一種高速1553B總線控制器自動測試平臺的開發(fā)

牛文娟，張 方，饒張飛

(西安微電子技術(shù)研究所，西安 710054)

0 引言

1553B總線是一種指令/響應(yīng)式串行總線標(biāo)準(zhǔn)，在我國航空、航天和武器系統(tǒng)裝備中被廣泛應(yīng)用。美國空軍制訂的數(shù)字式時(shí)分指令/響應(yīng)式復(fù)用數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)總線協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)據(jù)傳輸速率為1 Mb/s[1],難以適應(yīng)當(dāng)前系統(tǒng)對總線高帶寬的需求。因此對高速1553B總線的研究十分必要，文獻(xiàn)[2]介紹了2M 1553B總線仿真卡的硬件和軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，并對仿真卡的協(xié)議符合性和電氣特性進(jìn)行驗(yàn)證。文獻(xiàn)[3]提出了一種自主研發(fā)的數(shù)據(jù)傳輸速率為10 Mb/s的1553B總線控制器，并對其性能指標(biāo)和可靠性等進(jìn)行了驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果表明滿足相關(guān)規(guī)范的要求。文獻(xiàn)[4]參考1 Mb/s遠(yuǎn)程終端有效性測試辦法，研制了高速1553B總線有效性測試平臺，該測試平臺能夠支持高速1553B板卡的有效性測試。文獻(xiàn)[5]設(shè)計(jì)了基于DSP的1553B總線芯片測試系統(tǒng)，對BU-61580系列芯片的內(nèi)部存儲器的功能和總線傳輸數(shù)據(jù)的正確性進(jìn)行測試。

隨著高速1553B總線產(chǎn)品的出現(xiàn)和在國防軍工領(lǐng)域的不斷應(yīng)用，對高速1553B總線產(chǎn)品的測試要求在不斷提高[6]。本文提出一種高速1553B總線控制器自動測試系統(tǒng)，該測試系統(tǒng)的開發(fā)基于通用測量儀器平臺，具有開發(fā)周期短、難度低和可靠性高的特點(diǎn)。使用國產(chǎn)芯片LHB155304對測試系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果表明該測試系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對4 M1553B總線控制器電氣特性參數(shù)的測試和總線協(xié)議功能的檢查，能夠滿足高速1553B總線控制器在設(shè)計(jì)調(diào)試階段的測試需求。

1 高速1553B總線控制器測試項(xiàng)目介紹

高速1553B總線控制器一般是雙冗余結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，具有A/B兩個(gè)通道，可以在BC、RT和MT三種模式下工作。高速1553B通信系統(tǒng)中通常選擇變壓器耦合方式，實(shí)現(xiàn)信號的可靠傳輸，因此需要在變壓器耦合方式下完成對1553B總線控制器電氣特性參數(shù)的測試和協(xié)議功能的檢查[7]。電氣特性參數(shù)的測試包括以下5個(gè)方面：1)幅度VPP：18.0V≤VPP≤27.0 V；2)上升下降時(shí)間TR/TF：100 ns≤TR/TF≤300 ns；3)過零穩(wěn)定性：±25 ns；4)輸出波形過沖與擾動，畸變電壓VD：1VD1≤900 mV；5)輸出對稱性，殘余電壓VR：1VR1≤250 mV。

高速1553B總線控制器總線協(xié)議功能的檢查，是通過搭建高速1553B總線通信仿真平臺，對總線控制器在BC和RT工作模式下協(xié)議編碼的準(zhǔn)確性進(jìn)行檢查。仿真平臺還可以在總線數(shù)據(jù)中注入六種類型的消息差錯(cuò)，驗(yàn)證高速1553B總線控制器對無效消息的響應(yīng)。高速1553B總線六種差錯(cuò)注入類型分別為：奇偶校驗(yàn)位差錯(cuò)、同步頭差錯(cuò)、字長差錯(cuò)、雙向編碼差錯(cuò)、數(shù)據(jù)字連續(xù)性差錯(cuò)和消息長度差錯(cuò)[8]。

2 高速1553B總線控制器自動測試平臺設(shè)計(jì)

高速1553B總線控制器自動測試系統(tǒng)是基于通用測量儀器搭建的測試平臺，應(yīng)用高速1553B總線協(xié)議分析軟件，實(shí)現(xiàn)電氣特性參數(shù)的自動測試和協(xié)議功能檢查的目的。高速1553B總線控制器自動測試平臺由數(shù)字存儲示波器、任意波形發(fā)生器、高速1553B總線測試板和具有各種LAN、USB和GPIB板卡接口的工控計(jì)算機(jī)組成，自動測試平臺如圖1所示。其中工控計(jì)算機(jī)使用LAN接口與數(shù)字存儲示波器進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)測試命令的下發(fā)和測試數(shù)據(jù)的上傳功能，使用GPIB控制任意波形發(fā)生器產(chǎn)生各種1553B總線信號和差錯(cuò)注入信號。

圖1 自動測試平臺系統(tǒng)框圖

2.1 高速1553B總線測試板設(shè)計(jì)

高速1553B總線測試板由供電電路、時(shí)鐘電路、控制電路、邏輯電路和高速1553B總線接口電路組成[9]。工控計(jì)算機(jī)通過USB接口為高速1553B總線測試板供電，供電電路將+5 V的電壓轉(zhuǎn)換成+3.3 V的電壓，為測試板中的各個(gè)模塊提供供電電壓。時(shí)鐘電路的主要器件為晶振，為測試板中的邏輯電路和1553B總線控制器提供相應(yīng)的工作時(shí)序信號。

工控計(jì)算機(jī)通過USB接口向控制電路ARM中寫入控制程序，包括控制信號、地址信號和數(shù)據(jù)信號，這些信號送入邏輯電路FPGA中，完成邏輯控制、地址譯碼和數(shù)據(jù)處理等功能，實(shí)現(xiàn)高速1553B總線控制器的消息編輯、工作模式配置和初始化復(fù)位控制等功能。高速1553B總線接口電路由隔離耦合電路和阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，隔離耦合電路分別使用隔離變壓器和耦合變壓器實(shí)現(xiàn)高速1553B總線信號的隔離。阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)由5個(gè)阻值為93.1 Ω的電阻組成，保證高速1553B總線接口阻抗的匹配。

系統(tǒng)上電后由工控計(jì)算機(jī)通過USB接口向高速1553B總線測試板發(fā)送控制信號，板載處理器接收到控制指令后啟動1553配置程序，對被測1553電路進(jìn)行工作模式等相關(guān)配置，這些配置信號傳輸至FPGA完成譯碼和時(shí)序控制等邏輯后送至被測電路，完成對被測電路的相關(guān)初始化配置。當(dāng)被測電路接收到任意波形發(fā)生器發(fā)送的符合曼徹斯特Ⅱ型編碼規(guī)則的1553波形時(shí)會響應(yīng)總線消息，此時(shí)示波器在同步實(shí)時(shí)采集總線上的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對高速1553B總線控制器的測試。

2.2 數(shù)字存儲示波器和任意波形發(fā)生器的配置

數(shù)字存儲示波器是高速1553B總線控制器自動測試系統(tǒng)中最重要的部分，利用數(shù)字存儲示波器高性能的信號采集、處理和測量能力，為高速1553B總線信號的可靠測試提供前提。數(shù)字存儲示波器選用Tek的MDO4104C，示波器的模擬帶寬為1 GHz，最高采樣速率為5 GS/s，最大存儲深度為20 MS。數(shù)字存儲示波器首先對高速1553B總線信號進(jìn)行前端預(yù)處理，再通過內(nèi)部高精度的A/D轉(zhuǎn)換，將采樣數(shù)字信號保存至示波器的存儲器中。由于高速1553B總線信號為差分信號，因此使用數(shù)字存儲示波器的雙通道對總線信號進(jìn)行測量，并使用雙通道間的減法運(yùn)算實(shí)現(xiàn)對總線信號的正確測量。

任意波形發(fā)生器用來模擬仿真高速1553B總線編碼信號，采用Keysight的任意波形發(fā)生器81150A，DAC采樣速率為2 GS/s，分辨率為14 bit，最高頻率為120 MHz。根據(jù)1553B總線的編碼規(guī)則，編寫不同的1553B總線數(shù)據(jù)序列，使用任意波形發(fā)生器的波形加載功能，模擬1553B總線控制器的BC功能，仿真產(chǎn)生高速1553B總線信號。利用任意波形發(fā)生器的正常輸出和輔助輸出兩個(gè)端口，產(chǎn)生波形幅度為9 V的差分信號，通過阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的衰減變?yōu)? V，滿足高速1553B總線控制器測試中對發(fā)出信號幅值的要求。

2.3 高速1553B總線測試系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)

測試高速1553B總線控制器的電氣特性參數(shù)時(shí)，直接使用示波器的波形參數(shù)測量功能，對1553B總線控制器分別在BC和RT工作模式下的幅度、上升下降時(shí)間和脈沖寬度進(jìn)行測試。其中，畸變電壓和殘余電壓的測試首先要對高速1553B總線數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼分析，確定最后一個(gè)過零點(diǎn)位置后，才能計(jì)算出相應(yīng)的電壓值。

總線協(xié)議功能的檢查是在高速1553B總線協(xié)議分析軟件對總線數(shù)據(jù)解碼分析的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)1553B總線控制器工作在BC模式下時(shí)，輸出端連接一個(gè)70 Ω的匹配電阻作為負(fù)載，并使用數(shù)字存儲示波器對總線上的信號進(jìn)行監(jiān)控。首先，設(shè)置示波器的垂直與水平分辨率和存儲深度等參數(shù)，能夠?qū)偩€消息進(jìn)行完整采集與存儲。然后，由高速1553B總線協(xié)議分析軟件下載示波器內(nèi)的存儲數(shù)據(jù)，調(diào)用高速1553B總線協(xié)議解碼程序，完成對總線數(shù)據(jù)的分析。最后，根據(jù)軟件分析結(jié)果，判斷BC工作模式下總線協(xié)議的正確性。

當(dāng)1553B總線控制器工作在RT模式下時(shí),將任意波形發(fā)生器使用差分的方式連接至1553B總線測試板，并使用數(shù)字存儲示波器對總線上的信號進(jìn)行監(jiān)控。首先，設(shè)置總線控制器的RT地址和子地址，根據(jù)RT地址信息編輯1553B總線波形序列。然后任意波形發(fā)生器加載1553B總線波形數(shù)據(jù)并輸出，由高速1553B總線協(xié)議分析軟件對示波器采集的總線數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼分析，判斷RT工作模式下總線協(xié)議的正確性。根據(jù)高速1553B總線協(xié)議的編碼規(guī)則，編輯六種類型的總線數(shù)據(jù)差錯(cuò)信號，使用任意波形發(fā)生器分別加載這些包含錯(cuò)誤的總線數(shù)據(jù)波形，檢查RT工作模式下高速1553B總線控制器的響應(yīng)。

3 高速1553B總線控制器自動測試程序設(shè)計(jì)

高速1553B總線控制器自動測試系統(tǒng)是使用Matlab開發(fā)的，編譯打包為能夠獨(dú)立安裝運(yùn)行的程序。自動測試程序包含1553B總線控制器BC工作模式和RT工作模式兩個(gè)測試模塊，并調(diào)用1553B總線控制器工作模式配置、高速1553B總線協(xié)議解碼和1553B總線消息差錯(cuò)注入3個(gè)子程序。

3.1 高速1553B總線控制器自動測試模塊

高速1553B總線控制器BC工作模式的測試過程為：首先調(diào)用1553B總線控制器工作模式配置程序，將1553B總線控制器初始化為BC工作模式。BC初始化過程中完成對中斷屏蔽、故障重發(fā)和時(shí)間標(biāo)志等寄存器的配置，寫入指令消息的狀態(tài)字、消息時(shí)間間隔和消息塊地址等信息；然后自動測試程序?qū)?shù)字存儲示波器進(jìn)行設(shè)置，使用示波器的MEASurement命令函數(shù)對1553B總線信號的電氣性能參數(shù)進(jìn)行測試；最后，調(diào)用高速1553B總線協(xié)議解碼程序?qū)?553B總線信號進(jìn)行分析，將總線解碼信息與BC初始化寫入的消息進(jìn)行比對，完成BC工作模式下1553B總線協(xié)議正確性的檢查。

高速1553B總線控制器RT工作模式的測試過程為：首先調(diào)用1553B總線控制器工作模式配置程序，將1553B總線控制器初始化為RT工作模式。RT初始化過程中完成對1553A/B通道、方式指令和響應(yīng)超時(shí)等寄存器的配置，設(shè)置廣播消息、接收發(fā)送指令和RT地址等信息；然后自動測試程序?qū)θ我獠ㄐ伟l(fā)生器進(jìn)行設(shè)置，使用任意波形發(fā)生器的FUNCtion:SHApe命令函數(shù)加載1553B總線波形數(shù)據(jù)，模擬仿真1553B總線信號；第三步，自動測試程序?qū)?shù)字存儲示波器進(jìn)行設(shè)置，使用示波器的MEASurement命令函數(shù)對1553B總線信號的電氣性能參數(shù)進(jìn)行測試；第四步，調(diào)用高速1553B總線協(xié)議解碼程序?qū)?553B總線信號進(jìn)行分析，查看總線解碼信息是否正確響應(yīng)，完成RT工作模式下1553B總線協(xié)議正確性的檢查；最后，通過調(diào)用1553B總線消息差錯(cuò)注入子程序，分別加載六種錯(cuò)誤類型的總線波形數(shù)據(jù)，驗(yàn)證RT工作模式下高速1553B總線控制器對無效消息的響應(yīng)。

3.2 高速1553B總線協(xié)議解碼程序設(shè)計(jì)

高速1553B總線協(xié)議解碼程序是1553B總線控制器自動測試系統(tǒng)的核心，決定了自動測試系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性。為了提高1553B總線協(xié)議解碼的高效性，高速1553B總線協(xié)議解碼程序設(shè)計(jì)中首先將模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，通過對1553B總線每比特位上數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)平均值的計(jì)算，確定總線數(shù)據(jù)每比特高、低位對應(yīng)的邏輯值，最終解碼出正確的高速1553B總線協(xié)議信息[10]。

高速1553B總線協(xié)議解碼程序主要包括讀取數(shù)據(jù)文件、同步頭檢測、串行數(shù)據(jù)解碼和保存解碼數(shù)據(jù)四部分。高速1553B總線協(xié)議解碼程序的設(shè)計(jì)流程如圖2所示，其中，num為每個(gè)采樣點(diǎn)的序號，SL為示波器的采樣長度，num≤SL。N為同步頭的數(shù)量，H為每個(gè)同步頭的序號，H≤N，高速1553B總線協(xié)議解碼程序還會分析出每個(gè)有效同步頭的采樣點(diǎn)位置，根據(jù)示波器設(shè)置的采樣間隔計(jì)算出對應(yīng)的時(shí)間位置，便于實(shí)現(xiàn)畸變電壓和殘余電壓的自動測試。

圖2 1553B協(xié)議解碼程序設(shè)計(jì)流程圖

4 高速1553B總線控制器自動測試系統(tǒng)的驗(yàn)證

使用西安微電子技術(shù)研究所研制的4Mbps1553B總線控制器LHB155304對高速1553B總線控制器自動測試系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證。配置 LHB155304工作在BC模式下，發(fā)送一條BC-RT的接收指令消息3 020 H，32個(gè)數(shù)據(jù)字為5 500 H～551 FH，設(shè)置數(shù)字存儲示波器的采樣率為100 MS/s，運(yùn)行BC工作模式自動測試程序。測試結(jié)果為：1)幅度VPP=21.5 V：2)畸變電壓VD=280 mV；3)殘余電壓VR=200 mV；4)總線協(xié)議解碼信息為：采樣位置，num=10 000，指令字，3 020 H；采樣位置，num=10 500～26 000，數(shù)據(jù)字，5 500 H、5 501 H、……、551 EH、551 FH共32個(gè)。

配置 LHB155304工作在RT模式下，RT主地址為3，子地址為1，接收，單消息存儲管理，中斷禁止。設(shè)置任意波形發(fā)生器的加載一個(gè)1553B總線波形序列，模擬一條BC-RT的接收指令消息1 821 H，發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)字000 1 H。設(shè)置數(shù)字存儲示波器的采樣率為100 MS/s，運(yùn)行BC工作模式自動測試程序，總線協(xié)議解碼信息為：采樣位置，num=7 499，指令字，1 821 H；采樣位置，num=7 999，數(shù)據(jù)字，000 1 H；采樣位置，num=8 849，狀態(tài)字，1 800 H。調(diào)用1553B總線消息差錯(cuò)注入子程序，仿真發(fā)送一個(gè)包含奇偶校驗(yàn)位差錯(cuò)的總線信息，總線協(xié)議解碼信息為：采樣位置，num=7 499，指令字，1 821 H，奇偶校驗(yàn)位錯(cuò)誤。

通過對4 M1553B總線控制器在BC工作模式和RT工作模式下的驗(yàn)證，高速1553B總線控制器自動測試系統(tǒng)完成了電氣性能參數(shù)測試、總線協(xié)議正確性檢查和錯(cuò)誤注入響應(yīng)的驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果表明，測試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了4M1553B總線控制器的自動測試。

5 結(jié)束語

本文使用數(shù)字存儲示波器、任意波形發(fā)生器和1553B總線測試板等搭建了高速1553B總線控制器自動測試平臺，基于Matlab軟件編寫高速1553B總線控制器自動測試程序，實(shí)現(xiàn)對1553B總線控制器電氣性能參數(shù)的測試和協(xié)議功能的檢查。該自動測試系統(tǒng)具有便于維護(hù)和易于擴(kuò)展的優(yōu)點(diǎn)，可以滿足4 Mb/s1553B總線控制器的自動測試需求，為10 Mb/s1553B高速總線控制器的測試提供基礎(chǔ)。