C接口输出信号可直接由自动测试仪器进行采集，采集后直接在虚拟仪器后台进行解码运算得出报文信息，无需通过车载BTM 设备间接读取有源应答器报文，该方法可避免试验中使用辅助设备间接读取报文信息带来的问题，而测试环境中有源应答器也可使用耐高压且结构简单的水泥电阻替代。

将LEU 的信号输出端口直接连接到水泥电阻上，虚拟仪器设备可利用三通接头或BNC 探头采集水泥电阻上的电压信号进行实时计算分析，以水泥电阻替代应答器可避免试验过程中因应答器故障而导致的误判。使用虚拟仪器技术搭建LEU 防雷试验系统见图6。由图1、图6 对比可见，使用虚拟仪器后搭建的试验环境得到明显简化。

图6 使用虚拟仪器技术搭建LEU防雷试验系统

3 防雷试验自动化测试仪软硬件设计

由于防雷试验中需要每隔2 s 实时读取1 次应答器中的数据，所以使用虚拟仪器的主要原因之一是：借助其内部的PXI 高速总线，对采集到的数据进行实时分析。虽然利用USB、网线配合示波器也可采集数据，但难以做到实时分析，其单次数据传输耗时数十秒，数据传输完毕再由上位机后台程序运算分析，效率低下，难以满足认证试验的要求。

引入功能强大的NI虚拟仪器设备作为自动检测设备的硬件基础，此类设备带有PXI高速总线，可实时对采集到的信号进行后台运算分析，后台软件使用Lab-VIEW［20］作为编程语言，时域信号采集板卡集成在其机箱内部，编程时可直接利用其系统自带的驱动，将采集到的信号数据转换为一维、二维数组格式，配合信号采样率设置，对输入的差分双向电平编码（DBPL）信号进行解码操作。防雷试验自动测试设备主体带有PXI高速总线的机箱，其中包括采集和运算2块板卡及1个高压探头。试验时，受试LEU设备将信号端口连接到水泥电阻上，由水泥电阻充当负载，而NI机箱集成的信号采集板卡通过将高压探头并联在水泥电阻两端，采集电阻上的电压信号（见图7）。

图7 防雷试验自动测试仪结构

LEU 的C 接口信号为“C1”“C6”2 个接口叠加的复合信号，按TB/T 3485—2017《应答器传输系统技术条件》规定：C 接口信号中“C1”信号的峰峰值电压Vpp应为14～18 V，“C6”信号的幅值为20～23 V，2 路信号叠加后C 接口复合信号的Vpp范围为34.0～40.5 V。典型的C 接口复合信号Vpp为38.6 V（见图8）。NI-PXI-5142 时域信号采集板卡具有14 位AD 采样分辨率，输入电压范围为±50 V，为保护设备，在防雷试验中可采用高压探头对C接口电缆芯线的传输信号进行采集，探头的衰减量设置为50∶1即可保护后级设备。

自动测试设备从水泥电阻上采集到的LEU输出信号（见图8）为正弦波与方波信号叠加组成的混合信号，由于混合信号无法进行解调译码，需要对其进行数字滤波处理，滤波后的信号见图9，此时混合信号中的正弦波被滤除，只保留方波信号，该方波的编码方式见图10，电平由高转低为A相，反之为B相，当相发生变化时代表bit“0”，没有变化时代表bit“1”。后台解码程序的逻辑可根据上述编码方法设计，该自动测试系统采用较为简单的过零点判断方式进行，后台解码程序见图11。

图8 LEU端口输出信号

图9 对混合信号进行滤波处理后的信号

图10 差分双相电平编码

图11 后台解码程序

4 防雷试验自动化测试实现

防雷试验中将制作好的水泥电阻连线与LEU 信号端口连接，自动测试设备使用2个探头分别连接水泥电阻两端，2个探头地线短接，后台使用差分方式算出波形，也可直接使用高压探头采集水泥电阻上的电压波形信号。

试验中可利用防雷自动测试设备集成的串口通信功能，用RS422 串口直接向LEU 传输报文信息以模拟TCC 通信环节，或者直接在报文对比对话框中输入需要对比的报文内容，省略模拟通信环节。自动测试设备每间隔2 000 ms 对采集到的数据进行1 次译码运算，运算时首先将双向差分电平信号翻译为0、1 bit 数据，随后再将该数据翻译为1 023 bit报文，报文内容在后台与模拟通信界面发送的报文进行对比，其结果会显示在相应对话框中（见图12）。

图12 防雷自动测试设备信号采集译码界面

5 结束语

使用虚拟仪器技术开展防雷测试、认证试验，可简化试验中辅助设备的运用，消除由辅助设备引起的误判，并通过提高测试设备的自动化，降低试验中的人为因素，有利于提升认证试验的科学性和权威性。随着我国铁路装备事业的飞速发展，对各类型设备的认证、测试、试验等标准的要求越来越高，相关标准的研究也愈发深化，因此相应的试验、测试技术也应紧跟时代要求。随着虚拟仪器测试技术的不断进步和推广，防雷试验自动测试技术在高铁信号设备的认证试验、产品检测把关等方面将发挥越来越重要的作用。