MIL-STD-1553A/B數據總線(xiàn)自動(dòng)測試儀的設計

MIL-STD-1553作為一個(gè)軍用串行總線(xiàn)標準于1973年由美國國防部發(fā)布，此標準定義了總線(xiàn)的機械特性、電氣特性和功能特性。1553總線(xiàn)首先被應用在航空設備中，后來(lái)也被廣泛應用在航天的數據管理系統中。它作為命令/應答方式的半雙工串行總線(xiàn)，采用雙冗余平衡傳輸線(xiàn)（屏蔽雙絞線(xiàn)），通過(guò)時(shí)分復用的方式，最多可以連接31個(gè)終端(RT)設備。由于采用了曼徹斯特編碼，MIL-STD-1553總線(xiàn)數據可以在采用變壓器隔離的傳輸線(xiàn)路中傳輸，從而可以將設備節點(diǎn)從總線(xiàn)系統中隔離出來(lái)，進(jìn)而提高了總線(xiàn)系統的可靠性。

鑒于特殊的總線(xiàn)結構和苛刻的應用環(huán)境，完善的總線(xiàn)測試手段無(wú)疑是保障MIL-STD-1553總線(xiàn)系統可靠性的關(guān)鍵。目前1553總線(xiàn)的測試大都是以MIL-HDBK-1553為參考，該測試標準的覆蓋面比較廣，涵蓋了電氣性能測試和協(xié)議測試，如果總線(xiàn)設備能通過(guò)標準所規定的所有必要項目的測試，這個(gè)終端設備的可靠性便得到了根本的保障。但是MIL-HDBK-1553對測試設備的要求較高，一個(gè)綜合的MIL-STD-1553總線(xiàn)測試設備需要同時(shí)具有示波器功能、信號發(fā)生器功能和阻抗測量的功能，最關(guān)鍵的是要具有故障注入功能的1553總線(xiàn)仿真終端的功能。目前市面上能夠找到的大都是單功能的測試設備/儀器，如獨立的示波器、獨立的信號發(fā)生器和單獨的1553總線(xiàn)仿真卡等。如果采用這些獨立的設備來(lái)搭建總線(xiàn)測試系統的話(huà)，所組成的測試系統使用起來(lái)會(huì )很不方便，不僅造成測試效率不高，也同時(shí)也會(huì )因為人工介入太多，導致測試結果不準確。另外，目前市面上的總線(xiàn)仿真卡只能注入MIL-HDBK-1553所規定的部分故障，不能實(shí)現標準規定的所有故障注入功能，這樣就會(huì )將測試覆蓋率大大折扣，往往會(huì )在總線(xiàn)設備中埋下隱患。

AT15000是珠海矽微電子科技有限公司研發(fā)的多功能總線(xiàn)分析儀，集成了示波器、信號發(fā)生器、阻抗測試儀、時(shí)域反射計和1553總線(xiàn)仿真卡的功能，這些設備功能在A(yíng)T15000中有機結合，協(xié)同工作，可以實(shí)現MIL-HDBK-1553規定的全部協(xié)議測試和電氣性能測試，具有很高的測試覆蓋率，大大降低了1553總線(xiàn)測試設備的難度。作為ATE，AT15000的大部分測試均可自動(dòng)進(jìn)行，用戶(hù)只需要進(jìn)行很少幾次人工干預，就可完成一個(gè)非常完整的測試流程，同時(shí)AT15000還能自動(dòng)生成文本格式的測試報告，以便產(chǎn)品備案和測試跟蹤，大大提高了測試效率和測試質(zhì)量。

AT15000根據終端類(lèi)型的不同，將測試分為三個(gè)部分：BC測試、BM測試和RT測試，又根據測試標準將電氣性能測試和協(xié)議測試分成了很多個(gè)測試子項目，用戶(hù)可以通過(guò)測試腳本來(lái)選擇測試子項目和定義測試順序，使得測試工作變得非常靈活，易于控制。

1. 終端電氣性能測試

終端的電氣性能測試包括輸入電氣性能測試和輸出電氣性能測試，一個(gè)可靠的終端設備要具有良好的輸入信號容忍度和完整的信號輸出特性。

輸出特性包括輸出信號的幅值、過(guò)零穩定度、過(guò)沖、振鈴、上升/下降時(shí)間、輸出對稱(chēng)性、輸出噪聲、兩個(gè)通道的輸出隔離度和電源的開(kāi)關(guān)噪聲。這幾種性能測試中，除了過(guò)零穩定度的測試外，其他幾種測試都需要示波器模塊的配合。AT15000采用硬件邏輯來(lái)實(shí)時(shí)測量總線(xiàn)上信號的過(guò)零穩定度，并報告出每一個(gè)總線(xiàn)字的最大過(guò)零點(diǎn)偏差。

在編碼器編碼正常的情況下，輸出的過(guò)零穩定度和系統的時(shí)鐘穩定度有關(guān)，如果系統時(shí)鐘的漂移較大的話(huà)，也會(huì )造成過(guò)零偏差較大，從而造成接收端的數據接收不正常。

在總線(xiàn)阻抗正確匹配的情況下，過(guò)沖和振鈴主要是因為受測設備中的總線(xiàn)發(fā)送器引起的。如果受測設備的電源供電設計不合理，給發(fā)送器供電不足的話(huà)，往往會(huì )在總線(xiàn)上產(chǎn)生過(guò)沖和振鈴。

輸出對稱(chēng)性是用來(lái)考察發(fā)送器和隔離變壓器的輸出是否對稱(chēng)，在理想狀態(tài)下，當發(fā)送器不發(fā)送信號時(shí)，總線(xiàn)上的差分電平應該為0伏，但是當受測設備的輸出不對稱(chēng)時(shí)，在信號發(fā)送完畢的瞬間，總線(xiàn)上會(huì )有殘留電平。標準規定，這個(gè)殘留電平需要維持在一個(gè)數值以?xún)?，否則總線(xiàn)設備的輸出對稱(chēng)性就不合格。

一個(gè)理想的1553總線(xiàn)設備要具有較小的電源開(kāi)關(guān)噪聲和輸出噪聲，這樣才不會(huì )影響總線(xiàn)上其它設備的正常工作。

標準規定，1553總線(xiàn)設備需要具有隔離良好的互為備份的兩個(gè)通道，如果這兩個(gè)通道的隔離度不夠的，其中一個(gè)通道就會(huì )干擾另一個(gè)通道上的信號，從而降低總線(xiàn)的可靠性。

輸入特性包括過(guò)零點(diǎn)穩定度、可接受的信號幅值、輸入阻抗、共模抑制能力以及上升/下降時(shí)間。這幾種輸入特性中，過(guò)零點(diǎn)穩定度的測試需要1553總線(xiàn)控制器故障注入邏輯的配合，用以在發(fā)送的總線(xiàn)字中，根據測試的需要注入響應的過(guò)零點(diǎn)偏差。輸入阻抗的測試需要信號發(fā)生器注入激勵正弦波，并通過(guò)示波器模塊來(lái)采樣響應信號，并根據激勵信號和響應信號的真有效值來(lái)計算受測設備的輸入阻抗。

過(guò)零點(diǎn)穩定度用來(lái)測試曼徹斯特解碼器的解碼能力和終端設備時(shí)鐘的穩定度的。如果設備的時(shí)鐘不穩定，即使解碼器的解碼能力非常好，也會(huì )造成接收誤碼。

標準規定的接收信號幅值為0.28~27V之間。當總線(xiàn)信號的幅值在此范圍之內時(shí)，設備的解碼器須對總線(xiàn)數據正確解碼。

如果總線(xiàn)設備的輸入阻抗過(guò)低，往往會(huì )加大總線(xiàn)的負荷，從而降低總線(xiàn)信號的幅值，縮短其它總線(xiàn)設備的壽命。

共模抑制能力是用來(lái)考察總線(xiàn)終端設備隔離變壓器的隔離度的。在正常情況下，變壓器次級線(xiàn)圈上的共模噪聲是不會(huì )影響初級線(xiàn)圈上的差分信號，否則共模噪聲將會(huì )在初級線(xiàn)圈接收的差分信號上疊加一個(gè)干擾，從而影響終端設備的信號接收。

AT15000對電氣特性的測量采用全自動(dòng)方式，其內置的示波器模塊會(huì )自動(dòng)捕獲需要測量的總線(xiàn)信號，并計算出相應的特性參數。在測試過(guò)程中無(wú)需人工干預，用戶(hù)只需在其測試腳本中加入需要測試的項目即可。針對BC和RT的測試，在每個(gè)測試項目完成后，AT15000會(huì )自動(dòng)將測試結果寫(xiě)到測試報告中，為測試提供了極大方便。

2. 協(xié)議測試

標準規定的協(xié)議測試分為常規測試和故障注入兩個(gè)部分，常規測試要求BC/RT能接收/發(fā)送MIL-STD-1553B總線(xiàn)規定的命令，要求BM能夠正確解析總線(xiàn)協(xié)議，故障注入要求測試儀能夠在總線(xiàn)上注入標準規定的各種故障。在進(jìn)行協(xié)議測試的時(shí)候，首先要完成常規的協(xié)議測試，否則故障注入測試無(wú)法完成。

為了滿(mǎn)足測試標準的要求，一個(gè)總線(xiàn)測試ATE除了要具備仿真器、信號發(fā)生器、總線(xiàn)仿真終端的功能外，還需要具備MIL-HDBK-1553規定的以下功能：

能夠注入最大不小于250ns的過(guò)零點(diǎn)偏差；

能夠在任意總線(xiàn)字上注入奇偶校驗錯誤；

能夠在不同的消息上注入任意消息長(cháng)度錯誤；

能夠在任意總線(xiàn)字上注入任意長(cháng)度的字長(cháng)錯誤；

能夠在總線(xiàn)字的任意位上注入相位編碼錯誤，并且可以在錯誤位上輸出高電平或者低電平；

能夠在總線(xiàn)上注入數據連續錯誤；

能夠在總線(xiàn)上注入替換命令；

RT的應答時(shí)間在0微秒到14微秒之間可調；

RT可以采用任意地址來(lái)應答總線(xiàn)命令；

可以通過(guò)軟件關(guān)掉RT的應答（數據要能正常接收）；

可以在任意總線(xiàn)字上注入標準規定的5種同步頭錯誤；

能夠產(chǎn)生總線(xiàn)切換命令；

能夠正確識別協(xié)議規定的所有模式命令；

能夠在總線(xiàn)上注入均方根為140mv（直接耦合方式200mv），頻率范圍為1K~4Mhz之間的高斯白噪聲。

如果采用市面上通用的MIL-STD-1553總線(xiàn)控制芯片，無(wú)法實(shí)現上述的總線(xiàn)故障注入功能，同時(shí)也沒(méi)有商用的帶有故障注入功能的總線(xiàn)控制芯片出售。所以為了能夠實(shí)現上述功能，測試設備開(kāi)發(fā)商需自行開(kāi)發(fā)帶有故障注入功能的1553總線(xiàn)控制芯片。

基于上述考慮，矽微公司自行開(kāi)發(fā)了總線(xiàn)測試設備專(zhuān)用的1553總線(xiàn)控制IP核，可以在A(yíng)CTEL和ALTERA的多個(gè)系列的FPGA實(shí)現。用于采用硬邏輯的方式來(lái)注入故障，所以改IP核能夠實(shí)現標準所規定的全部故障注入功能。此IP核的功能框圖如表一：

如表一所示，控制器IP核中實(shí)現了一個(gè)BC、一個(gè)BM和兩個(gè)多功能RT，這些功能可以同時(shí)工作，并且可以同時(shí)仿真32個(gè)RT。IP核采用64M時(shí)鐘，可以以15.6ns的分辨率在總線(xiàn)上注入過(guò)零點(diǎn)偏差，大大提高了總線(xiàn)測試的精度。經(jīng)過(guò)矽微公司數個(gè)型號的總線(xiàn)測試設備的驗證，證明這個(gè)IP核的設計是合理的，工作狀態(tài)是穩定可靠的。

如果只實(shí)現1553控制器的IP核，還是無(wú)法實(shí)現總線(xiàn)的自動(dòng)測試的。除總線(xiàn)控制器外，還需實(shí)現示波器的采樣邏輯，信號發(fā)生器的邏輯以及時(shí)域反射計的邏輯。同時(shí)還要根據總線(xiàn)測試標準的要求，將這些邏輯組合起來(lái)，以方便總線(xiàn)電氣性能的測試。AT15000采用ALTERA公司的CYCLONEIII FPGA芯片，在FPGA中實(shí)現了上述幾種邏輯。其中的示波器邏輯可以由1553控制器的邏輯來(lái)觸發(fā)，使得總線(xiàn)電氣特性的測試變得非常簡(jiǎn)單。

作為ATE，總線(xiàn)測試設備需要具備較高的自動(dòng)化程度，盡量減少人工干預。所以在設計測試儀軟件的時(shí)候，需要仔細分析測試標準，將測試項目分類(lèi)并細化成若干個(gè)子測試項目，讓用戶(hù)可以自由選擇測試項目并定義測試順序，以使測試更加靈活，進(jìn)而滿(mǎn)足不同測試場(chǎng)合的需要。AT15000根據總線(xiàn)終端設備類(lèi)型將測試分為RT測試、BM測試和BC測試三種，同時(shí)將每種測試分為很多個(gè)子測試項目，用戶(hù)可以通過(guò)腳本的形式來(lái)自由選擇測試項目和定義測試順序。在三種類(lèi)型的測試中，除了RT的測試之外，BM和BC的測試需要受測設備的軟件配合，所以在測試BM和BC的時(shí)候，用戶(hù)需要編寫(xiě)受測設備的軟件，用以配合測試儀的測試。

由于BM只具備總線(xiàn)監聽(tīng)的功能，所以測試儀無(wú)從知道BM當前的協(xié)議接收狀態(tài)。AT15000根據用戶(hù)的腳本配置，依照測試標準，將響應的總線(xiàn)消息依次發(fā)送到總線(xiàn)上，并在消息發(fā)送完畢后，將所發(fā)送的總線(xiàn)消息寫(xiě)到測試報告中。測試完畢后，用戶(hù)需要將受測設備接收到的消息導出至PC機上。AT15000的上位機軟件“TESTMASTER”會(huì )根據兩份測試報告來(lái)分析BM的測試結果是否正確。

在測試BC之前，用戶(hù)需要根據AT15000的BC測試手冊編寫(xiě)BC測試程序，用以配合AT15000的測試。另外AT15000也不對測試結果作出判斷，受測設備需自行判斷測試結果，并通過(guò)總線(xiàn)將測試結果發(fā)送給AT15000。

針對RT的測試，AT15000采用全自動(dòng)方式，在發(fā)送相應的測試數據的同時(shí)，還會(huì )對測試結果作出正確與否的判斷。用戶(hù)只需在測試腳本中選擇所需要的測試項目，并定義好測試順序，同時(shí)給出AT15000要求的受測RT的參數（如RT地址、RT的合法接收命令、合法的發(fā)送命令等等）即可。

結論

鑒于MIL-STD-1553總線(xiàn)苛刻的應用場(chǎng)合，所以1553總線(xiàn)設備的測試也得務(wù)求詳盡，這樣才能保證總線(xiàn)系統的可靠運行，在測試中任何的疏忽和馬虎都會(huì )導致嚴重的后果。

經(jīng)過(guò)先行者不斷地總結和歸納，1553總線(xiàn)的測試標準也日益嚴密，同時(shí)也給測試設備的研制帶來(lái)挑戰。研制出符合測試標準的測試設備是1553總線(xiàn)測試的前提，良好的測試設備不僅可以提高總線(xiàn)的測試效率，還能為總線(xiàn)設備的可靠性提供強有力的保障。