AFDX仿真器10M工作模式校準(zhǔn)方法研究

付軍立，肖斌

（中航工業(yè)北京長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所，北京 100095）

AFDX仿真器10M工作模式校準(zhǔn)方法研究

付軍立，肖斌

（中航工業(yè)北京長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所，北京 100095）

2.1 波形參數(shù)校準(zhǔn)

10 Mbit/s波形參數(shù)校準(zhǔn)采用帶差分輸入探頭的數(shù)字存儲(chǔ)示波器作為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，原理如圖2所示。

圖中TD+和TD-分別為仿真器發(fā)送端的兩個(gè)差分信號(hào)輸出端，限流電阻值RC1與RC2為83Ω。負(fù)載電阻值RL為100Ω，精度要求±1%。［2］

AFDX總線仿真器在10 Mbit/s傳輸速率工作模式下，物理層信號(hào)采用差分雙極性曼徹斯特編碼方式，為同步時(shí)鐘編碼技術(shù)，信號(hào)波形的正跳變表示二進(jìn)制信息 “1”、負(fù)跳變表示 “0”，接收端很容易就能從信號(hào)的跳變周期中恢復(fù)時(shí)鐘，進(jìn)而恢復(fù)出數(shù)據(jù)邏輯。由于每一次跳變都代表一位二進(jìn)制信息，波形始終處于連續(xù)變化狀態(tài)，因此對(duì)信號(hào)波形幅度對(duì)稱度、波形過(guò)沖和占空比失真沒有量值要求，校準(zhǔn)項(xiàng)目側(cè)重于傳輸速率、差分信號(hào)幅度、上升時(shí)間、下降時(shí)間、上升/下降時(shí)間對(duì)稱度、發(fā)送抖動(dòng)和帶寬分配間隔。

2.1.1 傳輸速率

傳輸速率定義為AFDX總線仿真器的信號(hào)發(fā)送端單位時(shí)間內(nèi)輸出的數(shù)據(jù)信號(hào)總位數(shù)，以 “兆比特每秒”表示，單位Mbit/s(可簡(jiǎn)寫為Mb/s)。如假設(shè)一幀數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為L(zhǎng)(字節(jié)，byte)，發(fā)送一幀數(shù)據(jù)的時(shí)間為t (s)，則信號(hào)傳輸速率為

由于AFDX一幀數(shù)據(jù)的最小長(zhǎng)度為84字節(jié)［1］，采用定義方式測(cè)量時(shí)，需要至少測(cè)量一個(gè)完整的數(shù)據(jù)幀，要求示波器具備一定的存儲(chǔ)深度和 “N_period”(多周期)測(cè)量功能。因此，可以采取直接測(cè)量AFDX有效載荷數(shù)據(jù)信號(hào)位波形周期的方式獲得數(shù)據(jù)傳輸速率。即設(shè)定AFDX總線仿真器輸出連續(xù)“00”或 “FF”的十六進(jìn)制數(shù)據(jù)，使有效載荷數(shù)據(jù)段波形呈現(xiàn)規(guī)則的周期信號(hào)，測(cè)量10個(gè)脈沖周期T1(ns)，用下式計(jì)算數(shù)據(jù)傳輸速率為

傳輸速率校準(zhǔn)結(jié)果應(yīng)符合10 Mbit/s±0.01%的要求，不確定度優(yōu)于3×10-5。

2.1.2 差分信號(hào)幅度

差分信號(hào)幅度是指?jìng)鬏斝盘?hào)波形從零電平至正向或負(fù)向脈沖幅度的絕對(duì)值，如圖3所示。

差分信號(hào)幅度的校準(zhǔn)采用 “密度分布平均法”，在一個(gè)完整數(shù)據(jù)幀中分別對(duì)幀頭、有效數(shù)據(jù)載荷和幀尾部分波形的正負(fù)向幅度分別進(jìn)行測(cè)量，所有測(cè)量值應(yīng)符合公式 (3)要求，不確定度優(yōu)于5%。

2.1.3 上升/下降時(shí)間

上升時(shí)間是指?jìng)鬏斝盘?hào)波形從峰峰值的10%上升到90%所需要的時(shí)間；下降時(shí)間是指?jìng)鬏斝盘?hào)波形從峰峰值的90%下降到10%所需要的時(shí)間，如圖3所示。根據(jù)10 Mbit/s物理層信號(hào)傳輸使用差分雙極性曼徹斯特編碼方式，在測(cè)量上升時(shí)間時(shí)設(shè)定AFDX總線仿真器輸出 “FF”的連續(xù)十六進(jìn)制數(shù)據(jù)包，測(cè)量下降時(shí)間時(shí)設(shè)定AFDX總線仿真器輸出 “00”的連續(xù)十六進(jìn)制數(shù)據(jù)包，則獲得的測(cè)量數(shù)據(jù)均為代表 “1”或“0”的有效邊沿建立時(shí)間。上升/下降時(shí)間校準(zhǔn)結(jié)果應(yīng)符合公式 (4)要求，不確定度優(yōu)于5%。

2.1.4 上升/下降時(shí)間對(duì)稱度

上升/下降時(shí)間對(duì)稱度是評(píng)價(jià)上升時(shí)間和下降時(shí)間的一致性，對(duì)于10 Mbit/s的差分雙極性曼徹斯特編碼方式，應(yīng)包括數(shù)據(jù)為 “1010…”時(shí)，代表 “1”的上升時(shí)間 “Tr”和代表 “0”的下降時(shí)間 “Tf”之間的一致性；連續(xù)“0000…”的下降時(shí)間 “Tf0”和過(guò)渡上升時(shí)間 “Tr0”之間的一致性；以及連續(xù) “1111…”的上升時(shí)間 “Tr1”和過(guò)渡下降時(shí)間 “Tf1”之間的一致性，取最大差值應(yīng)同時(shí)滿足公式 (5)要求，不確定度優(yōu)于5%。

2.1.5 發(fā)送抖動(dòng)

發(fā)送抖動(dòng)為連續(xù)兩個(gè)相同方向過(guò)零點(diǎn)之間的時(shí)間間隔與理想時(shí)間間隔 (100 ns)的偏差。校準(zhǔn)過(guò)程中，設(shè)定AFDX總線仿真器輸出連續(xù) “00”或 “FF”的十六進(jìn)制數(shù)據(jù)，使有效載荷數(shù)據(jù)段波形呈現(xiàn)規(guī)則的周期信號(hào)，直接測(cè)量單個(gè)信號(hào)周期T(ns)，如圖4所示。

發(fā)送抖動(dòng)校準(zhǔn)結(jié)果應(yīng)符合公式 (6)要求，不確定度優(yōu)于1%。

2.1.6 共模輸出電壓

共模輸出電壓是由于10 M發(fā)送端TD+和TD-兩個(gè)端口輸出信號(hào)之間存在的相位差而產(chǎn)生的，包含了端口信號(hào)的同相直流偏置，當(dāng)TD+和TD-兩個(gè)端口輸出信號(hào)相位完全相同時(shí) (工程上無(wú)法做到)，共模輸出電壓應(yīng)為TD+和TD-兩個(gè)端口輸出信號(hào)直流偏置的代數(shù)和。校準(zhǔn)原理如圖5所示。

圖5中兩個(gè)47.5Ω電阻之間的一致性不超過(guò)±0.01%［2］。

共模輸出電壓校準(zhǔn)波形如圖6所示，圖6中，V+max，V-max分別表示以零電平為基準(zhǔn)、正向和負(fù)向脈沖峰值的最大值。

共模輸出電壓校準(zhǔn)結(jié)果應(yīng)符合公式 (7)要求，不確定度優(yōu)于5%。

2.1.7 帶寬分配間隔校準(zhǔn)

帶寬分配間隔BAG為兩個(gè)連續(xù)的數(shù)據(jù)幀之間的時(shí)間間隔，可設(shè)定為 (1～128)ms之間為2的整數(shù)次冪的任一數(shù)值［3］，校準(zhǔn)結(jié)果應(yīng)在±0.5 ms范圍內(nèi)，不確定度優(yōu)于0.1%。

帶寬分配間隔的校準(zhǔn)可以采用兩種方法，一是示波器直接測(cè)量法：10 Mbit/s數(shù)據(jù)信號(hào)波形頻率為20 MHz，為保證波形不失真，設(shè)定示波器采樣為200 MSa/s，并保證測(cè)量?jī)蓚€(gè)完整的數(shù)據(jù)幀，按最小數(shù)據(jù)幀(84 byte，67.2μs)計(jì)算，則測(cè)量128 ms的最大帶寬分配間隔時(shí)，測(cè)量時(shí)長(zhǎng)為128.1344 ms，所需存儲(chǔ)深度應(yīng)不小于25.63 Mpts，對(duì)示波器的存儲(chǔ)深度要求較高。

另一種方法是采用間接測(cè)量法，采用AM26LS32差分轉(zhuǎn)單端信號(hào)處理芯片，將一個(gè)完整的10 Mbit/s數(shù)據(jù)幀處理成一個(gè)單脈沖周期信號(hào)，當(dāng)循環(huán)發(fā)送同一數(shù)據(jù)幀時(shí)，輸出端產(chǎn)生一個(gè)以BAG為周期的單脈沖信號(hào)，直接測(cè)量處理后的信號(hào)周期即為帶寬分配間隔。

“我最清楚的記憶來(lái)自6歲那年的遭遇。那是一個(gè)禮拜天，母親陪著我們兄弟倆走下公寓的臺(tái)階。我們正準(zhǔn)備去教堂。正沿著走廊走向大門口時(shí)，我們聽見巨大的撞擊聲，混雜著尖叫聲和呼救聲。三輛載著家人的轎車發(fā)生了事故。不知怎的，混亂中，我松開了抓著母親的手。我站在路邊，看見有什么東西從一輛翻轉(zhuǎn)的車?yán)餄L落出來(lái)。它停在我所站的馬路牙子邊。那是一個(gè)小女孩的頭。我彎下腰，想去觸摸那張臉，和她說(shuō)話——但在碰到她之前，我就被什么人拽走了?！?/p>

2.2 端接特性校準(zhǔn)

2.2.1 接收端共模抑制校準(zhǔn)

共模抑制是評(píng)價(jià)AFDX總線仿真器接收端抗共模干擾的能力，校準(zhǔn)原理如圖7所示。

圖7中：R1=71.5Ω，R2=148Ω，誤差要求±1%［2］。共模干擾信號(hào)Ecm-r為頻率范圍0.1 Hz～500 kHz、峰峰值幅度小于25 V的方波。正常數(shù)據(jù)信號(hào)源ES可以采用經(jīng)過(guò)電氣特性校準(zhǔn)的AFDX仿真器發(fā)送端或其他符合ARINC664協(xié)議的AFDX數(shù)據(jù)信號(hào)發(fā)生器，校準(zhǔn)過(guò)程中疊加符合上述要求不同頻率、不同幅度的干擾信號(hào)，應(yīng)不影響正常數(shù)據(jù)的接收。

2.2.2 回波損耗校準(zhǔn)

回波損耗，又稱反射損耗，是端口反射功率與入射功率的比值，用分貝 (dB)表示。對(duì)于一個(gè)理想的阻抗匹配端口，沒有能量被反射回來(lái)，回波損耗就是無(wú)窮大。AFDX仿真器10 Mbps接口使用雙向信令的方式，同時(shí)雙向傳輸，芯片的管腳在發(fā)射數(shù)據(jù)信號(hào)的同時(shí)也接收數(shù)據(jù)信號(hào)。如果回波損耗低的話，信號(hào)會(huì)在差分傳輸線上形成多重反射，影響信號(hào)完整性，是非常關(guān)鍵的校準(zhǔn)項(xiàng)目。

AFDX仿真器回波損耗的校準(zhǔn)應(yīng)對(duì)發(fā)送端和接收端分別進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)原理如圖8、圖9所示。

圖中的不平衡變壓器起信號(hào)隔離耦合作用。AFDX總線仿真器的信號(hào)發(fā)送端、接收端均為平衡信號(hào)，其負(fù)端與地參考是分開的；而網(wǎng)絡(luò)分析儀的輸入、輸出端口是不平衡信號(hào)，其負(fù)端是地參考端，不平衡變壓器實(shí)現(xiàn)兩種信號(hào)的隔離耦合。選用3dB帶寬為20 MHz的不平衡變壓器，網(wǎng)絡(luò)分析儀掃描頻率范圍5～10 MHz，校準(zhǔn)結(jié)果應(yīng)不小于15 dB，不確定度優(yōu)于10%。

3 校準(zhǔn)試驗(yàn)驗(yàn)證

校準(zhǔn)試驗(yàn)驗(yàn)證過(guò)程中標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備采用DSO90604A型數(shù)字存儲(chǔ)示波器+1134A差分探頭和E5071C網(wǎng)絡(luò)分析儀，校準(zhǔn)對(duì)象采用美國(guó)EXCalibur公司生產(chǎn)的Exc-ARINC664-PCIe型AFDX總線仿真器，校準(zhǔn)結(jié)果見表1。

從校準(zhǔn)結(jié)果可以看出，本文所述校準(zhǔn)方法是可行的，校準(zhǔn)結(jié)果符合ARINC664標(biāo)準(zhǔn)的要求。不確定度包含了標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備、校準(zhǔn)接口適配器和重復(fù)性等影響，且受標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備精度及系統(tǒng)帶寬影響較大，僅代表本次測(cè)量結(jié)果的不確定度。

4 結(jié)論

對(duì)于AFDX總線仿真器進(jìn)行校準(zhǔn)，可以將總線數(shù)據(jù)端口的量值通過(guò)示波器、網(wǎng)絡(luò)分析儀等通用測(cè)量設(shè)備溯源至國(guó)家基標(biāo)準(zhǔn)，從而確保AFDX總線參數(shù)量值統(tǒng)一；為AFDX總線仿真器新設(shè)備的驗(yàn)收、周期校準(zhǔn)提供方法依據(jù)。

［1］ARINC664 Aircraft data network［S］.Aeronautical Radio，INC.2006.

［2］IEEE Std 802.3，Carrier sense multiple access with collision detection(CSMA/CD)accessmethod and physical layer specifications［S］.The Institute of Electricaland Electronics Engineers，Inc.，2002.

［3］AFDX/ARINC 664 Tutorial(1500-049)［Z］.Condor Engineering，Inc.，2005.