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一、引言
测试是信号设备维护工作的重要内容之一，通过测试，可掌握和分析设备运行状态，指导维护工作，预防设备故障，保证设备正常运用。测试分为Ⅰ级测试、Ⅱ级测试和动态检测。I级测试多为日常性测试，测试内容多，且周期较为频密。虽车站及区段安装了微机监测设备，但未纳入微机监测的如工作压力、绝缘电阻、动作时间等及日常测试项目仍需要人工完成。考虑到特性分析和微机监测精度的校验，也仍时常需要进行人工测试。目前人工完成的测试结果由纸质表格保存，部分数据根据原始记录录入微机保存。这种现状降低了信息的实用性，增加了工区进行分析汇报的难度，不利用车间、段一级单位及时掌握设备状况，也不适应提高设备基础数据的真实、有效性，促使技术管理精细化的电务管理要求。
从现今研究的情况来看，在铁路行业中，国、内外的铁路设备维护部门尚未发现有使用自动化电气测试设备对电务Ⅰ、Ⅱ级测试的应用报道。近年来，嵌入式产品已经深入到工业生产以及人们的日常生活中。在嵌入式的研发以及嵌入式产品的应用中,嵌入式系统与PC机系统之间的联系越来越密切。本课题方案为：设计多功能电务测试仪，满足电务Ⅰ、Ⅱ级测试要求，自动完成电压、电流、频率、绝缘电阻等参数的测试、采集及存储，替代人工测试的现场记录设备。设计与微机监测系统相适应的数据表及上位机软件，可将现场记录设备测试的数据从多功能电务测试仪中导入到数据表中。
二、测试仪系统设计
（一）测试仪采集量分析
本系统为通用铁路信号的自动测试仪，主要是对铁路上的一些通用信号进行分析和测试。所以我们有必要对要采集的信号进行一些分析，所要测的信号量就是电压或电流量，像频率信号、角度信号等，其测量最终还是测电信号量，我们对信号的采集主要考虑的是量程和频率等因素，以下列出铁路上的一些具有代表性的信号量和量程范围，具体如表1。
由表1分析可知，铁路通用信号的测量主要就是对电流、电压、频率等进行测量，从通用信号的角度考虑主要就是量程和频率上有所不同的一些电信号量。
（二）测试仪的设计方案
由采集信号的特性和系统功能的要求，系统不仅便携方便，而且功能强大，通过关键技术的分析和反复论证，按照系统集成的经典理论，本文提出了"主板集成测试系统"的设计方案。系统分为基于DSP芯片TMS320F2812的测试系统和基于VRS51L3074的主板两大部分。系统的原理框图如图1所示。前端采集部分由DSP芯片TMS320F2812作为主控制器主要负责信号采集，基于VRS51L3074的主板部分是本系统的核心，负责实现系统的绝大多数功能，两部分之间通过RS232串口进行通信和调度。
系统的总体逻辑流程是，首先，系统上电，前端采集部分单片机等待VRS51L3074主板发送的采集路数控制信息，当VRS51L3074主板发出命令后随即启动等待读取双口RAM中的数据，同时前端板由于双口RAM的中断信号得知应读取双口RAM中的命令并根据命令进行相应设置，然后进行信号采集、户以D转换和把数据存入双口RAM，当存储到一定量时对主板产生中断信号，最后主板随即读取双口RAM相应数据并进行存储和相应处理、显示等操作。
三、基于VRS51L3074的主板设计
（一）测试系统硬件设计
硬件平台是系统软件平台的运行基础，硬件平台设计的好坏直接关系到整个系统性能的高低，本部分硬件结构图如图2所示。
主要包括VRS51L3074处理器模块、电源模块、复位电路模块、SD卡存储模块、RS-232串口模块（实现计算机通信）、RS-232串口模块（实现与基于DSP的测试系统通信）、LCD和键盘模块等。
（二）软件设计
程序设计采用模块化设计思想，根据功能设计多个功能模块，这种设计便于日后程序软件的修改、升级。
由于电务电气参数测试仪所需记录测量对象的参数纷繁复杂，为了便于解决灵活的设备菜单配置，我们需要对设备菜单进行灵活配置。所以在规划时要解决几个问题：一是设置16点阵的全汉字字库，二是LCD菜单制作及显示显示；三是PC机对设备菜单的描述，测试仪对设备菜单的描述以及描述他们之间的转换关系；四是如何保障测量参数的准确性；根据这些问题，共设计了以下几个模块。
四、核心算法
核心算法是测试系统的灵魂，一套好的算法，可以极大地提高测试系统的性能。本系统充分利用计算机的数据分析处理功能，采用先进的谱分析算法。测量速度快,测量精度高.测量速度可比现有系统快40%的速度。对幅度测量可达1%，载频达0.01Hz，低频0.001Hz，各种阻抗精度1%。
（一）基于FFT和CZT联合的幅频算法
线性调频Z 变换(Chirp Z- transform, CZT) 是由傅立叶变换导出的一种频谱分析方法, 它的结果等价于离散时间傅立叶变换(DFT) 在部分频带上的频谱等间隔取样, 可见该算法可对信号带宽中的部分频带进行高频率分辨率的频谱细化分析, 这就使得CZT 具有直接、快速、经济的特点。FFT 是常规的频率快速计算方法。
FFT变换式：
式中 。是移频信号，是叠加噪声，为计算窗长。
CZT变换式： =0,1,…,
式中，=0,1,2,…,,为任意整数，为起始点位置，可用半径角和相角来表示 ，参数可表达为，为频率采样点之间的等分角。
（二）优化的双线性极大值匹配法测频技术
在信号经 变换的功率谱 中寻找最大值点以及与相邻两点中幅值较大的点 ，则存在下列关系式：
使用"二分法"或"弦截法"在和之间寻找到一点 使近似为零，则此时 ，便是所估计的正弦频率。双线极大值匹配法利用了 FFT 谱的两条谱线，通过幅度比的逐次比较，实现频率估计，该方法在增加计算量不多的情况下，估计误差要远远小于FFT 算法，是比较理想的频率估计方法。
参考文献：
[1]刘淼.嵌入式系统接口设计与Linux驱动程序开发[J].北京航空航天大学出版社.
[2]张硕.基于ARM9的通用铁路信号测试系统的研究[M].硕士论文.北京交通大学,2009,(6):18.
[3]张有为,王永红,刘铁铭.基于双口RAM的双CPU控制系统设计[J].微计算机信息.2005,21,(1):30-31.
[4]孙春梅.铁路信号微机监测系统技术条件(暂行),2006.
[5]余少华.双单片机数据采集系统中TcP/IP网络模块的实现[M].自动化仪表,2005.(9):11-13.
测试是信号设备维护工作的重要内容之一，通过测试，可掌握和分析设备运行状态，指导维护工作，预防设备故障，保证设备正常运用。测试分为Ⅰ级测试、Ⅱ级测试和动态检测。I级测试多为日常性测试，测试内容多，且周期较为频密。虽车站及区段安装了微机监测设备，但未纳入微机监测的如工作压力、绝缘电阻、动作时间等及日常测试项目仍需要人工完成。考虑到特性分析和微机监测精度的校验，也仍时常需要进行人工测试。目前人工完成的测试结果由纸质表格保存，部分数据根据原始记录录入微机保存。这种现状降低了信息的实用性，增加了工区进行分析汇报的难度，不利用车间、段一级单位及时掌握设备状况，也不适应提高设备基础数据的真实、有效性，促使技术管理精细化的电务管理要求。
从现今研究的情况来看，在铁路行业中，国、内外的铁路设备维护部门尚未发现有使用自动化电气测试设备对电务Ⅰ、Ⅱ级测试的应用报道。近年来，嵌入式产品已经深入到工业生产以及人们的日常生活中。在嵌入式的研发以及嵌入式产品的应用中,嵌入式系统与PC机系统之间的联系越来越密切。本课题方案为：设计多功能电务测试仪，满足电务Ⅰ、Ⅱ级测试要求，自动完成电压、电流、频率、绝缘电阻等参数的测试、采集及存储，替代人工测试的现场记录设备。设计与微机监测系统相适应的数据表及上位机软件，可将现场记录设备测试的数据从多功能电务测试仪中导入到数据表中。
二、测试仪系统设计
（一）测试仪采集量分析
本系统为通用铁路信号的自动测试仪，主要是对铁路上的一些通用信号进行分析和测试。所以我们有必要对要采集的信号进行一些分析，所要测的信号量就是电压或电流量，像频率信号、角度信号等，其测量最终还是测电信号量，我们对信号的采集主要考虑的是量程和频率等因素，以下列出铁路上的一些具有代表性的信号量和量程范围，具体如表1。
由表1分析可知，铁路通用信号的测量主要就是对电流、电压、频率等进行测量，从通用信号的角度考虑主要就是量程和频率上有所不同的一些电信号量。
（二）测试仪的设计方案
由采集信号的特性和系统功能的要求，系统不仅便携方便，而且功能强大，通过关键技术的分析和反复论证，按照系统集成的经典理论，本文提出了"主板集成测试系统"的设计方案。系统分为基于DSP芯片TMS320F2812的测试系统和基于VRS51L3074的主板两大部分。系统的原理框图如图1所示。前端采集部分由DSP芯片TMS320F2812作为主控制器主要负责信号采集，基于VRS51L3074的主板部分是本系统的核心，负责实现系统的绝大多数功能，两部分之间通过RS232串口进行通信和调度。
系统的总体逻辑流程是，首先，系统上电，前端采集部分单片机等待VRS51L3074主板发送的采集路数控制信息，当VRS51L3074主板发出命令后随即启动等待读取双口RAM中的数据，同时前端板由于双口RAM的中断信号得知应读取双口RAM中的命令并根据命令进行相应设置，然后进行信号采集、户以D转换和把数据存入双口RAM，当存储到一定量时对主板产生中断信号，最后主板随即读取双口RAM相应数据并进行存储和相应处理、显示等操作。
三、基于VRS51L3074的主板设计
（一）测试系统硬件设计
硬件平台是系统软件平台的运行基础，硬件平台设计的好坏直接关系到整个系统性能的高低，本部分硬件结构图如图2所示。
主要包括VRS51L3074处理器模块、电源模块、复位电路模块、SD卡存储模块、RS-232串口模块（实现计算机通信）、RS-232串口模块（实现与基于DSP的测试系统通信）、LCD和键盘模块等。
（二）软件设计
程序设计采用模块化设计思想，根据功能设计多个功能模块，这种设计便于日后程序软件的修改、升级。
由于电务电气参数测试仪所需记录测量对象的参数纷繁复杂，为了便于解决灵活的设备菜单配置，我们需要对设备菜单进行灵活配置。所以在规划时要解决几个问题：一是设置16点阵的全汉字字库，二是LCD菜单制作及显示显示；三是PC机对设备菜单的描述，测试仪对设备菜单的描述以及描述他们之间的转换关系；四是如何保障测量参数的准确性；根据这些问题，共设计了以下几个模块。
四、核心算法
核心算法是测试系统的灵魂，一套好的算法，可以极大地提高测试系统的性能。本系统充分利用计算机的数据分析处理功能，采用先进的谱分析算法。测量速度快,测量精度高.测量速度可比现有系统快40%的速度。对幅度测量可达1%，载频达0.01Hz，低频0.001Hz，各种阻抗精度1%。
（一）基于FFT和CZT联合的幅频算法
线性调频Z 变换(Chirp Z- transform, CZT) 是由傅立叶变换导出的一种频谱分析方法, 它的结果等价于离散时间傅立叶变换(DFT) 在部分频带上的频谱等间隔取样, 可见该算法可对信号带宽中的部分频带进行高频率分辨率的频谱细化分析, 这就使得CZT 具有直接、快速、经济的特点。FFT 是常规的频率快速计算方法。
FFT变换式：
式中 。是移频信号，是叠加噪声，为计算窗长。
CZT变换式： =0,1,…,
式中，=0,1,2,…,,为任意整数，为起始点位置，可用半径角和相角来表示 ，参数可表达为，为频率采样点之间的等分角。
（二）优化的双线性极大值匹配法测频技术
在信号经 变换的功率谱 中寻找最大值点以及与相邻两点中幅值较大的点 ，则存在下列关系式：
使用"二分法"或"弦截法"在和之间寻找到一点 使近似为零，则此时 ，便是所估计的正弦频率。双线极大值匹配法利用了 FFT 谱的两条谱线，通过幅度比的逐次比较，实现频率估计，该方法在增加计算量不多的情况下，估计误差要远远小于FFT 算法，是比较理想的频率估计方法。
参考文献：
[1]刘淼.嵌入式系统接口设计与Linux驱动程序开发[J].北京航空航天大学出版社.
[2]张硕.基于ARM9的通用铁路信号测试系统的研究[M].硕士论文.北京交通大学,2009,(6):18.
[3]张有为,王永红,刘铁铭.基于双口RAM的双CPU控制系统设计[J].微计算机信息.2005,21,(1):30-31.
[4]孙春梅.铁路信号微机监测系统技术条件(暂行),2006.
[5]余少华.双单片机数据采集系统中TcP/IP网络模块的实现[M].自动化仪表,2005.(9):11-13.