基于BU-61865的1553B總線硬件電路板設(shè)計(jì)

高迎彬，胡昌華，何華鋒，申志永，呂永佳

（第二炮兵工程學(xué)院 302教研室，陜西 西安 710025）

1553B總線是美國軍方于上世紀(jì)60年代開發(fā)的一款時(shí)分多路復(fù)用總線，以其可靠性高、反應(yīng)靈敏、雙余度、傳輸速度快等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。1553B總線電路板的設(shè)計(jì)是進(jìn)行1553B總線通信的前提，如何設(shè)計(jì)電路才能最大可能的減小干擾，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性便是研究的主要問題。筆者以1553B總線協(xié)議芯片為核心，介紹了1553B總線的硬件電路結(jié)構(gòu)，并對(duì)硬件電路的抗干擾問題做出了詳細(xì)的分析，最后給出了解決方案。筆者所提出的硬件設(shè)計(jì)方案不僅適用于該芯片，而且對(duì)于該系列和以往系列協(xié)議芯片同樣適用，具有很強(qiáng)的通用性。

1 總線協(xié)議芯片BU-61865介紹

Enhanced Min-ACE系列芯片是美國DDC公司繼ACE（Advanced Communicate Engine）系列和Min-ACE系列芯片之后，最新推出的1553B總線系列協(xié)議芯片，其中以BU-61865最具有代表性。較以前的ACE系列，BU-61865具有如下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)[1-2]：

1）BU-61865為72引腳的表貼式1平方英寸的小型陶瓷封裝，大大減小了電路板面積

2）內(nèi)部集成有64 k×17的RAM，大容量的內(nèi)部存儲(chǔ)器使得用戶無需再擴(kuò)展外部RAM，同時(shí)內(nèi)部集成數(shù)據(jù)校驗(yàn)功能，可自行對(duì)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行奇校驗(yàn)。

3）收發(fā)器供電電壓和邏輯電壓均為5 V，使得電源的設(shè)計(jì)更加簡單

4）系統(tǒng)時(shí)鐘更加靈活多樣，可以采用 10 M，12 M，16 M，20 M 4種不同頻率的時(shí)鐘晶振

5）與以往的ACE系列芯片完全兼容，用戶無需或只需作很小一部分修改就能將以往的電路和程序移植過來，具有很強(qiáng)的繼承性。

圖1是BU-61865的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，從圖中可以看出整個(gè)1553B總線的發(fā)送或接收數(shù)據(jù)均是外部控制器通過處理器和存儲(chǔ)器接口邏輯控制內(nèi)存管理器在RAM中讀取或存儲(chǔ)數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)的。TX/RXA+、TX/RXA-是輸出曼徹斯特編碼的報(bào)文，通過變壓器輸送到1553B總線上。

圖1 BU-61865內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Internal structure of BU-61865

2 1553B總線電路的總體設(shè)計(jì)

圖2是基于BU-61865設(shè)計(jì)的1553B總線通信系統(tǒng)通用電路框圖[3-4]。

圖2 電路板整體框架Fig.2 General frame of PCB

整個(gè)電路由BU-61865協(xié)議芯片、控制器、時(shí)鐘、隔離變壓器器、耦合器等5部分構(gòu)成，其中BU-61865是核心芯片，主要實(shí)現(xiàn)與1553B總線進(jìn)行通信；主控制器則是將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)寫入?yún)f(xié)議芯片或?qū)f(xié)議芯片接收到數(shù)據(jù)及時(shí)讀取出來；時(shí)鐘主要是為BU-61865內(nèi)部編/解碼器提供一個(gè)基準(zhǔn)；隔離變壓器主要是為了滿足1553B總線的電氣特性；耦合器主要是完成該電路與1553B通信電纜的物理連接。

3 耦合方式的選擇原則

1553B總線標(biāo)準(zhǔn)提出了兩種耦合方式：直接耦合和變壓器耦合[5]，如圖3所示。直接耦合是協(xié)議芯片的信號(hào)輸出后經(jīng)過隔離變壓器器的隔離，直接輸入到1553B總線，其中的55歐姆的隔離電阻起到的是保護(hù)作用；變壓器耦合是輸出信號(hào)經(jīng)過隔離變壓器之后還要經(jīng)過耦合變壓器進(jìn)行耦合，而后送入1553B總線。相比直接耦合，變壓器耦合有如下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。

圖3 BU-61865與總線連接圖Fig.3 Connection diagram of BU-61865 and 1553B bus

1）耦合變壓器的1.4:1的輸出比使得變壓器耦合方式的隔離電阻阻值能夠達(dá)到直接耦合的兩倍（對(duì)于總線端而言）；由于支線電纜的分布電容會(huì)對(duì)輸出信號(hào)造成很大的衰減，進(jìn)而影響支線傳輸?shù)木嚯x，而兩倍的總線隔離電阻可以大大減小分布電容的大小，提高傳輸距離。一般而言，直接耦合方式，傳輸距離不超過12英寸；而變壓器耦合可達(dá)到20英尺。

2）當(dāng)支路電纜發(fā)生短路時(shí)，變壓器耦合方式能夠有效地保護(hù)總線電纜，而直接耦合則難以做到。

3）直接耦合方式不能提供直流的隔離，而且共模保護(hù)能力差，當(dāng)支線的長度超過0.5 m時(shí)將發(fā)生傳輸波形畸變。而變壓器耦合則不存在這種情況。

由于變壓器耦合在傳輸距離、總線保護(hù)以及抗干擾等方面的優(yōu)點(diǎn)，建議使用變壓器耦合，尤其是對(duì)于機(jī)載電子設(shè)備、航空產(chǎn)品等對(duì)于信號(hào)傳輸距離和穩(wěn)定性有嚴(yán)格要求的場合。

4 PCB板布局與布線

圖4是一個(gè)典型1553B總線電路板布局圖 （B3227是DDC公司指定的隔離變壓器），布局時(shí)需要注意的有變壓器的布局，地層和電源層的設(shè)計(jì)以及晶振的安排。

圖4 布局示意圖Fig.4 Layout drawing

在對(duì)1553B總線硬件設(shè)計(jì)時(shí)，首先要注意的是變壓器的安放位置。由于BU-61865的收發(fā)引腳發(fā)出的是一個(gè)1 M頻率的模擬信號(hào)，為了避免長走線對(duì)模擬信號(hào)造成的電壓降，同時(shí)也為了避免和電路板上其他信號(hào)之間的干擾，應(yīng)該將隔離變壓器盡可能的靠近協(xié)議芯片。除此之外還要避免在變壓器的模擬信號(hào)線周圍布其他模擬和數(shù)字線，更不能將其他高頻信號(hào)線布在其周圍，最好的方法是變壓器的模擬信號(hào)線周圍就不要布置其他信號(hào)線，這樣能最大可能地保持信號(hào)的穩(wěn)定，防止信號(hào)的串?dāng)_。

除了對(duì)變壓器的安放有要求之外，在設(shè)計(jì)電路板時(shí)要十分注意地層和電源層的放置。在隔離變壓器或者是模擬信號(hào)線的下層最好不要放置有地層和電源層，這主要是因?yàn)?553B總線標(biāo)準(zhǔn)要求直接耦合的輸入阻抗是2 000 Ω （變壓器耦合的阻抗是1 000 Ω[5]），如果在模擬信號(hào)下設(shè)有地層，由于電路板上的分布電容會(huì)降低終端的輸入阻抗，很有可能是得終端的阻抗不符合要求，造成傳輸錯(cuò)誤的發(fā)生。

最后是晶振的布局，不論是采用何種頻率的晶振，晶振的輸出都是高頻信號(hào)，在布局時(shí)，應(yīng)該注意使晶振的輸出腳盡量靠近BU—61865的Clock，in管腳，減短走線長度，這樣能夠有效減小晶振信號(hào)的衰減以及其他信號(hào)對(duì)其的干擾。

5 電源紋波的處理

雖然BU-61865的邏輯電壓和收發(fā)器電壓均為5 V，但是兩者在實(shí)際工作時(shí)的工作回路卻不相同。對(duì)于邏輯電壓而言，主要是為內(nèi)部編解碼器以及內(nèi)存提供電源；而對(duì)于收發(fā)器電源回路，則是從收發(fā)器輸出經(jīng)過變壓器到達(dá)變壓器的地，兩者構(gòu)成了不同的供電回路。所以如果可以的話，在PCB板布線時(shí)邏輯電源線和收發(fā)器電源線最好分開布線，這樣就能避免模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)之間的干擾。

此外，BU-61865對(duì)于收發(fā)器的供電電壓有嚴(yán)格的要求（最低為4.5 V，低于此值收發(fā)將無法工作[6]），所以布線時(shí)要重點(diǎn)考慮導(dǎo)線的阻抗，變壓器阻抗等對(duì)供電電壓的影響。使用去耦電容能夠起到很好的降低阻抗的作用。通常情況下，在BU-61865的5 V邏輯電源線處要加0.1 μF的陶瓷電容；在BU-61865的收發(fā)器電源線處要加0.1 μF的陶瓷電容和10 μF 的鉭電容。

由于BU-61865的輸出是1 MHz的信號(hào)，供電電源的高頻紋波很容易造成輸出信號(hào)的畸變，所以在選用供電電源時(shí)，應(yīng)該避免使用開關(guān)電源和DC-DC電源[7]。

6 結(jié)束語

依照以上原則設(shè)計(jì)的一塊硬件電路板，目前該電路板已經(jīng)調(diào)試成功，實(shí)驗(yàn)表明當(dāng)外界施加各種不同的干擾信號(hào)的情況下，該電路板依然能夠保持完好的數(shù)據(jù)傳輸速度和精度，完全符合1553B總線標(biāo)準(zhǔn)的要求[7]。

[1]DDC.Enhanced Miniature Advanced Communications Engine[EB/OL].（2005-08）.http://www.doc88.com/P-5480149358.html.

[2]李新民，張旭.小型化1553B通信協(xié)議芯片Mini-ACE的開發(fā)和應(yīng)用[J].航空計(jì)算技術(shù)，2009（39）:120-123.LI Xin-min，ZHANG Xu.Design and application of 1553B protocol chip enhanced Min-ACE[J].Aeronautical Computing Technique，2009（39）:120-123.

[3]曠文聰，姜運(yùn)生.基于BU-61580的1553B航空通訊總線設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)，2008，45（12）:14-21.KUANG Wen-cong，JIANG Yun-sheng.The design of 1553B avionic communication bus based on BU-61580[J].Electronic Technology，2008，45（12）:14-21.

[4]昊勇，朱建民，朱培申，等.航電綜合化系統(tǒng)總線接口板研究設(shè)計(jì)[J].火力與指揮控制，2001，（9）:28-31.HAO Yong，ZHU Jian-min，ZHU Pei-shen，et al.Design of bus interface board to the integrated avionics system[J].Fire Control&Command Control，2001（9）:28-31.

[5]GJB289A-97.數(shù)字式時(shí)分制指令／響應(yīng)型多路傳輸數(shù)據(jù)總線[S].中華人民共和國國家軍用標(biāo)準(zhǔn).

[6]DDC.Enhanced Miniature Advanced Communications Engine UsersGuideMN-6186X-001Volume1ArchitecturalReference[S].2000.

[7]曲利新.軍用電路板的一種防護(hù)方法[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2009（19）:184-186.QU Li-xin.Defending method of printed circuit board for military use[J].Modern Electronics Technique，2009（19）:184-186.