1553B总线电缆网络波形特性测试方法研究

　　1 引言

　　MIL-STD-1553B总线(以下简称1553B总线)为当前航电设备的首选通讯总线，其地位日益突出，素有“一网盖三军”之说，已经广泛应用于飞机、卫星、火箭、导弹、舰船以及特种车辆等领域。1553B通讯系统的各个节点计算机通过1553B总线电缆网络进行互联，为了保障通讯的可靠性，必须对1553B电缆网络进行严格的测试，测试项目分为定性测试和定量测试两大类。长期以来，如何对1553B电缆网络进行全面有效的测试是一个非常重要的研究课题，本文所研究的1553B电缆网络波形过零点畸变、波形畸变以及波形对称性等波形特性测试属于定量测试的范畴[1]。

　　本文所研究的电缆测试方法只针对于采用变压器耦合方式的1553B电缆网络，对采用直接耦合方式的1553B电缆网络不适应。

　　2 测试原理

　　GJB5186.5-2004对1553B总线电缆网络的测试进行了标准化，参考该标准，本节将对采用变压器耦合方式的1553B电缆网络的波形过零点畸变、波形畸变以及波形对称性等三项特性的测试原理进行阐述。

　　2.1 波形过零点畸变特性测量原理

　　1553B总线电缆网络的波形过零点畸变特性(用Zcross表示)衡量的是标准的1553B激励信号经过1553B总线电缆网络后的波形的任意两个相邻过零点的实测时间间隔值相对于理想过零点间隔值的偏差程度[2]。理想情况下，1553B波形信号只有2.0us、1.5us、1.0us和0.5us四种过零点间隔值[2,3,4]。

　　波形过零点畸变特性的测试原理为：首先利用信号激励源逐个向被测的1553B总线电缆网络的各个端点加载峰峰值电压为27.0V、上升沿和下降沿时间范围为300±30ns、包含有2.0us、1.5us、1.0us和0.5us四种过零点间隔、过零点偏差绝对值小于10ns的1553B激励信号，然后逐个选择1553B总线电缆网络的其它端点作为测量点，利用采样率不低于1G/s的信号采集设备(如高精度示波器)进行测量，分别记录各端点的过零点间隔值，再与理想的过零点间隔值进行比较，计算出过零点偏差值。

　　根据GJB5186.5-2004的规定，零点偏差的绝对值需不大于125ns[2]，若实测值全部位于此范围以内，则判定被测电缆的波形过零点畸变特性合格，否则，判定为不合格。

　　2.2 波形畸变特性测量原理

　　1553B总线电缆网络的波形畸变特性(用Vmin表示)衡量的是标准的1553B激励信号经过1553B总线电缆网络后的每一数据位或同步头的正或负波形电平值与最小门限电平的偏差程度[2,3]，其具体定义如图1所示。

　　波形畸变特性的测试原理为：首先利用信号激励源逐个向被测总线网络各个端点加载峰峰值电压为18.0V、波形畸变峰值不大于90mV、上升沿和下降沿时间范围为100±20ns、消息指令字的奇校验位和数据字的最高位数值均应为‘1’的1553B激励信号，然后逐个选择1553B总线电缆网络的其它端点作为测量点，利用幅度分辨率不大于1mV的信号采集设备进行测量，分别记录各端点数据位或同步头波形的正或负波形电平值。

　　根据GJB5186.5-2004的规定，数据位或同步头波形的正或负波形电平值应该大于660mV[2]，若实测值全部位于此范围以内，则判定被测电缆的波形畸变特性合格，否则，判定为不合格。

　　图1 1553B总线电缆网络波形畸变特性Vmin示意图

　　2.3 波形对称特性测量原理

　　1553B总线电缆网络的波形对称特性(用RtZero表示)衡量的是标准的1553B激励信号经过1553B总线电缆网络后波形尾部残余电压与标准最小电压阈值的偏差程度[2]，实际测量的是1553B消息最后一个数据字奇偶校验位的中间过零点时刻后的2.5us时刻的电压幅度[2,3]，其具体定义如图2所示。

　　波形对称特性的测试原理为：首先利用信号激励源逐个向被测总线网络各个端点加载尾部残余电压小于25mV、峰峰值电压为27.0V、每个消息带有32个数据字而且消息间的最小间隔为1ms、消息中各个数据字具有相同的位模式(0x8000、0x7FFF、0x0、0x5555、0xAAAA、0xFFFF)的1553B激励信号，然后逐个选择1553B总线电缆网络的其它端点作为测量点，利用幅度分辨率不大于0.1mV的信号采集设备进行测量，分别记录各端点1553B消息最后一个数据字奇偶校验位的中间过零点开始2.5us时刻的电压幅度值。

　　图2 1553B总线电缆网络波形对称性RtZero示意图

　　3 测试硬件环境设计

　　根据上节对1553B电缆网络的波形过零点畸变、波形畸变以及波形对称性等三项特性的测试原理的分析，我们可以设计出自动测试设备硬件环境，其中主要的硬件设备需包括：主控计算机、可编程高精度数字示波器(USB接口)、可编程1553B激励信号源(PCI接口)以及可编程通道切换矩阵(RS232接口)，硬件连接关系如图3所示。

　　图3 1553B电缆测试设备硬件环境结构如图

　　Ÿ 主控计算机主要用于运行专用测试软件，通过计算机的外设接口(PCI、USB、RS232)控制其它设备按照测试流程完成相关操作，主控计算机可选用工控机。

　　Ÿ 可编程高精度数字示波器主要用于采集被测总线网络上的1553B波形信号，然后通过USB接口把波形数据上传到主控计算进行处理分析。根据波形测试对数据采集模块的精度要求，示波器至少具有4个测量通道、350 MHz带宽、2.5 GS/s的采样率、8位垂直分辨率、10M点的最大记录长度，此外还需具有程控接口函数以供专用软件调用。

　　Ÿ 可编程1553B数据信号源用于产生各种测试需要的1553B激励信号，根据波形测试对激励信号的要求，可选用欧比特公司的EMBC1000-PCI1553BEI测试板卡，其通过PCI接口同计算机通讯，可模拟BC、RT、BM三种终端，可注入通讯错误，同时还提供API函数可供专用软件调用[5]。

　　Ÿ 可编程通道切换矩阵模块用于实现信号调理、测试通道的动态切换，一方面可以便将激励信号逐个加载到被测电缆各个端口，另一方面可示波器的测试差分探头连接到采集端口。为了保障信号的完整性，要求切换矩阵自身的导通电阻小于50毫欧，开关动作时间小于400ns。该模块的主控CPU将采用欧比特公司的S698P4四核处理器芯片，该芯片基于SPARC V8指令，具有丰富的片内外设，综合处理能力可达1000MIPS/400MFLOPS[6,7]，可以满足可编程通道切换矩阵模块的对接口、实时性以及处理能力的要求。

　　Ÿ 1553B电缆网络测试接口用于连接被测电缆，选用航天V级接插件，可将引入的接触阻抗降至最低程度。

　　4 测试软件设计

　　基于上节对测试硬件环境设计描述，本节主要阐述自动化测试流程设计、软件流程设计、软件算法设计等。

　　4.1 自动化测试总体流程

　　本节以测试一套含有n(n<33)个短截线端点的1553B总线电缆网络为例，说明波形过零点畸变、波形畸变以及波形对称性特性的自动化测试总体流程，具体如图4所示。

　　图4 1553B总线电缆网络波形特性的自动化测试总体流程

　　4.2 软件操作流程

　　测试软件基于Windows XP/2000等操作系统进行开发。软件采用模块化设计，包括用户管理模块、系统配置模块、波形过零点畸变测试模块、波形畸变测试模块、波形对称性测试模块以及系统在线帮助模块。其中波形过零点畸变测试模块、波形畸变测试模块以及波形对称性测试模块的软件流程基本一致，具体如图5所示。

　　图5 波形特性测试软件流程图

　　4.3 专用算法设计

　　专用算法是自动化测试软件系统设计的关键，关系到整个测试系统的测试精度以及系统稳定性。波形过零点畸变、波形畸变以及波形对称性的测试内容各不相同，处理算法也要有针对性的进行设计。

　　(一)波形过零点畸变分析算法

　　波形过零点畸变值是通过分析采集到的1553B信号波形数据得到。根据GJB5186.5-2004中规定的精度要求，将示波器设置为(4us/div、采样深度10M点)档位，根据示波器的当前采样率(Sa=2.5G S/s)，可以计算出相邻两个采样点之间的时间间隔(单位秒)，具体如式1所示。

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

　　通过分析采样点的幅值趋势信息，可以得知过零点的位置，软件根据此位置信息可计算出相邻两个过零点之间的采样点数目n，进而就可计算出相邻两个过零点的时间间隔t(单位秒)，具体如式2所示。

　　t = n × Tn = n × 4 ×10-10 (式2)

　　将式2计算所得的过零点间隔时间实测值与理想的过零点时间间隔比较，求出差值的绝对值，即可得到波形过零点畸变值。

　　例如，激励信号为一条带有数据字0x7FFF的消息，理论上第0和第1个过零点之间的理想时间间隔为2.0us。测试系统根据采集到的1553B信号数据计算出第0和第1个过零点之间有5076个采样点，那么把n = 5076，代入式2即可求得实际测试到第0和第1个过零点之间的时间间隔为t = 2.03 us。由此可知该段波形的过零点畸变值为30ns。

　　(二)波形畸变分析算法

　　波形畸变值也是通过分析采集到的1553B信号波形数据得到。由图1可知，波形畸变值定义为波形斜率突然大幅度变化位置的电压幅度值。判断波形斜率变化的方法有很多中，这里介绍一种高精度的分析方法，其主要思路就是把波形分成若干个时间长度相同的小段，然后求出每小段的两个端点之间的幅度差值，这个幅度差值就代表了该段波形的斜率。

　　世纪设计中，我们把采集到1553B波形数据分成若干等份，每份的时间长度为60ns，通过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，然后按时间先后顺序遍历所有的幅度差值，当幅度差值由正变负或由负变正或是急剧变化时，此点必为波形畸变点，此点的幅度值也就是波形畸变值。

　　(三)波形对称性分析算法

　　波形对称性也是通过分析采集到的1553B信号波形数据得到。由图2可知，波形对称性体现为消息最后一个数据字奇偶校验位的中间过零点开始2.5us时刻的电压幅度。因此遍历采集回来的波形数据，找出消息最后一个数据字奇校验位的中间过零点位置，从该位置开始取2.5us处的采样点，此点的电压幅度就是波形对称性的测试值。

　　例如，激励信号为一条带有一个数据0x8000的消息，那么采集回来的波形数据中的第64(从0开始算)个过零点即为最后一个数据字奇偶校验位的中间过零点。若示波器当前采样率Sa为2.5G S/s， 由式1可知每相邻的两个采样点之间的时间间隔Tn为0.4ns，那么2.5us对应的采样点个数m可由式3求得。

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

　　那么波形对称性的实测值Vrtzero就是从第64个过零点开始算，往后的第6250采样点所对应的幅度值。

　　5 结束语

　　本文依据GJB5186.5-2004以及SAE4115等标准的规定，对1553B总线电缆网络的波形过零点畸变、波形畸变以及波形对称性等三种波形特性的测试方法展开了研究，提出了一种波形特性的自动化测试方案，并对该方案的硬件设计、软件流程以及部分关键算法等进行了详细的阐述和说明。目前，该方案已经在珠海欧比特公司的OBT1553B-CTS型1553B电缆测试系统等产品中得到了实际的验证和装机应用[1]，结果表明，该方案完全可行，且具有稳定性强，可靠性高，一致性好等优点。

　　参考文献：

　　[1] 珠海欧比特控制工程股份有限公司. OBT1553B-CTS型1553B电缆测试系统使用说明书. 2011.

　　[2] 国防科学技术工业委员会. GJB5186.5-2004 数字式时分制指令/响应型多路传输数据总线测试方法，第五部分：系统测试方法，2004.

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

　　[4] 国防科学技术工业委员会. GJB289A-97 数字式时分制指令/响应型多路传输数据总线，1997.

　　[5] 珠海欧比特控制工程股份有限公司. EMBC1000-PCI1553BEI-1错误注入型PCI接口1553B测试板卡使用说明书. 2011.

　　[6] 珠海欧比特控制工程股份有限公司. S698-T芯片用户手册. 2011.