摘要：針對鐵路安全計算機，根據板級測試的基本原則，結合計算機輔助測試技術，構建安全計算機板級測試平臺，解決了電源可靠受控，測試激勵信號控制的問題，根據主要的板級軟件測試流程，設計并實現了綜合板級測試系統。該系統已獲得實際應用，實踐證明該系統穩定可靠，可以實現對多類型板級測試的目的，并且有效檢測出電路設計中的錯誤，大大提高了產品出廠的測試效率。
關鍵詞：安全計算機；板級測試；計算機輔助測試；測試系統
0 引言
在基于通信的列車控制(CBTC)系統中，區域控制器(ZC)和數據庫存儲單元(DSU)采用了基于2取2乘2結構的安全計算機。2乘2結構安全計算機通過硬件的容錯、安全結構設計和與其配合的平臺軟件來實現安全相關功能，主要包括基于商用貨架產品(COTS)工控機構成的主處理單元和通信控制器，基于COTS以太網交換機構成的內部通信網絡以及自主研發容錯和安全管理單元(FTSM)等組成部分。FTSM是安全計算機的核心，主要由安全電源板、輸入輸出板、通信板、邏輯板、3U組件、繼電器組件、AC 220 V-DC 12 V電源組件等組成。
對電子設備而言，測試是其系統功能、性能、可靠性和安全性等指標的重要保障，也是正常運營過程中維護的重要手段。在各種測試中，板級測試是最基本的，主要完成電路板和組件能否正常工作的基本測試。在很多情形下，系統組成復雜，完整功能需要所有的電路板和組件一起配合才能完成，如果不對電路板和組件進行完善的板級測試，而僅靠整機測試則不可能發現所有的設計、加工、生產等過程所產生的缺陷。
實現安全計算機的板級測試主要是針對FTSM進行。邏輯板、輸入輸出板和通信板電路復雜，宜采用計算機全自動測試。而安全電源板、3U組件、繼電器組件、AC 220 V-DC 12 V電源組件相對簡單，且需要測試電壓、電流、指示燈是否點亮、亮度是否一致等指標，宜采用人工參與的計算機輔助半自動測試。
1 安全計算機板級測試系統設計
1．1 系統總體結構
板級測試可能用于研發、生產、運營維護等過程，安全計算機板級測試系統(以下簡稱該系統)需要解決兩個主要問題：
(1)只有測試時才向待測電路板或組件提供受控電源，插拔待測電路板或組件之前能夠停止向待測電路板供電，以準確對上電時刻的待測電路板或組件進行測試，并消除帶電插拔可能對測試結果造成的影響。
(2)只有測試時才向待測電路板或組件提供測試激勵信號，插拔待測電路板或組件時不向待測電路板輸出測試激勵信號；同時也要確保測試輸出信號的采集不會對待測電路板或組件造成不良影響。
該系統結構如圖1所示。其中測試上位機采用配置主流操作系統的普通PC機，內置3塊COTS數據采集卡(Data Acquisition Card，DAC)，運行基于高級語言開發的測試軟件。
測試控制器與DAC連接，主要完成測試待測電路板所需的測試激勵信號和對測試輸出信號進行電平變換，同時提供待測電路板和電平變換電路所需的各種受控電源，測試控制器使用AC 220 V電源。由于測試邏輯板、輸入／輸出板需要的輸入激勵信號和測試輸出信號較多，因此設置測試控制器1用于對邏輯板、輸入／輸出板的測試，測試控制器1需要同時與2塊DAC連接。另外，設置測試控制器2用于測試其他的電路板和組件，測試控制器2需要與另外1塊DAC連接。測試控制器和有源測試插箱背板確保解決前述的兩個問題。
安全計算機FTSM的安全電源板、輸入／輸出板、通信板及邏輯板安裝于標準的歐式插箱中，為了測試方便，在安全計算機板級測試系統設置了同樣的測試插箱。但與安全計算機FTSM插箱不同，測試插箱中不同種類的電路板具備不同的插箱背板。其中，安全電源板、輸入／輸出板、邏輯板的測試插箱背板為只包括連接電路板、電源、測試激勵信號和測試輸出信號接插件的無源測試插箱背板，通信板的測試插箱背板為有源測試插箱背板，除接插件外還包括總線測試單元和其他邏輯電路。3U組件、繼電器組件、AC 220 V-DC 12 V電源組件則直接與測試控制器2連接。
需要指出，對通信板進行測試時，測試控制器2只控制其供電電源，通信板運行測試程序，與其有源測試插箱背板配合完成測試，測試結果通過以太網發送給上位機測試軟件。對邏輯板進行測試時，其FPGA為測試專用版本，通過對特定的測試激勵信號產生特定的測試輸出來完成對邏輯板的板級測試。
1．2 系統硬件設計
測試控制器1的原理框圖如2所示，對應于輸入／輸出板測試，主要包括電源控制、按鈕輸入信號轉換、動態信號轉換、輸出通道激勵信號轉換、輸入通道測試反饋、輸出通道測試反饋等模塊。對應于邏輯板測試，主要包括電源控制、測試激勵信號轉換、測試反饋信號轉換和雙向數據信號防護等模塊。
雙向數據信號防護模塊的原理框圖如圖3所示。邏輯板為ISA總線從設備，ISA總線的8位數據總線為雙向總線，其讀、寫信號不能同時為低。而對于數據采集卡而言，其輸入數據和輸出數據只能分開設置，因此設置該模塊完成讀、寫信號同時為低保護邏輯。當數據采集卡輸出的讀、寫信號同時為低時，該單元輸出的ISA總線讀信號強制為高，只要讀、寫信號不同時為低，該單元輸出的ISA總線讀信號為直通邏輯。同時通過設置輸入緩沖和輸出緩沖單元，8位測試激勵數據只有在該單元輸出的ISA總線讀信號為低時由輸入緩沖單元輸出到ISA總線上，否則輸出緩沖單元將其輸出置成三態而不影響對寫信號的測試。
測試控制器2的原理框圖如圖4所示，對應于3U組件測試，主要包括電源控制、輸入信號轉換、輸出信號轉換等模塊。對應于AC 220 V-DC 12 V電源組件和通信板測試，主要包括電源控制模塊。對應于安全電源板和繼電器組件測試，主要包括電源控制、輸入信號轉換等模塊。
需要指出的是DAC輸入、輸出信號(即測試激勵信號、測試輸出信號，TTL／CMOS電平信號)首先需要進行電平緩沖，其電源優選來自于數據采集卡輸出電源。該電路也可用于測試控制器和待測電路板之間的電平緩沖。
電源控制電路包括AC-DC電源、電子開關和電源保護等功能單元。AC-DC電源單元提供測試控制器、測試插箱背板和待測電路板的工作電源。電子開關單元負責控制上述工作電源的導通與斷開。電源保護單元用于當測試插箱背板和待測電路板出現故障而導致過壓、過流、過熱等異常情況時，保護AC-DC電源、電子開關免于損害。
測試激勵信號控制單元包括光電隔離子單元以及電平緩沖與變換子單元，其電源為所述電源控制單元提供的受控電源。
測試輸出信號控制電路包括光電隔離和光電隔離驅動模塊。光電隔離模塊使用光電耦合器或光電繼電器實現，用于數據采集卡及其輸出緩沖與測試控制器之間的隔離控制。通過調整光電隔離驅動模塊路參數來適應不同電平的輸出信號。
1．3 系統軟件結構
測試軟件結構框圖如圖5所示，測試軟件采用可視化操作界面，操作者只需選擇所要測的板卡，然后開始一系列的測試內容，顯示測試結果，同時具備數據記錄功能，將需要記錄的測試結果保存。
數據采集卡及電路板選擇界面部分：根據測試需要選擇相應的測試數據采集卡以及測試電路板或組件選擇，從而打開相應的測試標簽。
測試案例選擇及操作界面部分：不同的電路板或組件測試對應不同的案例選擇及操作，如輸入／輸出板測試分為輸入測試及輸出測試，如圖6所示，3U組件測試分為按鈕測試及指示燈測試，并且在相應的測試中設計人工參與的部分對應有測試人員操作界面。
測試界面部分：包含運行狀態顯示，如3U面板的指示燈動態顯示；測試狀態動態顯示測試結果，輸入／輸出板的測試界面顯示如圖7所示；產品序列號輸入界面，保存測試結果。
2 結語
該測試系統已成功應用于實際工程項目中的安全計算機的研發和定型生產過程，通過使用該系統，準確、高效地測試了安全計算機FTSM的各種電路板和組件。在測試過程中成功發現了設計問題及產品生產、加工問題，比如在邏輯板測試中，測試結果中出現兩對測試端口出現交叉錯誤，從而成功發現原理設計圖中端口命名的錯誤，為修正電路設計提供依據。該測試系統不僅能夠幫助研發人員更好地開展研發工作，也能進行工廠測試和出廠檢驗，同時能提供給用戶進行日常維修測試之用，也能供其他控制系統借鑒，具有很廣泛的實際意義。