TCN网络通信一致性测试自动化实现*

姚 放，穆瑞琦，，王童毅，夏 菲，，孔 元

（1 北京纵横机电科技有限公司，北京100094；2 中国铁道科学研究院集团有限公司 机车车辆研究所，北京100081）

随着中国的轨道交通行业迎来巨大的发展机遇，铁路里程增加以及新技术、新工艺的需求，必然导致动车、机车及其系统设备的需求大增，由于相关设备来自于不同国家或不同厂商，为了列车的安全性和稳定性在设备上车运行之前需要对其进行符合协议标准的一致性测试。

目前国内大部分一致性测试系统采用手动或者半自动的方式对相关设备进行一致性测试，单个设备检测周期一般为1～2周，测试过程中存在大量的人机协调操作，人工操作也会引入一定的偶然误差。

针对当前阶段TCN设备一致性测试需求大、一致性测试周期长的情况，将自动化测试引入TCN一致性测试领域势在必行，通过自动化设计将极大地减少测试过程中的人员参与，将大量人机协调操作转变为自动化程序控制，减少偶然误差的引入，提高测试效率，压缩测试周期，以达到高效、快速、准确测试的目的。

文中将针对TCN一致性测试台的自动化实现进行详细介绍，主要包含自动测试平台的组成架构、自动化实现方法。

1 TCN一致性测试的主要内容

根据GB/T 28029.2-2011一致性测试标准规定，一致性测试分为静态测试和动态测试。静态一致性测试主要是对PICS（Protocol Implementation Conformance Statement，协议实现的一致性陈述）内容的回答，动态一致性测试通过对IUT（Implemen⁃tation Under Test，被测设备）施加激励，检测其在受控环境中的动态性能。

TCN一致性测试主要针对列车通信网络和车载设备的一致性测试，分为设备级一致性测试和车辆级一致性测试。设备级测试针对MVB设备、WTB设备、网关设备，主要测试相关设备的物理接口、数据链路层和实时协议；车辆级测试针对WTB车辆检测不同车辆之间的互联互通操作性。

目前TCN一致性测试多采用自动、半自动和手动结合的方式实现，测试过程中需要根据主控系统提示进行接换线、配置设备等操作，人员依赖性较大、对人机交互设计的要求很高，实际测试时测试人员需要在测试过程中阶段性地执行相关操作，因此十分有必要开发TCN一致性测试的自动化测试装置。

2 自动化测试实现

2.1 设计需求

按照标准GB/T 28029.2-2011要求，一致性测试由以下步骤组成：

（1）PICS编辑；

（2）PIXIT编辑；

（3）测试选择和参数确定；

（4）基本互连测试；

（5）能力测试；

（6）行为测试；

（7）测试结果的复核和分析；

（8）综合、结论及一致性测试报告的生成。

TCN一致性测试的基本执行流程如图1所示，PICS静态一致性测试是根据测试结果筛选需要进行的测试项，在执行测试过程中依据PIXIT对测试设备进行相关配置，并对测试结果进行分析判断。依据PICS信息、测试执行结果、测试结论等内容整合以形成TCN一致性测试报告。

图1 TCN一致性测试执行流程

半自动测试中静态测试和动态测试分离，动态测试相关测试项为人工依据静态测试进行判定，使得一致性测试整体流程不紧密，测试数据及结果未进行统一管理，后续一致性测试报告生成时需人工进行数据整合，因此设计一款测试管理软件进行测试数据记录管理和测试报告生成，这样可节省大量文本编写和数据管理时间。

此外现有动态一致性测试的实现方法多以手动和半自动方式为主，将万用表、LCR测试仪、矢量网络分析仪（VNA）、示波器、MVB陪试设备、WTB陪试设备、负载电路、衰减电阻和直流电源按照一致性协议规定的测试电路进行连接，按照要求对IUT和陪试设备进行配置，并对IUT反馈信号进行检测，在整个测试过程中需多次接换线和操作设备，以非预加重MVB 4类设备的一致性测试为例，整个测试过程共需切换测试电路42次，操作仪器对286个测试项点进行检测，平均每次电路切换耗时10 min左右，平均每个测试项点耗时2.5 min左右，考虑测试用例要求的测试持续时间，完成所有动态一致性测试需22 h左右。

考虑到完成测试涉及的测试仪器并未呈现多样性，主要以示波器和陪试设备为主，测试项主要对信号波形和信号报文进行测量和解析，因此可设计一款测试切换设备，将所有测试需要用到的测试仪器、线缆以及IUT连接起来，根据测试需要进行相关测试电路的匹配，并通过测试主机对测试仪器进行远程控制，实现波形采集、信号解析、数据上传、结果判断等工作，以此将切换电路和测试项点实现的人工操作减到最少，同时实现动态一致性测试全过程测试数据的集中管理，减少其中的人工干预。

2.2 整体实现方案

TCN一致性测试的自动化实现需要从软件系统和硬件系统2方面进行。

软件系统自动化实现主要由2方面构成：

（1）将静态一致性测试数据和动态一致性测试数据进行统一数据库管理，以实现筛选动态一致性测试项、测试报告自动生成的目的；

（2）将所有测试项点的测试操作通过测试主机远程控制测试设备，实现包括波形数据采集、波形指标分析、报文数据解析等功能。

因涉及测试项较多，为便于软件管理及维护，软件系统主要分为2个部分：测试管理软件和测试执行软件。测试管理软件主要实现静态一致性测试数据管理、动态一致性测试用例筛选、执行控制和测试报告生成；测试执行软件主要实现测试设备控制、测试用例实现和测试结果分析处理功能。在层次结构上，测试管理软件处于TCN一致性测试系统最上层，直接与用户进行交互，其下为测试执行软件，与硬件系统进行交互。

硬件系统自动化主要是由测试切换设备实现。实现方式为将测试仪器、负载电路、IUT连接起来，由系统提供控制接口，并根据测试需要进行电路匹配控制。由于测试仪器端口有限，在设计测试切换设备时需考虑端口复用的问题。电路匹配一般使用继电器切换来实现，其端口复用度越高，相关切换电路越复杂，继电器数量越多，电路匹配时测试电路上的无效电路分叉越多，引入的测试误差越大。为了降低测试误差，提升测试精度，按照总线类型不同、通信介质不同、被测设备不同，将测试切换设备分为WTB测试切换设备、MVB测试切换设备，其中MVB类测试切换设备又将中继器测试单独独立出来，设计专用的测试接口。此外矢量网络分析仪相关测试用例对外部信号、阻抗匹配高度敏感，需将其独立出来，专门设计相关测试切换设备。

同时，对于测试过程中需要用到的负载电路、衰减电路、直流电压源等，为减小接口及线缆引入的误差，减少外部接口数量，将上述器件集成设计到测试切换设备内，通过继电器切换进行使用。

综上，TCN一致性测试自动化系统架构框图如图2所示，测试管理软件处于系统最上层，与测试执行软件进行交互，实现测试管理和数据管理功能，测试执行软件处于系统中间层，主要用于测试项的具体实现和结果判断，其直接与测试仪器进行交互。

图2 TCN一致性测试自动化实现方案框图

2.3 硬件系统关键技术

TCN一致性自动化测试硬件系统的关键技术为测试切换设备的实现。根据设计系统方案，设计难点主要有阻抗匹配问题和串扰隔离问题，根据整体方案设计，测试切换设备分为MVB测试切换设备、WTB测试切换设备、矢网测试切换设备，其中矢网测试切换设备的实现难度最高。下面将就此对测试切换设备的实现进行介绍。

由于矢量网络分析仪的特性阻抗为50Ω，而MVB和WTB通信介质的特性阻抗为120Ω，若不进行阻抗匹配转换，在使用矢量网络分析仪进行插入损失测试时，IUT实际插入损失将淹没在测试设备阻抗不匹配所导致的插入损失内，因此需要进行阻抗转换设计。此外，矢量网络分析仪输出是单端线路，IUT是差分线路，还需要进行单端转差分设计，经过调研可使用巴伦进行阻抗匹配和单端转差分，原理如图3所示。

图3 矢网测试切换设备阻抗匹配原理图

由于连接矢量网络分析仪、矢网测试切换设备及连接矢网测试切换设备和IUT的测试线缆也会引入测试误差，所以为了提高测试精度，在进行测试之前需进行校准，为了校准方便将相关校准电路设计到矢网测试切换设备中，通过程序控制实现自动化校准。矢网测试切换设备切换原理图如图4所示。

图4 矢网测试切换设备切换原理框图

2.4 软件系统关键技术

TCN一致性自动化测试软件系统的关键技术为上位机测试控制软件的实现。根据系统设计方案，软件系统的层次架构设计如图5所示，测试管理软件构成人机交互层，功能为测试用例管理、参数配置管理、测试执行控制、测试报告管理。测试执行软件分为两层：通用库层和测试用例层，通用库层由通信库（上下位机通信）、设备库（测试设备控制）、过程库（测试结果判断、过程文件处理）、算法库（波形处理算法）组成；测试用例层由MVB测试用例和WTB测试用例组成，测试执行软件以exe的形式为测试管理软件调用，两者之间的通信逻辑如图6所示。

图5 软件系统架构

图6 软件通信逻辑关系图

测试管理软件的软件架构如图7所示，软件引入功能定义，一个功能对应一个IUT，每个IUT均建立一个工程，所有测试相关文件数据均存储在对应的工程文件夹内，软件启动后进入工程配置页面。先选择IUT的总线类型，其后根据选择的总线类型跳转到向导配置页面，此页面对应一致性测试过程中的静态一致性测试，可以根据IUT的PICS信息进行相关配置，配置完成后系统自动跳转至测试用例筛选页面，显示IUT对应的动态一致性测试用例，确认后跳转至报告信息配置页面，此页面是填写一致性测试报告生成需要的相关信息，确认后至主界面开始执行动态一致性测试。

图7 测试管理软件层次架构

若有PIXIT信息需要设置，可在主界面菜单栏的过程和标准参数配置页面进行配置，软件将自动对陪试设备进行设置，使之建立动态一致性测试需要的配置文件。开始测试后测试管理软件将根据总线类型调用测试执行软件的exe文件，并按照筛选的测试用例执行通信逻辑以完成动态一致性测试。测试过程中的所有原始数据及测试结果均保存在数据库中，测试完成后可根据需要调用数据库数据及原始图片，生成测试报告及相关记录文件。

3 效果与结论

TCN一致性自动化测试系统的核心设计理念是根据一致性测试标准通过程序，控制测试切换设备实现电路匹配，将测试设备和IUT组成规定的测试电路，根据测试项点对测试设备进行程控，以完成各测试项点参数的监测。

以“非预加重重载测试电路下传输过程中信号波形的测量”为例，一致性测试标准要求对最大幅值、稳态幅值、稳态幅值差、信号上升或下降速率、抖动、最大幅值与稳态幅值比等测试项进行测量，每个测试项需要进行信号触发、波形定位、测试点定位、图片存储。全自动化测试实现了软件及硬件匹配后各个测试项点的快速、准确、便捷的测试过程，并实现了现场直接出具报告的功能。

经过对比，GB/T 28029.2-2011规定的MVB和WTB动态一致性测试项均可以自动化实现，具体测试用例组成见表1、表2。

表1 MVB测试用例组成

表2 WTB测试用例组成

TCN一致性测试自动化实现后，测试电路切换和测试仪器操作均由程序控制实现，减少了人机交互操作，降低了测试成本和测试周期，同时将文本编辑工作交给软件实现。

TCN一致性测试的物理层测试对于信号波形、电阻、电感、插入损耗、特性阻抗等物理参数的测试精度均有较高的要求，通过对同一IUT自动测试和手动测试的结果对比，自动测试结果相对手动测试结果偏差降低约为3%～5%，提高了TCN一致性测试的准确性，降低了人为因素的干扰。

综上所述，TCN网络通信一致性测试的自动化实现将极大提高测试效率，降低测试成本，提高测试精度，对TCN一致性测试领域的发展具有重大意义。