1553B總線電纜網(wǎng)絡(luò)自動測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)及研究

隨著航機(jī)電一體程度的日益提高，作為當(dāng)前宇航電子設(shè)備首選的數(shù)據(jù)總線，MIL-STD-1553B總線(以下簡稱1553B總線)的地位日益突出，已廣泛運(yùn)用于航空航天、海上武器、地面武器等領(lǐng)域。作為星載/箭載/機(jī)載/艦載/車載等控制系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)總線，1553B總線電纜網(wǎng)絡(luò)的可靠性直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，總線故障甚至?xí)斐呻y以估計(jì)的損失。有關(guān)1553B總線電纜網(wǎng)絡(luò)的生產(chǎn)加工、系統(tǒng)組裝前等各環(huán)節(jié)的檢測，顯得至關(guān)重要。因此，如何對1553B總線電纜網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行全面有效的檢測是長期以來的一個(gè)重要課題。

　　1553B總線電纜網(wǎng)絡(luò)

　　MIL-STD-1553B總線全稱是：飛機(jī)內(nèi)部時(shí)分制指令/響應(yīng)式多路傳輸數(shù)據(jù)總線，采用可屏蔽雙絞線傳輸數(shù)據(jù)，以串行數(shù)字脈沖形式傳輸信號，其碼元數(shù)據(jù)采用雙相曼徹斯特碼表示，傳輸速率為1Mbit/s。1553B總線能夠掛32個(gè)終端，采用指令/響應(yīng)型通信協(xié)議，終端類型有三種：總線控制器(BC)、遠(yuǎn)程終端(RT)和總線監(jiān)視器(BM)，信息傳輸格式有BC到RT，RT到BC，RT到RT，廣播模式和系統(tǒng)控制模式。作為1553B總線數(shù)據(jù)的傳輸媒介，1553B總線電纜網(wǎng)絡(luò)為多冗余度總線拓?fù)湫徒Y(jié)構(gòu)，連接于各個(gè)1553B終端設(shè)備之間，完成1553B協(xié)議數(shù)據(jù)通信。一個(gè)完整的1553B電纜網(wǎng)絡(luò)(如圖1所示)包括主總線(主干部分)、短接線(連接于各個(gè)終端的分支部分)、耦合器(主總線與短接線的連接點(diǎn))、終止器(連接于主總線兩端)。

　　作為當(dāng)前宇航電子設(shè)備首選的數(shù)據(jù)總線，國軍標(biāo)以及美軍標(biāo)對1553B總線的測試檢驗(yàn)都作了詳細(xì)說明。GJB5186.5以及SAE4115的對1553B總線電纜網(wǎng)絡(luò)測試標(biāo)準(zhǔn)和方法作了相關(guān)規(guī)范，但其中涉及到的儀器繁多，不利于綜合測試。依照GJB5186.5、SAE4115以及MIL-STD-1553B標(biāo)準(zhǔn)，1553B總線電纜網(wǎng)絡(luò)的測試檢驗(yàn)需要進(jìn)行：網(wǎng)絡(luò)連續(xù)性、網(wǎng)絡(luò)動態(tài)故障測試、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路完整性測試、波形測試—網(wǎng)絡(luò)定性分析、波形畸變值Vmin、過零點(diǎn)畸變Zcross、波形對稱性RtZero等。

　　其實(shí)，測試系統(tǒng)可配置為一個(gè)智能的1553B終端測試設(shè)備。它可以連接在1553B總線網(wǎng)絡(luò)的任意一個(gè)終端上，然后通過軟件控制可以任意工作在BC/RT/BM模式，跟總線網(wǎng)絡(luò)上其它所有的終端設(shè)備進(jìn)行各種數(shù)據(jù)通信，從而測試被測終端設(shè)備的各個(gè)功能是否正常。同時(shí)在進(jìn)行終端設(shè)備功能測試時(shí)，系統(tǒng)可以注入或檢測數(shù)據(jù)字錯(cuò)誤、命令字錯(cuò)誤等各種通信錯(cuò)誤，從而可以快捷而準(zhǔn)確地定位被測終端的功能故障。

　　1553B總線電纜網(wǎng)絡(luò)自動測試系統(tǒng)

　　傳統(tǒng)上，1553B電纜網(wǎng)絡(luò)性能參數(shù)的全面測試，需要用到萬用表、特性阻抗分析儀、示波器、時(shí)域反射儀等儀器，整個(gè)測試過程十分繁瑣，實(shí)施難度大、耗時(shí)長，難以形成統(tǒng)一測試報(bào)告，效率以及可靠性很低。

　　1553B總線電纜網(wǎng)絡(luò)自動測試系統(tǒng)有效地解決了以上問題，可以對1553B總線電纜網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行全面的定量、定性測試分析，整個(gè)過程全自動完成，無須人工干預(yù)，最終形成詳細(xì)的測試分析報(bào)告，可大大提高測試效率以及可靠性。系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)采用柜式結(jié)構(gòu)，模塊化設(shè)計(jì)，主要包括有系統(tǒng)人機(jī)交互界面，系統(tǒng)控制處理器，1553B總線測試專用控制器(實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)1553B總線信號激勵(lì)源、測試輔助分析以及測試切換控制等)，數(shù)據(jù)采集模塊，測試接口面板(實(shí)現(xiàn)被測網(wǎng)絡(luò)的接入)以及打印機(jī)(測試結(jié)果報(bào)表打印)。圖2是整個(gè)系統(tǒng)的功能框圖。

　　系統(tǒng)功能模塊

　　本系統(tǒng)的某些模塊可以直接選用現(xiàn)有模塊來實(shí)現(xiàn)，其中負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)測試控制流程、數(shù)據(jù)分析、算法實(shí)現(xiàn)等工作的系統(tǒng)控制處理器，采用穩(wěn)定性很好的工控機(jī)來實(shí)現(xiàn);人機(jī)交互部分配合工控機(jī)選用液晶顯示器、鍵盤鼠標(biāo)、打印機(jī)(實(shí)現(xiàn)測試結(jié)果報(bào)表的打印輸出)，并結(jié)合測試界面軟件來實(shí)現(xiàn);數(shù)據(jù)采集以及阻抗分析模塊采用具有編程接口的數(shù)字示波器來實(shí)現(xiàn)。

　　專用測試控制器

　　1553B總線電纜網(wǎng)絡(luò)專用測試控制器有兩大功能：作為電纜測試的信號源，產(chǎn)生測試用的標(biāo)準(zhǔn)1553B數(shù)字信號以及正弦波等激勵(lì)信號;完成測試過程中信號源輸入以及信號采集端的切換。專用測試控制器的功能框圖如圖3所示。

　　處理器系統(tǒng)模塊以及1553B總線信號源控制器模塊采用FPGA Cyclone III EP3C55F484 裝載S698 IP核+1553B IP核的形式來實(shí)現(xiàn)。珠海歐比特公司自主研發(fā)的S698 IP核是一款可裁減的基于AMBA總線架構(gòu)的內(nèi)核，片內(nèi)帶有豐富的外設(shè)，具有很好的可靠性，已廣泛運(yùn)用于航空航天領(lǐng)域。1553B IP核也是歐比特公司專門為航空、航天測控網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備開發(fā)的符合1553B協(xié)議的總線控制器模塊。該模塊內(nèi)部實(shí)現(xiàn)了1553B總線協(xié)議處理器和總線數(shù)據(jù)收發(fā)器，可以完成總線控制器(BC)、遠(yuǎn)程終端(RT)和總線監(jiān)視器(BM)三種總線設(shè)備的功能。此處S698 IP核和1553B IP核均具有可剪裁性，根據(jù)測試系統(tǒng)的需要可以對其功能進(jìn)行增加或減除。1553B軟核在FPGA內(nèi)部實(shí)現(xiàn)全部MIL-STD-1553B總線協(xié)議的硬件解析，但1553B信號電平的邏輯轉(zhuǎn)換、驅(qū)動需要在外部通過收發(fā)驅(qū)動器實(shí)現(xiàn)。這里選用HOLT公司的1553B總線收發(fā)驅(qū)動器HI-1573進(jìn)行設(shè)計(jì)。

　　綜合考慮系統(tǒng)的功能需求，程序存儲器采用了SST公司的8位FLASH，型號為39VF040(512×8bit)，占用處理器的地址范圍為：0x0000000～0x0007ffff;數(shù)據(jù)存儲器采用了ISSI公司的16位SRAM，型號為IS61LV51216(512×16bit)，占用處理器的地址范圍為：0x4000000～ 0x400fffff。

　　通道切換開關(guān)模塊主要完成激勵(lì)信號選擇性輸入到被測網(wǎng)絡(luò)以及選擇性采集被測網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)信號，因此用于選擇導(dǎo)通的開關(guān)必須具有導(dǎo)通電阻小、導(dǎo)通電容小等特性，從而極大減小開關(guān)對激勵(lì)信號或被采集信號的影響。綜合考慮各方面因素，選擇歐姆龍繼電器進(jìn)行設(shè)計(jì)。

　　為了最大限度地兼容通用的1553B總線電纜網(wǎng)絡(luò)的接入測試，接口面板按照可接入32路1553B總線電纜網(wǎng)絡(luò)端點(diǎn)的需求來設(shè)計(jì)，同時(shí)每組接插件都是由1個(gè)孔型(DK-621-0940-4S)和1個(gè)針型(DK-621-0940-4P)插座組成，以兼容外部的針型(DK-621-0939-4P)和孔型插頭(DK-621-0939-4S)。

　　1553B總線終端設(shè)備功能測試模塊

　　此模塊主要是完成終端設(shè)備的功能測試，模擬一個(gè)終端設(shè)備工作在BC/RT/BM模式下，跟總線網(wǎng)絡(luò)上其它所有的終端設(shè)備進(jìn)行各種數(shù)據(jù)通信，從而測試被測終端設(shè)備的各個(gè)功能是否正常。這里選用了珠海歐比特公司研發(fā)的基于PCI接口的1553B功能測試設(shè)備EMB1000-PCI1553B-EI，直接插在系統(tǒng)控制器工控機(jī)的PCI槽上即可集成在本系統(tǒng)中。EMBC1000-PCI1553B-EI功能強(qiáng)大，并提供VC++環(huán)境下的接口函數(shù)，易于系統(tǒng)集成。它具有以下功能特點(diǎn)：

　　1.操作方式、寄存器設(shè)置以及存儲器布局等方面同BU-61580完全兼容;

　　2.支持BC、RT、BM工作模式;

　　3.獨(dú)立的1553B控制器。

　　軟件編程

　　軟件主要包括上層測試界面軟件和1553B總線測試專用控制器的底層固件兩部分。

　　界面軟件用VC++語言編寫，控制工控機(jī)的PCI、USB、RS232等外設(shè)接口，從而實(shí)現(xiàn)對1553B總線終端設(shè)備功能側(cè)測試設(shè)備EMBC1000-PCI1553B-EI、實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的泰克數(shù)字示波器以及1553B總線網(wǎng)絡(luò)專用測試控制器等各個(gè)模塊的控制。

　　專用控制器的底層固件主要是實(shí)現(xiàn)S698處理器對1553B控制器的控制，包括數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收等，采用標(biāo)準(zhǔn)C編程，程序調(diào)試在歐比特公司開發(fā)的針對SPAR V8標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)處理器的開發(fā)環(huán)境Orin5.0上完成。

　　結(jié)語

　　本文介紹了如何實(shí)現(xiàn)對1553B總線電纜網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行可靠有效的測試檢驗(yàn)，最終提出一個(gè)1553B總線電纜網(wǎng)絡(luò)自動測試系統(tǒng)的方案，從而解決了傳統(tǒng)測試的設(shè)計(jì)測試儀器繁多、過程繁瑣、實(shí)施難度大、效率和可靠性低的問題。該方案已經(jīng)進(jìn)行實(shí)施，形成了產(chǎn)品，經(jīng)過大量的驗(yàn)證測試，該系統(tǒng)可以完成1553B總線電纜的全面、快捷、有效可靠的測試，已經(jīng)廣泛運(yùn)用于航空航天、海上武器，地面武器等領(lǐng)域。