1553B總線電纜網(wǎng)絡(luò)波形特性測(cè)試方法研究

　　1 引言

　　MIL-STD-1553B總線(以下簡(jiǎn)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(shuō)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于飛機(jī)、衛(wèi)星、火箭、導(dǎo)彈、艦船以及特種車(chē)輛等領(lǐng)域。1553B通訊系統(tǒng)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)計(jì)算機(jī)通過(guò)1553B總線電纜網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行互聯(lián)，為了保障通訊的可靠性，必須對(duì)1553B電纜網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行嚴(yán)格的測(cè)試，測(cè)試項(xiàng)目分為定性測(cè)試和定量測(cè)試兩大類(lèi)。長(zhǎng)期以來(lái)，如何對(duì)1553B電纜網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行全面有效的測(cè)試是一個(gè)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(guò)零點(diǎn)畸變、波形畸變以及波形對(duì)稱性等波形特性測(cè)試屬于定量測(cè)試的范疇[1]。

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

　　2 測(cè)試原理

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

　　2.1 波形過(guò)零點(diǎn)畸變特性測(cè)量原理

　　1553B總線電纜網(wǎng)絡(luò)的波形過(guò)零點(diǎn)畸變特性(用Zcross表示)衡量的是標(biāo)準(zhǔn)的1553B激勵(lì)信號(hào)經(jīng)過(guò)1553B總線電纜網(wǎng)絡(luò)后的波形的任意兩個(gè)相鄰過(guò)零點(diǎn)的實(shí)測(cè)時(shí)間間隔值相對(duì)于理想過(guò)零點(diǎn)間隔值的偏差程度[2]。理想情況下，1553B波形信號(hào)只有2.0us、1.5us、1.0us和0.5us四種過(guò)零點(diǎn)間隔值[2,3,4]。

　　波形過(guò)零點(diǎn)畸變特性的測(cè)試原理為：首先利用信號(hào)激勵(lì)源逐個(gè)向被測(cè)的1553B總線電纜網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)端點(diǎn)加載峰峰值電壓為27.0V、上升沿和下降沿時(shí)間范圍為300±30ns、包含有2.0us、1.5us、1.0us和0.5us四種過(guò)零點(diǎn)間隔、過(guò)零點(diǎn)偏差絕對(duì)值小于10ns的1553B激勵(lì)信號(hào)，然后逐個(gè)選擇1553B總線電纜網(wǎng)絡(luò)的其它端點(diǎn)作為測(cè)量點(diǎn)，利用采樣率不低于1G/s的信號(hào)采集設(shè)備(如高精度示波器)進(jìn)行測(cè)量，分別記錄各端點(diǎn)的過(guò)零點(diǎn)間隔值，再與理想的過(guò)零點(diǎn)間隔值進(jìn)行比較，計(jì)算出過(guò)零點(diǎn)偏差值。

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

　　2.2 波形畸變特性測(cè)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(lì)信號(hào)經(jīng)過(guò)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(mén)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(cè)試原理為：首先利用信號(hào)激勵(lì)源逐個(gè)向被測(cè)總線網(wǎng)絡(luò)各個(gè)端點(diǎn)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(shí)間范圍為100±20ns、消息指令字的奇校驗(yàn)位和數(shù)據(jù)字的最高位數(shù)值均應(yīng)為‘1’的1553B激勵(lì)信號(hào)，然后逐個(gè)選擇1553B總線電纜網(wǎng)絡(luò)的其它端點(diǎn)作為測(cè)量點(diǎn)，利用幅度分辨率不大于1mV的信號(hào)采集設(shè)備進(jìn)行測(cè)量，分別記錄各端點(diǎn)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(shí)測(cè)值全部位于此范圍以內(nèi)，則判定被測(cè)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(duì)稱特性測(cè)量原理

　　1553B總線電纜網(wǎng)絡(luò)的波形對(duì)稱特性(用RtZero表示)衡量的是標(biāo)準(zhǔn)的1553B激勵(lì)信號(hào)經(jīng)過(guò)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(shí)際測(cè)量的是1553B消息最后一個(gè)數(shù)據(jù)字奇偶校驗(yàn)位的中間過(guò)零點(diǎn)時(shí)刻后的2.5us時(shí)刻的電壓幅度[2,3]，其具體定義如圖2所示。

　　波形對(duì)稱特性的測(cè)試原理為：首先利用信號(hào)激勵(lì)源逐個(gè)向被測(cè)總線網(wǎng)絡(luò)各個(gè)端點(diǎn)加載尾部殘余電壓小于25mV、峰峰值電壓為27.0V、每個(gè)消息帶有32個(gè)數(shù)據(jù)字而且消息間的最小間隔為1ms、消息中各個(gè)數(shù)據(jù)字具有相同的位模式(0x8000、0x7FFF、0x0、0x5555、0xAAAA、0xFFFF)的1553B激勵(lì)信號(hào)，然后逐個(gè)選擇1553B總線電纜網(wǎng)絡(luò)的其它端點(diǎn)作為測(cè)量點(diǎn)，利用幅度分辨率不大于0.1mV的信號(hào)采集設(shè)備進(jìn)行測(cè)量，分別記錄各端點(diǎn)1553B消息最后一個(gè)數(shù)據(jù)字奇偶校驗(yàn)位的中間過(guò)零點(diǎn)開(kāi)始2.5us時(shí)刻的電壓幅度值。

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

　　3 測(cè)試硬件環(huán)境設(shè)計(jì)

　　根據(jù)上節(jié)對(duì)1553B電纜網(wǎng)絡(luò)的波形過(guò)零點(diǎn)畸變、波形畸變以及波形對(duì)稱性等三項(xiàng)特性的測(cè)試原理的分析，我們可以設(shè)計(jì)出自動(dòng)測(cè)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(jì)算機(jī)、可編程高精度數(shù)字示波器(USB接口)、可編程1553B激勵(lì)信號(hào)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(cè)試設(shè)備硬件環(huán)境結(jié)構(gòu)如圖

　　? 主控計(jì)算機(jī)主要用于運(yùn)行專用測(cè)試軟件，通過(guò)計(jì)算機(jī)的外設(shè)接口(PCI、USB、RS232)控制其它設(shè)備按照測(cè)試流程完成相關(guān)操作，主控計(jì)算機(jī)可選用工控機(jī)。

　　? 可編程高精度數(shù)字示波器主要用于采集被測(cè)總線網(wǎng)絡(luò)上的1553B波形信號(hào)，然后通過(guò)USB接口把波形數(shù)據(jù)上傳到主控計(jì)算進(jìn)行處理分析。根據(jù)波形測(cè)試對(duì)數(shù)據(jù)采集模塊的精度要求，示波器至少具有4個(gè)測(cè)量通道、350 MHz帶寬、2.5 GS/s的采樣率、8位垂直分辨率、10M點(diǎn)的最大記錄長(zhǎng)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(hào)源用于產(chǎn)生各種測(cè)試需要的1553B激勵(lì)信號(hào)，根據(jù)波形測(cè)試對(duì)激勵(lì)信號(hào)的要求，可選用歐比特公司的EMBC1000-PCI1553BEI測(cè)試板卡，其通過(guò)PCI接口同計(jì)算機(jī)通訊，可模擬BC、RT、BM三種終端，可注入通訊錯(cuò)誤，同時(shí)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(shí)現(xiàn)信號(hào)調(diào)理、測(cè)試通道的動(dòng)態(tài)切換，一方面可以便將激勵(lì)信號(hào)逐個(gè)加載到被測(cè)電纜各個(gè)端口，另一方面可示波器的測(cè)試差分探頭連接到采集端口。為了保障信號(hào)的完整性，要求切換矩陣自身的導(dǎo)通電阻小于50毫歐，開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)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(dá)1000MIPS/400MFLOPS[6,7]，可以滿足可編程通道切換矩陣模塊的對(duì)接口、實(shí)時(shí)性以及處理能力的要求。

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

　　4 測(cè)試軟件設(shè)計(jì)

　　基于上節(jié)對(duì)測(cè)試硬件環(huán)境設(shè)計(jì)描述，本節(jié)主要闡述自動(dòng)化測(cè)試流程設(shè)計(jì)、軟件流程設(shè)計(jì)、軟件算法設(shè)計(jì)等。

　　4.1 自動(dòng)化測(cè)試總體流程

　　本節(jié)以測(cè)試一套含有n(n<33)個(gè)短截線端點(diǎn)的1553B總線電纜網(wǎng)絡(luò)為例，說(shuō)明波形過(guò)零點(diǎn)畸變、波形畸變以及波形對(duì)稱性特性的自動(dòng)化測(cè)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(dòng)化測(cè)試總體流程

　　4.2 軟件操作流程

　　測(cè)試軟件基于Windows XP/2000等操作系統(tǒng)進(jìn)行開(kāi)發(fā)。軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，包括用戶管理模塊、系統(tǒng)配置模塊、波形過(guò)零點(diǎn)畸變測(cè)試模塊、波形畸變測(cè)試模塊、波形對(duì)稱性測(cè)試模塊以及系統(tǒng)在線幫助模塊。其中波形過(guò)零點(diǎn)畸變測(cè)試模塊、波形畸變測(cè)試模塊以及波形對(duì)稱性測(cè)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(cè)試軟件流程圖

　　4.3 專用算法設(shè)計(jì)

　　專用算法是自動(dòng)化測(cè)試軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，關(guān)系到整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試精度以及系統(tǒng)穩(wěn)定性。波形過(guò)零點(diǎn)畸變、波形畸變以及波形對(duì)稱性的測(cè)試內(nèi)容各不相同，處理算法也要有針對(duì)性的進(jìn)行設(shè)計(jì)。

　　(一)波形過(guò)零點(diǎn)畸變分析算法

　　波形過(guò)零點(diǎn)畸變值是通過(guò)分析采集到的1553B信號(hào)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(diǎn))檔位，根據(jù)示波器的當(dāng)前采樣率(Sa=2.5G S/s)，可以計(jì)算出相鄰兩個(gè)采樣點(diǎn)之間的時(shí)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(guò)分析采樣點(diǎn)的幅值趨勢(shì)信息，可以得知過(guò)零點(diǎn)的位置，軟件根據(jù)此位置信息可計(jì)算出相鄰兩個(gè)過(guò)零點(diǎn)之間的采樣點(diǎn)數(shù)目n，進(jìn)而就可計(jì)算出相鄰兩個(gè)過(guò)零點(diǎn)的時(shí)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(jì)算所得的過(guò)零點(diǎn)間隔時(shí)間實(shí)測(cè)值與理想的過(guò)零點(diǎn)時(shí)間間隔比較，求出差值的絕對(duì)值，即可得到波形過(guò)零點(diǎn)畸變值。

　　例如，激勵(lì)信號(hào)為一條帶有數(shù)據(jù)字0x7FFF的消息，理論上第0和第1個(gè)過(guò)零點(diǎn)之間的理想時(shí)間間隔為2.0us。測(cè)試系統(tǒng)根據(jù)采集到的1553B信號(hào)數(shù)據(jù)計(jì)算出第0和第1個(gè)過(guò)零點(diǎn)之間有5076個(gè)采樣點(diǎn)，那么把n = 5076，代入式2即可求得實(shí)際測(cè)試到第0和第1個(gè)過(guò)零點(diǎn)之間的時(shí)間間隔為t = 2.03 us。由此可知該段波形的過(guò)零點(diǎn)畸變值為30ns。

　　(二)波形畸變分析算法

　　波形畸變值也是通過(guò)分析采集到的1553B信號(hào)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(gè)時(shí)間長(zhǎng)度相同的小段，然后求出每小段的兩個(gè)端點(diǎn)之間的幅度差值，這個(gè)幅度差值就代表了該段波形的斜率。

　　世紀(jì)設(shè)計(jì)中，我們把采集到1553B波形數(shù)據(jù)分成若干等份，每份的時(shí)間長(zhǎng)度為60ns，通過(guò)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(shí)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(shí)，此點(diǎn)必為波形畸變點(diǎn)，此點(diǎn)的幅度值也就是波形畸變值。

　　(三)波形對(duì)稱性分析算法

　　波形對(duì)稱性也是通過(guò)分析采集到的1553B信號(hào)波形數(shù)據(jù)得到。由圖2可知，波形對(duì)稱性體現(xiàn)為消息最后一個(gè)數(shù)據(jù)字奇偶校驗(yàn)位的中間過(guò)零點(diǎn)開(kāi)始2.5us時(shí)刻的電壓幅度。因此遍歷采集回來(lái)的波形數(shù)據(jù)，找出消息最后一個(gè)數(shù)據(jù)字奇校驗(yàn)位的中間過(guò)零點(diǎn)位置，從該位置開(kāi)始取2.5us處的采樣點(diǎn)，此點(diǎn)的電壓幅度就是波形對(duì)稱性的測(cè)試值。

　　例如，激勵(lì)信號(hào)為一條帶有一個(gè)數(shù)據(jù)0x8000的消息，那么采集回來(lái)的波形數(shù)據(jù)中的第64(從0開(kāi)始算)個(gè)過(guò)零點(diǎn)即為最后一個(gè)數(shù)據(jù)字奇偶校驗(yàn)位的中間過(guò)零點(diǎn)。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(gè)采樣點(diǎn)之間的時(shí)間間隔Tn為0.4ns，那么2.5us對(duì)應(yīng)的采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)m可由式3求得。

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

　　那么波形對(duì)稱性的實(shí)測(cè)值Vrtzero就是從第64個(gè)過(guò)零點(diǎn)開(kāi)始算，往后的第6250采樣點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的幅度值。

　　5 結(jié)束語(yǔ)

　　本文依據(jù)GJB5186.5-2004以及SAE4115等標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，對(duì)1553B總線電纜網(wǎng)絡(luò)的波形過(guò)零點(diǎn)畸變、波形畸變以及波形對(duì)稱性等三種波形特性的測(cè)試方法展開(kāi)了研究，提出了一種波形特性的自動(dòng)化測(cè)試方案，并對(duì)該方案的硬件設(shè)計(jì)、軟件流程以及部分關(guān)鍵算法等進(jìn)行了詳細(xì)的闡述和說(shuō)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(cè)試系統(tǒng)等產(chǎn)品中得到了實(shí)際的驗(yàn)證和裝機(jī)應(yīng)用[1]，結(jié)果表明，該方案完全可行，且具有穩(wěn)定性強(qiáng)，可靠性高，一致性好等優(yōu)點(diǎn)。

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