1553B總線(xiàn)電纜網(wǎng)絡(luò )波形特性測試方法研究

　　1 引言

　　MIL-STD-1553B總線(xiàn)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)1553B總線(xiàn))為當前航電設備的首選通訊總線(xiàn)，其地位日益突出，素有“一網(wǎng)蓋三軍”之說(shuō)，已經(jīng)廣泛應用于飛機、衛星、火箭、導彈、艦船以及特種車(chē)輛等領(lǐng)域。1553B通訊系統的各個(gè)節點(diǎn)計算機通過(guò)1553B總線(xiàn)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1553B電纜網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行嚴格的測試，測試項目分為定性測試和定量測試兩大類(lèi)。長(cháng)期以來(lái)，如何對1553B電纜網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行全面有效的測試是一個(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稱(chēng)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。

　　2 測試原理

　　GJB5186.5-2004對1553B總線(xiàn)電纜網(wǎng)絡(luò )的測試進(jìn)行了標準化，參考該標準，本節將對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稱(chēng)性等三項特性的測試原理進(jìn)行闡述。

　　2.1 波形過(guò)零點(diǎn)畸變特性測量原理

　　1553B總線(xiàn)電纜網(wǎng)絡(luò )的波形過(guò)零點(diǎn)畸變特性(用Zcross表示)衡量的是標準的1553B激勵信號經(jīng)過(guò)1553B總線(xiàn)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)測時(shí)間間隔值相對于理想過(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)畸變特性的測試原理為：首先利用信號激勵源逐個(gè)向被測的1553B總線(xiàn)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)偏差絕對值小于10ns的1553B激勵信號，然后逐個(gè)選擇1553B總線(xiàn)電纜網(wǎng)絡(luò )的其它端點(diǎn)作為測量點(diǎn)，利用采樣率不低于1G/s的信號采集設備(如高精度示波器)進(jìn)行測量，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，計算出過(guò)零點(diǎn)偏差值。

　　根據GJB5186.5-2004的規定，零點(diǎn)偏差的絕對值需不大于125ns[2]，若實(shí)測值全部位于此范圍以?xún)?，則判定被測電纜的波形過(guò)零點(diǎn)畸變特性合格，否則，判定為不合格。

　　2.2 波形畸變特性測量原理

　　1553B總線(xiàn)電纜網(wǎng)絡(luò )的波形畸變特性(用Vmin表示)衡量的是標準的1553B激勵信號經(jīng)過(guò)1553B總線(xiàn)電纜網(wǎng)絡(luò )后的每一數據位或同步頭的正或負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。

　　波形畸變特性的測試原理為：首先利用信號激勵源逐個(gè)向被測總線(xiàn)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位和數據字的最高位數值均應為‘1’的1553B激勵信號，然后逐個(gè)選擇1553B總線(xiàn)電纜網(wǎng)絡(luò )的其它端點(diǎn)作為測量點(diǎn)，利用幅度分辨率不大于1mV的信號采集設備進(jìn)行測量，分別記錄各端點(diǎn)數據位或同步頭波形的正或負波形電平值。

　　根據GJB5186.5-2004的規定，數據位或同步頭波形的正或負波形電平值應該大于660mV[2]，若實(shí)測值全部位于此范圍以?xún)?，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(xiàn)電纜網(wǎng)絡(luò )波形畸變特性Vmin示意圖

　　2.3 波形對稱(chēng)特性測量原理

　　1553B總線(xiàn)電纜網(wǎng)絡(luò )的波形對稱(chēng)特性(用RtZero表示)衡量的是標準的1553B激勵信號經(jīng)過(guò)1553B總線(xiàn)電纜網(wǎng)絡(luò )后波形尾部殘余電壓與標準最小電壓閾值的偏差程度[2]，實(shí)際測量的是1553B消息最后一個(gè)數據字奇偶校驗位的中間過(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。

　　波形對稱(chēng)特性的測試原理為：首先利用信號激勵源逐個(gè)向被測總線(xiàn)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)數據字而且消息間的最小間隔為1ms、消息中各個(gè)數據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(gè)選擇1553B總線(xiàn)電纜網(wǎng)絡(luò )的其它端點(diǎn)作為測量點(diǎn)，利用幅度分辨率不大于0.1mV的信號采集設備進(jìn)行測量，分別記錄各端點(diǎn)1553B消息最后一個(gè)數據字奇偶校驗位的中間過(guò)零點(diǎn)開(kāi)始2.5us時(shí)刻的電壓幅度值。

　　圖2 1553B總線(xiàn)電纜網(wǎng)絡(luò )波形對稱(chēng)性RtZero示意圖

　　3 測試硬件環(huán)境設計

　　根據上節對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稱(chēng)性等三項特性的測試原理的分析，我們可以設計出自動(dòng)測試設備硬件環(huán)境，其中主要的硬件設備需包括：主控計算機、可編程高精度數字示波器(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電纜測試設備硬件環(huán)境結構如圖

　　? 主控計算機主要用于運行專(zhuān)用測試軟件，通過(guò)計算機的外設接口(PCI、USB、RS232)控制其它設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。

　　? 可編程高精度數字示波器主要用于采集被測總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )上的1553B波形信號，然后通過(guò)USB接口把波形數據上傳到主控計算進(jìn)行處理分析。根據波形測試對數據采集模塊的精度要求，示波器至少具有4個(gè)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(diǎn)的最大記錄長(cháng)度，此外還需具有程控接口函數以供專(zhuān)用軟件調用。

　　? 可編程1553B數據信號源用于產(chǎn)生各種測試需要的1553B激勵信號，根據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(guò)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(shí)還提供API函數可供專(zhuān)用軟件調用[5]。

　　? 可編程通道切換矩陣模塊用于實(shí)現信號調理、測試通道的動(dòng)態(tài)切換，一方面可以便將激勵信號逐個(gè)加載到被測電纜各個(gè)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，具有豐富的片內外設，綜合處理能力可達1000MIPS/400MFLOPS[6,7]，可以滿(mǎn)足可編程通道切換矩陣模塊的對接口、實(shí)時(shí)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 測試軟件設計

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

　　4.1 自動(dòng)化測試總體流程

　　本節以測試一套含有n(n<33)個(gè)短截線(xiàn)端點(diǎn)的1553B總線(xiàn)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稱(chēng)性特性的自動(dòng)化測試總體流程，具體如圖4所示。

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

　　4.2 軟件操作流程

　　測試軟件基于Windows XP/2000等操作系統進(jìn)行開(kāi)發(fā)。軟件采用模塊化設計，包括用戶(hù)管理模塊、系統配置模塊、波形過(guò)零點(diǎn)畸變測試模塊、波形畸變測試模塊、波形對稱(chēng)性測試模塊以及系統在線(xiàn)幫助模塊。其中波形過(guò)零點(diǎn)畸變測試模塊、波形畸變測試模塊以及波形對稱(chēng)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(zhuān)用算法設計

　　專(zhuān)用算法是自動(dòng)化測試軟件系統設計的關(guān)鍵，關(guān)系到整個(gè)測試系統的測試精度以及系統穩定性。波形過(guò)零點(diǎn)畸變、波形畸變以及波形對稱(chēng)性的測試內容各不相同，處理算法也要有針對性的進(jìn)行設計。

　　(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信號波形數據得到。根據GJB5186.5-2004中規定的精度要求，將示波器設置為(4us/div、采樣深度10M點(diǎn))檔位，根據示波器的當前采樣率(Sa=2.5G S/s)，可以計算出相鄰兩個(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)的幅值趨勢信息，可以得知過(guò)零點(diǎn)的位置，軟件根據此位置信息可計算出相鄰兩個(gè)過(guò)零點(diǎn)之間的采樣點(diǎn)數目n，進(jìn)而就可計算出相鄰兩個(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計算所得的過(guò)零點(diǎn)間隔時(shí)間實(shí)測值與理想的過(guò)零點(diǎn)時(shí)間間隔比較，求出差值的絕對值，即可得到波形過(guò)零點(diǎn)畸變值。

　　例如，激勵信號為一條帶有數據字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。測試系統根據采集到的1553B信號數據計算出第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信號波形數據得到。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(cháng)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。

　　世紀設計中，我們把采集到1553B波形數據分成若干等份，每份的時(shí)間長(cháng)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，當幅度差值由正變負或由負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)波形對稱(chēng)性分析算法

　　波形對稱(chēng)性也是通過(guò)分析采集到的1553B信號波形數據得到。由圖2可知，波形對稱(chēng)性體現為消息最后一個(gè)數據字奇偶校驗位的中間過(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)的波形數據，找出消息最后一個(gè)數據字奇校驗位的中間過(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稱(chēng)性的測試值。

　　例如，激勵信號為一條帶有一個(gè)數據0x8000的消息，那么采集回來(lái)的波形數據中的第64(從0開(kāi)始算)個(gè)過(guò)零點(diǎn)即為最后一個(gè)數據字奇偶校驗位的中間過(guò)零點(diǎn)。若示波器當前采樣率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對應的采樣點(diǎn)個(gè)數m可由式3求得。

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

　　那么波形對稱(chēng)性的實(shí)測值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)所對應的幅度值。

　　5 結束語(yǔ)

　　本文依據GJB5186.5-2004以及SAE4115等標準的規定，對1553B總線(xiàn)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稱(chēng)性等三種波形特性的測試方法展開(kāi)了研究，提出了一種波形特性的自動(dòng)化測試方案，并對該方案的硬件設計、軟件流程以及部分關(guān)鍵算法等進(jìn)行了詳細的闡述和說(shuō)明。目前，該方案已經(jīng)在珠海歐比特公司的OBT1553B-CTS型1553B電纜測試系統等產(chǎn)品中得到了實(shí)際的驗證和裝機應用[1]，結果表明，該方案完全可行，且具有穩定性強，可靠性高，一致性好等優(yōu)點(diǎn)。

　　參考文獻：

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

　　[2] 國防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會(huì ). GJB5186.5-2004 數字式時(shí)分制指令/響應型多路傳輸數據總線(xiàn)測試方法，第五部分：系統測試方法，2004.

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

　　[4] 國防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會(huì ). GJB289A-97 數字式時(shí)分制指令/響應型多路傳輸數據總線(xiàn)，1997.

　　[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(shuō)明書(shū). 2011.

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