1553B總線電纜網(wǎng)絡(luò)波形特性測試方法研究

　　1 引言

　　MIL-STD-1553B總線(以下簡稱1553B總線)為當(dāng)前航電設(shè)備的首選通訊總線，其地位日益突出，素有“一網(wǎng)蓋三軍”之說，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于飛機、衛(wèi)星、火箭、導(dǎo)彈、艦船以及特種車輛等領(lǐng)域。1553B通訊系統(tǒng)的各個節(jié)點計算機通過1553B總線電纜網(wǎng)絡(luò)進行互聯(lián)，為了保障通訊的可靠性，必須對1553B電纜網(wǎng)絡(luò)進行嚴(yán)格的測試，測試項目分為定性測試和定量測試兩大類。長期以來，如何對1553B電纜網(wǎng)絡(luò)進行全面有效的測試是一個非常重要的研究課題，本文所研究的1553B電纜網(wǎng)絡(luò)波形過零點畸變、波形畸變以及波形對稱性等波形特性測試屬于定量測試的范疇[1]。

　　本文所研究的電纜測試方法只針對于采用變壓器耦合方式的1553B電纜網(wǎng)絡(luò)，對采用直接耦合方式的1553B電纜網(wǎng)絡(luò)不適應(yīng)。

　　2 測試原理

　　GJB5186.5-2004對1553B總線電纜網(wǎng)絡(luò)的測試進行了標(biāo)準(zhǔn)化，參考該標(biāo)準(zhǔn)，本節(jié)將對采用變壓器耦合方式的1553B電纜網(wǎng)絡(luò)的波形過零點畸變、波形畸變以及波形對稱性等三項特性的測試原理進行闡述。

　　2.1 波形過零點畸變特性測量原理

　　1553B總線電纜網(wǎng)絡(luò)的波形過零點畸變特性(用Zcross表示)衡量的是標(biāo)準(zhǔn)的1553B激勵信號經(jīng)過1553B總線電纜網(wǎng)絡(luò)后的波形的任意兩個相鄰過零點的實測時間間隔值相對于理想過零點間隔值的偏差程度[2]。理想情況下，1553B波形信號只有2.0us、1.5us、1.0us和0.5us四種過零點間隔值[2,3,4]。

　　波形過零點畸變特性的測試原理為：首先利用信號激勵源逐個向被測的1553B總線電纜網(wǎng)絡(luò)的各個端點加載峰峰值電壓為27.0V、上升沿和下降沿時間范圍為300±30ns、包含有2.0us、1.5us、1.0us和0.5us四種過零點間隔、過零點偏差絕對值小于10ns的1553B激勵信號，然后逐個選擇1553B總線電纜網(wǎng)絡(luò)的其它端點作為測量點，利用采樣率不低于1G/s的信號采集設(shè)備(如高精度示波器)進行測量，分別記錄各端點的過零點間隔值，再與理想的過零點間隔值進行比較，計算出過零點偏差值。

　　根據(jù)GJB5186.5-2004的規(guī)定，零點偏差的絕對值需不大于125ns[2]，若實測值全部位于此范圍以內(nèi)，則判定被測電纜的波形過零點畸變特性合格，否則，判定為不合格。

　　2.2 波形畸變特性測量原理

　　1553B總線電纜網(wǎng)絡(luò)的波形畸變特性(用Vmin表示)衡量的是標(biāo)準(zhǔn)的1553B激勵信號經(jīng)過1553B總線電纜網(wǎng)絡(luò)后的每一數(shù)據(jù)位或同步頭的正或負(fù)波形電平值與最小門限電平的偏差程度[2,3]，其具體定義如圖1所示。

　　波形畸變特性的測試原理為：首先利用信號激勵源逐個向被測總線網(wǎng)絡(luò)各個端點加載峰峰值電壓為18.0V、波形畸變峰值不大于90mV、上升沿和下降沿時間范圍為100±20ns、消息指令字的奇校驗位和數(shù)據(jù)字的最高位數(shù)值均應(yīng)為‘1’的1553B激勵信號，然后逐個選擇1553B總線電纜網(wǎng)絡(luò)的其它端點作為測量點，利用幅度分辨率不大于1mV的信號采集設(shè)備進行測量，分別記錄各端點數(shù)據(jù)位或同步頭波形的正或負(fù)波形電平值。

　　根據(jù)GJB5186.5-2004的規(guī)定，數(shù)據(jù)位或同步頭波形的正或負(fù)波形電平值應(yīng)該大于660mV[2]，若實測值全部位于此范圍以內(nèi)，則判定被測電纜的波形畸變特性合格，否則，判定為不合格。

　　圖1 1553B總線電纜網(wǎng)絡(luò)波形畸變特性Vmin示意圖

　　2.3 波形對稱特性測量原理

　　1553B總線電纜網(wǎng)絡(luò)的波形對稱特性(用RtZero表示)衡量的是標(biāo)準(zhǔn)的1553B激勵信號經(jīng)過1553B總線電纜網(wǎng)絡(luò)后波形尾部殘余電壓與標(biāo)準(zhǔn)最小電壓閾值的偏差程度[2]，實際測量的是1553B消息最后一個數(shù)據(jù)字奇偶校驗位的中間過零點時刻后的2.5us時刻的電壓幅度[2,3]，其具體定義如圖2所示。

　　波形對稱特性的測試原理為：首先利用信號激勵源逐個向被測總線網(wǎng)絡(luò)各個端點加載尾部殘余電壓小于25mV、峰峰值電壓為27.0V、每個消息帶有32個數(shù)據(jù)字而且消息間的最小間隔為1ms、消息中各個數(shù)據(jù)字具有相同的位模式(0x8000、0x7FFF、0x0、0x5555、0xAAAA、0xFFFF)的1553B激勵信號，然后逐個選擇1553B總線電纜網(wǎng)絡(luò)的其它端點作為測量點，利用幅度分辨率不大于0.1mV的信號采集設(shè)備進行測量，分別記錄各端點1553B消息最后一個數(shù)據(jù)字奇偶校驗位的中間過零點開始2.5us時刻的電壓幅度值。

　　圖2 1553B總線電纜網(wǎng)絡(luò)波形對稱性RtZero示意圖

　　3 測試硬件環(huán)境設(shè)計

　　根據(jù)上節(jié)對1553B電纜網(wǎng)絡(luò)的波形過零點畸變、波形畸變以及波形對稱性等三項特性的測試原理的分析，我們可以設(shè)計出自動測試設(shè)備硬件環(huán)境，其中主要的硬件設(shè)備需包括：主控計算機、可編程高精度數(shù)字示波器(USB接口)、可編程1553B激勵信號源(PCI接口)以及可編程通道切換矩陣(RS232接口)，硬件連接關(guān)系如圖3所示。

　　圖3 1553B電纜測試設(shè)備硬件環(huán)境結(jié)構(gòu)如圖

　　? 主控計算機主要用于運行專用測試軟件，通過計算機的外設(shè)接口(PCI、USB、RS232)控制其它設(shè)備按照測試流程完成相關(guān)操作，主控計算機可選用工控機。

　　? 可編程高精度數(shù)字示波器主要用于采集被測總線網(wǎng)絡(luò)上的1553B波形信號，然后通過USB接口把波形數(shù)據(jù)上傳到主控計算進行處理分析。根據(jù)波形測試對數(shù)據(jù)采集模塊的精度要求，示波器至少具有4個測量通道、350 MHz帶寬、2.5 GS/s的采樣率、8位垂直分辨率、10M點的最大記錄長度，此外還需具有程控接口函數(shù)以供專用軟件調(diào)用。

　　? 可編程1553B數(shù)據(jù)信號源用于產(chǎn)生各種測試需要的1553B激勵信號，根據(jù)波形測試對激勵信號的要求，可選用歐比特公司的EMBC1000-PCI1553BEI測試板卡，其通過PCI接口同計算機通訊，可模擬BC、RT、BM三種終端，可注入通訊錯誤，同時還提供API函數(shù)可供專用軟件調(diào)用[5]。

　　? 可編程通道切換矩陣模塊用于實現(xiàn)信號調(diào)理、測試通道的動態(tài)切換，一方面可以便將激勵信號逐個加載到被測電纜各個端口，另一方面可示波器的測試差分探頭連接到采集端口。為了保障信號的完整性，要求切換矩陣自身的導(dǎo)通電阻小于50毫歐，開關(guān)動作時間小于400ns。該模塊的主控CPU將采用歐比特公司的S698P4四核處理器芯片，該芯片基于SPARC V8指令，具有豐富的片內(nèi)外設(shè)，綜合處理能力可達1000MIPS/400MFLOPS[6,7]，可以滿足可編程通道切換矩陣模塊的對接口、實時性以及處理能力的要求。

　　? 1553B電纜網(wǎng)絡(luò)測試接口用于連接被測電纜，選用航天V級接插件，可將引入的接觸阻抗降至最低程度。

　　4 測試軟件設(shè)計

　　基于上節(jié)對測試硬件環(huán)境設(shè)計描述，本節(jié)主要闡述自動化測試流程設(shè)計、軟件流程設(shè)計、軟件算法設(shè)計等。

　　4.1 自動化測試總體流程

　　本節(jié)以測試一套含有n(n<33)個短截線端點的1553B總線電纜網(wǎng)絡(luò)為例，說明波形過零點畸變、波形畸變以及波形對稱性特性的自動化測試總體流程，具體如圖4所示。

　　圖4 1553B總線電纜網(wǎng)絡(luò)波形特性的自動化測試總體流程

　　4.2 軟件操作流程

　　測試軟件基于Windows XP/2000等操作系統(tǒng)進行開發(fā)。軟件采用模塊化設(shè)計，包括用戶管理模塊、系統(tǒng)配置模塊、波形過零點畸變測試模塊、波形畸變測試模塊、波形對稱性測試模塊以及系統(tǒng)在線幫助模塊。其中波形過零點畸變測試模塊、波形畸變測試模塊以及波形對稱性測試模塊的軟件流程基本一致，具體如圖5所示。

　　圖5 波形特性測試軟件流程圖

　　4.3 專用算法設(shè)計

　　專用算法是自動化測試軟件系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵，關(guān)系到整個測試系統(tǒng)的測試精度以及系統(tǒng)穩(wěn)定性。波形過零點畸變、波形畸變以及波形對稱性的測試內(nèi)容各不相同，處理算法也要有針對性的進行設(shè)計。

　　(一)波形過零點畸變分析算法

　　波形過零點畸變值是通過分析采集到的1553B信號波形數(shù)據(jù)得到。根據(jù)GJB5186.5-2004中規(guī)定的精度要求，將示波器設(shè)置為(4us/div、采樣深度10M點)檔位，根據(jù)示波器的當(dāng)前采樣率(Sa=2.5G S/s)，可以計算出相鄰兩個采樣點之間的時間間隔(單位秒)，具體如式1所示。

　　Tn = 1/Sa = 1/(2.5G) = 4 × 10-10 (式1)

　　通過分析采樣點的幅值趨勢信息，可以得知過零點的位置，軟件根據(jù)此位置信息可計算出相鄰兩個過零點之間的采樣點數(shù)目n，進而就可計算出相鄰兩個過零點的時間間隔t(單位秒)，具體如式2所示。

　　t = n × Tn = n × 4 ×10-10 (式2)

　　將式2計算所得的過零點間隔時間實測值與理想的過零點時間間隔比較，求出差值的絕對值，即可得到波形過零點畸變值。

　　例如，激勵信號為一條帶有數(shù)據(jù)字0x7FFF的消息，理論上第0和第1個過零點之間的理想時間間隔為2.0us。測試系統(tǒng)根據(jù)采集到的1553B信號數(shù)據(jù)計算出第0和第1個過零點之間有5076個采樣點，那么把n = 5076，代入式2即可求得實際測試到第0和第1個過零點之間的時間間隔為t = 2.03 us。由此可知該段波形的過零點畸變值為30ns。

　　(二)波形畸變分析算法

　　波形畸變值也是通過分析采集到的1553B信號波形數(shù)據(jù)得到。由圖1可知，波形畸變值定義為波形斜率突然大幅度變化位置的電壓幅度值。判斷波形斜率變化的方法有很多中，這里介紹一種高精度的分析方法，其主要思路就是把波形分成若干個時間長度相同的小段，然后求出每小段的兩個端點之間的幅度差值，這個幅度差值就代表了該段波形的斜率。

　　世紀(jì)設(shè)計中，我們把采集到1553B波形數(shù)據(jù)分成若干等份，每份的時間長度為60ns，通過示波器采集到的幅值信息，求出代表各段波形斜率的幅度差值，然后按時間先后順序遍歷所有的幅度差值，當(dāng)幅度差值由正變負(fù)或由負(fù)變正或是急劇變化時，此點必為波形畸變點，此點的幅度值也就是波形畸變值。

　　(三)波形對稱性分析算法

　　波形對稱性也是通過分析采集到的1553B信號波形數(shù)據(jù)得到。由圖2可知，波形對稱性體現(xiàn)為消息最后一個數(shù)據(jù)字奇偶校驗位的中間過零點開始2.5us時刻的電壓幅度。因此遍歷采集回來的波形數(shù)據(jù)，找出消息最后一個數(shù)據(jù)字奇校驗位的中間過零點位置，從該位置開始取2.5us處的采樣點，此點的電壓幅度就是波形對稱性的測試值。

　　例如，激勵信號為一條帶有一個數(shù)據(jù)0x8000的消息，那么采集回來的波形數(shù)據(jù)中的第64(從0開始算)個過零點即為最后一個數(shù)據(jù)字奇偶校驗位的中間過零點。若示波器當(dāng)前采樣率Sa為2.5G S/s， 由式1可知每相鄰的兩個采樣點之間的時間間隔Tn為0.4ns，那么2.5us對應(yīng)的采樣點個數(shù)m可由式3求得。

　　m = T/Tn = 2.5us / 0.4ns = 6250 (式3)

　　那么波形對稱性的實測值Vrtzero就是從第64個過零點開始算，往后的第6250采樣點所對應(yīng)的幅度值。

　　5 結(jié)束語

　　本文依據(jù)GJB5186.5-2004以及SAE4115等標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，對1553B總線電纜網(wǎng)絡(luò)的波形過零點畸變、波形畸變以及波形對稱性等三種波形特性的測試方法展開了研究，提出了一種波形特性的自動化測試方案，并對該方案的硬件設(shè)計、軟件流程以及部分關(guān)鍵算法等進行了詳細(xì)的闡述和說明。目前，該方案已經(jīng)在珠海歐比特公司的OBT1553B-CTS型1553B電纜測試系統(tǒng)等產(chǎn)品中得到了實際的驗證和裝機應(yīng)用[1]，結(jié)果表明，該方案完全可行，且具有穩(wěn)定性強，可靠性高，一致性好等優(yōu)點。

　　參考文獻：

　　[1] 珠海歐比特控制工程股份有限公司. OBT1553B-CTS型1553B電纜測試系統(tǒng)使用說明書. 2011.

　　[2] 國防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會. GJB5186.5-2004 數(shù)字式時分制指令/響應(yīng)型多路傳輸數(shù)據(jù)總線測試方法，第五部分：系統(tǒng)測試方法，2004.

　　[3] Aerospace Internetional Group. SAE4115 Test Plan For The Digital Time Division Command/Response Multiplex Data Bus System，2006.

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　　[5] 珠海歐比特控制工程股份有限公司. EMBC1000-PCI1553BEI-1錯誤注入型PCI接口1553B測試板卡使用說明書. 2011.

　　[6] 珠海歐比特控制工程股份有限公司. S698-T芯片用戶手冊. 2011.