新型組合式1553B數(shù)據(jù)總線耦合器的設(shè)計

莫劍冬，徐　鴻

(1. 上海航天設(shè)備制造總廠，上海，200245；2. 中航光電科技股份有限公司，河南洛陽，471000)

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新型組合式1553B數(shù)據(jù)總線耦合器的設(shè)計

莫劍冬1，徐鴻2

(1. 上海航天設(shè)備制造總廠，上海，200245；2. 中航光電科技股份有限公司，河南洛陽，471000)

摘要：本文從現(xiàn)有數(shù)據(jù)總線耦合器結(jié)構(gòu)入手，指出了它在需要返工時的缺點，分析了耦合器組成各元件的主要功能及結(jié)構(gòu)原理，由此構(gòu)想出新的組合式結(jié)構(gòu)，并對比分析了兩種結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點，指出該結(jié)構(gòu)具有一定的推廣意義。

關(guān)鍵詞：耦合器； 耦合串路小單元； 總線盒；耦合放大器

1引言

耦合器是1553B數(shù)據(jù)總線耦合器的簡稱，按結(jié)構(gòu)分為變壓器耦合方式和直接耦合方式兩類，本文只討論變壓器耦合方式的。它專用于各種1553B數(shù)據(jù)總線網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，是總線網(wǎng)絡(luò)的核心，是必不可少的一個單元。耦合器的作用主要有以下三點：

1) 信號耦合，就是把總線上傳輸?shù)男盘栺詈系街Ь€上，使得各種終端設(shè)備能夠獲得總線上的信息。

2) 信號隔離，就是把總線上的信號和短截線(俗稱“子線”)上的信號隔離開，不使其直接相通，當(dāng)某個終端設(shè)備出現(xiàn)故障時，不會引起總線產(chǎn)生故障，起到一定的故障隔離作用。

3) 信號抑制，變壓器式耦合器，采用了線圈等元器件，具備抑制共模信號的作用。

2數(shù)據(jù)總線耦合器現(xiàn)狀

數(shù)據(jù)總線耦合器是隨著1553B數(shù)據(jù)總線網(wǎng)絡(luò)發(fā)展起來的，主要分為線式和盒式(術(shù)語為“非連接器式”和“連接器式”)兩種結(jié)構(gòu)。其核心內(nèi)容相同，主要區(qū)別在于是否帶線及外形。目前，國內(nèi)外耦合器均采用整體式結(jié)構(gòu)，將耦合變壓器、隔離電阻集成到一塊印制板上，按用途分為總線(代號BUS)端和短截線(代號STUB)端兩種接線端，線式耦合器在BUS和STUB端分別焊接一定長度線纜，然后用尺寸適中的兩殼體扣合印制板，線纜屏蔽層焊接到殼體兩端，殼體腔內(nèi)灌膠充實，外部通過塑封或熱縮管縮封等形式保護殼體，并增加產(chǎn)品美觀，如圖1所示。盒式耦合器是在BUS和STUB端接標(biāo)準(zhǔn)DK-621型或其他類型連接器作為接口。

圖1　國內(nèi)外線式耦合器代表產(chǎn)品

此種結(jié)構(gòu)比較緊湊，外觀小巧美觀，性能優(yōu)良，符合軍用小型化高可靠的要求。但它也有兩個缺點：

①GJB5186.7(耦合器、終止器、線纜的規(guī)范)規(guī)定的部分性能為過程性能，對于此種不易拆卸的結(jié)構(gòu)無法驗證，故GJB5186.5(總線規(guī)范)上有這么一句話“總線網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計驗證測試，要求完成5.1所有的測試項目?？偩€網(wǎng)絡(luò)的生產(chǎn)測試也要求盡可能完成5.1所有的測試，由于生產(chǎn)階段實際中一般缺少物理測試點，所有允許5.1測試項中無法進行的項目可不測試，但要求至少完成5.1.9的測試(Page3)”，是什么原因讓國軍標(biāo)都如此“無可奈何”？答案是不可拆卸的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)；

②產(chǎn)品若因單個零件損壞就得整體更換或返工維修，如其中一個變壓器被擊穿，無法耦合信號，導(dǎo)致某一根短截線信號不通，產(chǎn)品功能出現(xiàn)障礙，若要返工，則要拆開耦合器封裝、殼體，并將腔內(nèi)膠全挖掉，才能換掉失效元器件，再次經(jīng)過灌膠、焊接、封裝等工序才算返工完成。費時費力，成本也會相應(yīng)增加，且返工周期一般較長，且在返工過程中易對其他元器件造成損害卻不易被發(fā)現(xiàn)。

3組合式結(jié)構(gòu)

歸根結(jié)底，產(chǎn)品因為最初的應(yīng)用比較簡單，以單子線和雙子線為主，所以，設(shè)計者將產(chǎn)品設(shè)計為整體式，即使返工，難度也并不大。但是，隨著短截線數(shù)量的增加，產(chǎn)品變得更加復(fù)雜，失效率也會相對增加，雖一直沿用這種緊湊的結(jié)構(gòu)，但我們不能忽視了它的兩個缺點，而是需要從結(jié)構(gòu)上來進行改進。只有先了解產(chǎn)品結(jié)構(gòu)原理，才能在現(xiàn)有基礎(chǔ)上進行改進或調(diào)整，以使產(chǎn)品更加完善。

首先，耦合器由耦合變壓器、電阻、印制板、導(dǎo)熱膠等組成。其中，耦合變壓器作用是實現(xiàn)總線與短截線的信號耦合傳遞和物理隔離，既實現(xiàn)“連接”又保證“隔離”；電阻的作用是防止耦合變壓器總線端短路而影響總線，同時保證阻抗的匹配；印制板作用是集成所有電子元器件，并提供內(nèi)部電路走線；導(dǎo)熱膠作用是填充耦合器，提高抗振、抗沖擊能力、良好的導(dǎo)熱性可以實現(xiàn)內(nèi)部元器件發(fā)熱后散熱功能。

以單子線耦合器為例簡單說明耦合器電路原理圖，如圖2所示。

圖2　單子線耦合器電路原理圖

從以上分析可以看出，現(xiàn)有結(jié)構(gòu)只有在產(chǎn)品出現(xiàn)失效需要返工時才顯現(xiàn)出它的不易拆除弊端，正常工作(不考慮是否測試過程性能)情況下是沒有什么問題的。單純的提高元器件的可靠性可以將出問題的概率降到最低。那么，這個方案可行嗎？答案是不可行的。耦合器外殼體將所有元器件包裹住，從而實現(xiàn)小型化、集成化。一個耦合器有兩個BUS端和n個STUB端，n可以取1～8(國外上限為6)。如圖一條短截線對應(yīng)一個耦合變壓器和兩個隔離電阻，隨著n的增大，耦合變壓器及隔離電阻數(shù)量也成倍增加。

先看一個新術(shù)語，將圖2中隔離電阻和耦合變壓器高匝數(shù)端串聯(lián)后的電路作為耦合器STUB一部分，命名為耦合串路小單元。假設(shè)耦合串路小單元的可靠性為k(0

于是，圍繞元器件這個核心內(nèi)容，設(shè)想一種新結(jié)構(gòu)，稱之為組合式耦合器，即BUS和STUB可通過連接器隨意連接與分離，這個點定在耦合串路小單元與BUS連接的位置。如圖3所示。

圖3　隔離電阻與耦合變壓器串路小單元

設(shè)計成耦合串路小單元，雖不能減小產(chǎn)品串路失效的概率1-kn，但耦合器的STUB互相獨立分開，這樣可以減少單個耦合串路單元失效時產(chǎn)品返工的復(fù)雜性，不用整體拆卸，僅僅對失效的單個STUB進行返工即可。從圖2可以看出，A1、A2、A3及B1、B2、B3分別處于相同勢，地位平等，均可稱為總線端，只是平時將接短截線的稱為了短截線端。

按此構(gòu)想，耦合器可分為兩大部分，一部分為

總線盒，將總線端數(shù)量設(shè)計為3～10個(除去2個保留做總線端用于總線網(wǎng)絡(luò)擴展外，其他用于連接1～8個短截線終端設(shè)備)，類似于圖2所示的A1～A3和B1～B3。設(shè)置一高一低兩個勢，每個總線端采用同軸結(jié)構(gòu)(或其他適用的)連接器作為標(biāo)準(zhǔn)接口，所有中心導(dǎo)體接高勢，中間導(dǎo)體接低勢。另一部分就是圖3所示的耦合串路小單元，因其兩端是通過耦合變壓器而連接，具有耦合、放大的功能。因此，耦合串路小單元也可稱為耦合放大器或耦合放大組件。其BUS端采用與總線盒所用同軸連接器配套使用的連接器端接，STUB端設(shè)計成現(xiàn)有1553B常用的接觸件或連接器，如8#雙同軸屏蔽接觸件、DK-621連接器、J49142(PL75)等多種形式接口。兩大部分組合，可以形成多種節(jié)點、多種接口形式的多樣化產(chǎn)品，滿足不同用戶的不同需求。

兩大部分結(jié)構(gòu)示意見圖4。其中，方框代表連接器，黑點代表線纜之間的連接點，其余未標(biāo)黑點交叉處代表隔離，虛線框代表封裝邊界。

圖4　總線盒(左)與耦合放大器(右)結(jié)構(gòu)示意圖

4對比分析

組合式耦合器在原有結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，打破了常規(guī)思路，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新，以可連接與分離的方式進一步降低產(chǎn)品的返工返修難度，具有現(xiàn)實生產(chǎn)意義。分別從產(chǎn)品加工到測試驗收一直到交付用戶使用等整個過程，以及產(chǎn)品成本等方面與現(xiàn)有結(jié)構(gòu)進行對比分析：

4.1　產(chǎn)品加工過程

目前，耦合器主要是為1553B數(shù)據(jù)總線配套的，單獨使用的情況較少，而目前的1553B數(shù)據(jù)總線圖紙也是根據(jù)用戶需求而生成，通用性幾乎為零，只有先與用戶溝通到位，等待設(shè)計出圖，給出型號與具體圖紙，才能開始下計劃生產(chǎn)，生成訂單后才能知曉訂單配套是否缺件，缺多少，同時在執(zhí)行生產(chǎn)訂單時若因某個零件或部件在加工過程或裝配過程報廢或返修，整個產(chǎn)品只能等待新的零件到位才能繼續(xù)裝配。這是一體化裝配的缺陷，也是很多產(chǎn)品面臨的難題，產(chǎn)品加工周期較長。

而組合式耦合器分為了兩個模塊，單一的結(jié)構(gòu)顯得更加簡單，需要的零部件相對變少，且通用性特別強，可以根據(jù)使用情況先進行預(yù)加工，一旦產(chǎn)生訂單，只需領(lǐng)取對應(yīng)數(shù)量的部件進行組裝或散件供貨，即使在加工耦合器時遇見原材料缺件，不足以配套整個產(chǎn)品時，也可根據(jù)缺件情況先進行部件的裝配，不必等待原材料全部到位才開始執(zhí)行。用戶需求1553B數(shù)據(jù)總線新產(chǎn)品時，設(shè)計員只需出總的產(chǎn)品圖，生產(chǎn)訂單生成后選擇庫存部件進行簡單的組裝和整體測試，結(jié)果合格即可交付用戶，時間相對少很多。相對現(xiàn)有結(jié)構(gòu)，組合式因分開加工，而不可避免的會出現(xiàn)部件完工入庫和配套出庫等周轉(zhuǎn)過程的情況。

3.1　產(chǎn)品測試過程

產(chǎn)品只有完成最終測試才能交付用戶，GJB5186.7對耦合器規(guī)定了連續(xù)性、介質(zhì)耐壓、絕緣電阻基本電氣性能，及滿足GJB289A數(shù)據(jù)總線總規(guī)范所規(guī)定的特性測試：波形完整性、共模抑制及動態(tài)性能測試等項目。

前三項基本電氣性能兩種結(jié)構(gòu)均可滿足，均有過程檢測和成品總檢兩大保險。而GJB5186.7規(guī)定波形完整性僅適用于單子線盒式耦合器，對于多子線耦合器或線式耦合器，耦合變壓器和隔離電阻應(yīng)作為單獨的元器件，應(yīng)在耦合器裝成成品前進行測試，具體要求見GJB5186.7的5.1.4.2條規(guī)定，如圖5所示。

圖5　GJB5186.7中規(guī)定的波形完整性要求及圖示

可以從規(guī)定中看出，對于現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的國內(nèi)外產(chǎn)品，除單子線盒式耦合器外均不能測試此項目，而組合式耦合器的耦合串路小單元與GJB5186.7的規(guī)定有“異曲同工”之處。在圖3所示的STUB端按圖5要求串聯(lián)360Ω及信號源就成了圖5所示的結(jié)構(gòu)，可以滿足測試要求。增加測試項目可以評估產(chǎn)品的可靠性高低及品質(zhì)的高低。

共模抑制與動態(tài)性能測試項目對兩種結(jié)構(gòu)影響不大，均可測試。值得一提的是，動態(tài)性能指標(biāo)，短截線至主電纜信號測試項目要求測試主電纜輸出波形的上升和下降時間，這條與波形完整性類似，僅適用于盒式耦合器，對線式耦合器應(yīng)在裝配成品前進行測試，可能是考慮到主電纜上線纜長度對波形有一定的影響，對現(xiàn)有結(jié)構(gòu)線式耦合器來說不能準(zhǔn)確的保證此條要求。因此，GJB5186.7編制人員才有此一說。組合式耦合器的耦合串路小單元未接線纜，可以滿足該項測試的要求，這樣也可以更加方便的測試。

4.2　產(chǎn)品交付用戶

產(chǎn)品交付用戶前應(yīng)進行包裝。目前，1553B數(shù)據(jù)總線產(chǎn)品為整體式結(jié)構(gòu)，通過盤繞方式放入合適的紙箱。然而，產(chǎn)品較為復(fù)雜時，線纜一般較長、節(jié)點較多，用戶使用時散開產(chǎn)品可能會出現(xiàn)交叉、散亂、打結(jié)等現(xiàn)象。組合式耦合器組裝成總線時，只需通過普通的跳線(一條線纜兩端接連接器而形成的組件)連接BUS端口即可，可以根據(jù)部件種類不同進行分類包裝，再發(fā)往用戶，用戶使用時按產(chǎn)品包裝物上標(biāo)識進行簡單的連接組合即可。

另外，若當(dāng)用戶發(fā)現(xiàn)某條短截線功能失效，不能正常工作了，只需將失效的短截線拆卸，返回生產(chǎn)商返工或重新訂購，整個流程更加簡單和方便。另外，對于組合式耦合器及總線產(chǎn)品，可以隨意調(diào)換短截線的位置，這對于用戶想調(diào)換終端設(shè)備在整個網(wǎng)絡(luò)中的位置成為可能(對于整體式短截線長度一般小于3m，因此終端擺放位置范圍狹隘，組合式結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)短截線從一個耦合器移到另一個耦合器上)。另外，用戶還可以增加設(shè)備。這是整體式結(jié)構(gòu)所難以實現(xiàn)的。

4.3　產(chǎn)品成本對比

從兩者的結(jié)構(gòu)可以看出，因連接與分離的需要，組合式耦合器比整體式耦合器結(jié)構(gòu)上多增加了一些連接器，相應(yīng)的也增加了產(chǎn)品的成本，這是組合式耦合器不可避免的缺陷。前面提到的耦合器是用于1553B數(shù)據(jù)總線網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，當(dāng)1553B數(shù)據(jù)總線產(chǎn)品做成整體式，除了STUB端可端接終端設(shè)備外，一般是沒有可自由拆卸的點。這樣一來，從生產(chǎn)者和用戶角度共同考慮，一旦產(chǎn)品出現(xiàn)功能障礙需要返工返修(或報廢)時，帶來的后果是需要整體帶回公司拆卸返工，且返工(或重新加工)需要的周期一般較長，這段時間用戶將不能使用1553B數(shù)據(jù)總線產(chǎn)品以及該產(chǎn)品所構(gòu)建的整個網(wǎng)絡(luò)。針對這種情況，目前的解決方案之一，也是國外常用的，設(shè)計成雙裕度(或多裕度)的1553B數(shù)據(jù)總線，所連設(shè)備面板上設(shè)計成兩個(或多個)接口并存，若發(fā)生當(dāng)前1553B數(shù)據(jù)總線產(chǎn)品功能障礙，系統(tǒng)自動切換的其他的預(yù)留總線，再對問題產(chǎn)品進行返工等處理，這樣也可以達到提高系統(tǒng)可靠性的目的。不過，隨之而來的是雙倍甚至多倍的成本，因此提出組合式結(jié)構(gòu)可以給用戶提供一個選擇，備用部分的總線盒及耦合放大器也是可行的，成本較雙裕度的總線要低得多。

5總結(jié)

對耦合器產(chǎn)品以及1553B數(shù)據(jù)總線產(chǎn)品來說，組合式結(jié)構(gòu)的提出是一種全新的概念。從對比分析可以看出，優(yōu)勢多于劣勢，尤其是在產(chǎn)品加工實現(xiàn)過程的庫存部件和快速組裝的思路，快速的交付產(chǎn)品會很大程度上增加用戶的滿意度。因此，該結(jié)構(gòu)具有現(xiàn)實的生產(chǎn)意義。當(dāng)然，更換需要人為來實現(xiàn)。所以，該結(jié)構(gòu)也有其使用領(lǐng)域的局限性，如導(dǎo)彈、衛(wèi)星、火箭發(fā)射控制、飛機等領(lǐng)域。這類無人環(huán)境，或可靠性要求極高不允許絲毫差錯，或來不及更換的情況，依然推薦使用雙裕度(或多裕度)整體式的1553B數(shù)據(jù)總線產(chǎn)品，但此類領(lǐng)域在前期的試驗過程、設(shè)備布局調(diào)整過程，可以推薦組合式產(chǎn)品先進行布局的調(diào)整階段，一旦確定下來之后，再做成整體式用于上述特殊環(huán)境?？傮w來說，組合式結(jié)構(gòu)具有一定的推廣意義。

參考文獻：

[1]王世奎，黃永葵等. 數(shù)字式時分制指令/響應(yīng)型多路傳輸數(shù)據(jù)總線測試方法 第5部分：系統(tǒng)測試方法. GJB 5186.5-2004.

[2]王世奎，黃永葵等. 數(shù)字式時分制指令/響應(yīng)型多路傳輸數(shù)據(jù)總線測試方法 第7部分：數(shù)據(jù)總線耦合器、終止器、電纜測試方法.GJB 5186.7-2005.

工藝與材料

中圖分類號：TN784

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1000-6133(2015)02-0020-05

Doi:10.3969/j.issn.1000-6133.2015.02.005

收稿日期：2015-02-17