1553B 總線電路冷備份使用情況下總線端口潛通路分析驗(yàn)證

劉士全，曹曉斌，蔡潔明，王 棟

(中國電子科技集團(tuán)第 58 研究所，江蘇 無錫 214035)

0 引言

1553B 總線是美國軍用標(biāo)準(zhǔn) MIL-STD-1553B 總線的簡稱，它采用帶屏蔽的雙絞線作為串行數(shù)據(jù)總線，使用時(shí)分制指令/響應(yīng)型傳輸協(xié)議，其傳輸速率為1 Mb/s，傳輸方式為半雙工，其形式類似于一個(gè)局域網(wǎng)[1]。由于 1553B 總線的高可靠性和實(shí)時(shí)性[2]，其在航空、航天等眾多型號(hào)單機(jī)系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。在航天領(lǐng)域里為了進(jìn)一步增加衛(wèi)星等設(shè)備的可靠性和使用壽命，一種冷備份的使用方法被提出，這種使用方法比較特殊，使用不當(dāng)，可能造成1553B 總線通信網(wǎng)絡(luò)異常，并帶來負(fù)面影響，因此對(duì)冷備份使用情況下的1553B 總線通信研究很有必要。

1 冷備份使用介紹

航天用戶在使用 1553B 總線電路時(shí)，設(shè)計(jì)了A、B 兩套完全一致的單機(jī)系統(tǒng)，兩套單機(jī)系統(tǒng)總線輸出并聯(lián)在一起，互為備份使用[3]。 互為備份的 A、B單機(jī)系統(tǒng)，正常工作時(shí)A、B 單機(jī)其中一個(gè)正常上電工作，另外一個(gè)斷電處于冷備份狀態(tài)，當(dāng)正常使用的單機(jī)出現(xiàn)異常時(shí)，通過指令控制單機(jī)斷電，并給另外一臺(tái)單機(jī)上電，進(jìn)行切換使用。 因?yàn)閭浞輪螜C(jī)未加電，因此稱為冷備份。在冷備份使用時(shí)，要求正常使用的單機(jī)器件和斷電的單機(jī)器件不能相互影響，特別是輸出并聯(lián)在一起的端口，不能將正常輸出端口上的電信號(hào)， 潛通到不加電的電路電源端，導(dǎo)致器件相互影響。

圖 1 所示為 1553B 總線冷備份連接示意圖，從圖中可以看出，在 A 機(jī)斷電 B 機(jī)上電或是B 機(jī)斷電A 機(jī)上電工作時(shí)，只要總線上進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，電路端口上的信號(hào)是一直存在的[4]，手冊(cè)上給出的總線信號(hào)幅度范圍是 6VPP～9VPP，實(shí)測值及典型值在 7VPP左右[5]。 對(duì)于斷電的單機(jī)系統(tǒng)，總線上的電壓信號(hào)通過耦合變壓器、隔離變壓器施加在1553B 電路總線驅(qū)動(dòng)管腳上[6]，本文重點(diǎn)分析施加在總線電路驅(qū)動(dòng)端口管腳上的電信號(hào)潛通到電源端的情況。

圖1 1553B 總線冷備份連接示意圖

2 1553B 總線電路端口結(jié)構(gòu)分析

1553B 電路在使用過程中， 總線差分信號(hào)通過隔離變壓器連接到收發(fā)器芯片的TXOUT 和NTX OUT 端，芯片內(nèi)部兩端采用了相同的端口結(jié)構(gòu)[7]，端口結(jié)構(gòu)框圖如圖2 所示。

1553B 總線電路在斷電的情況下，電源電壓掉電后電壓接近 0 V，此時(shí)電源端電壓小于PMOS 管開啟閾值電壓(0.7 V)，PMOS 管處于關(guān)閉狀態(tài)。 但是由于收發(fā)器總線端口正常工作時(shí)，需要提供600 mA～700 mA 的電流來驅(qū)動(dòng)隔離變壓器進(jìn)行通信，因此收發(fā)器總線端口的 PMOS 管尺寸較大。 大的 PMOS管由于工藝結(jié)構(gòu)的特性，導(dǎo)致端口到電源存在一個(gè)寄生二極管[8]，原因是大 PMOS 管襯底與電源直接相連，這樣源端與襯底NWELL 形成二極管的一端(N 端)， 大 PMOS 管漏端形成二極管的另一端(P端)，由于 PN 結(jié)的存在而形成一個(gè)寄生二極管，如圖 3 所示。

圖2 1553B 總線控制器總線端口功能框圖

當(dāng)收發(fā)器正常工作時(shí)，寄生二極管處于反偏狀態(tài)，不影響電路的正常使用。 另外該寄生二極管還可以對(duì)電路起到保護(hù)作用，當(dāng)總線端口遇到 ESD 靜電時(shí)，該寄生二極管可以為ESD 靜電提供一個(gè)泄放通道[9]，從而避免靜電電壓對(duì)電路內(nèi)部器件造成損傷。 然而當(dāng) 1553B 總線電路斷電處于冷備份狀態(tài)時(shí)，1553B 總線上的電壓信號(hào)經(jīng)過耦合變壓器和隔離變壓器加載總線端口上，此時(shí)通過該二極管會(huì)把電壓信號(hào)潛通到電源端。

圖3 1553B 總線控制器總線端口寄生二極管示意圖

3 潛通路測試驗(yàn)證

3.1 測試框圖

模擬用戶單機(jī)系統(tǒng)冷備份使用情況，1553B 總線電路+5 V Logic、+5 V VA、+5 V VB 三組電源并聯(lián)，斷電后處于懸空狀態(tài)，根據(jù)用戶使用的變壓器耦合方式，1553B 總線電路 A 通道總線接口通過隔離變壓器、耦合變壓器連接 1553B 通信總線，1553B 通信總線給幅度可調(diào)的6VPP～9VPP曼徹斯特編碼信號(hào)[10]，該信號(hào)用戶實(shí)際使用時(shí)一般在7VPP左右，電源端串聯(lián)電流表1，電路總線管腳TX/RX-A 串聯(lián)電流表2，并采用直流檔位進(jìn)行測試，電路測試框圖如圖 4 所示。

3.2 掉電情況潛通路測試

首先 1553B 總線器件正常上電后，1553B 總線端口持續(xù)給信號(hào)，在總線信號(hào)一直存在的情況下，斷開+5 V 供電電源，測試器件電源端的掉電情況，測試是否有電壓潛通到電源端[11]。

測試條件：

(1)測試器件：1553B 總線電路BU-65170S6-110K；

(2)電源電壓：正常上電給+5 V 電壓，穩(wěn)定后斷開；

(3)1553B 總線信號(hào)：信號(hào)幅度7VPP，100%占空比；

(4)測試電阻：R1=10 kΩ；

(5)利用示波器觀察器件掉電情況。

測試結(jié)果如圖5 所示。

3.3 總線100%占空比潛通電壓電流測試

利用圖 4 測試框圖，在 1553B 總線上施加6VPP～9VPP曼徹斯特編碼信號(hào)，電源端斷電，并在電源對(duì)地之間串接一個(gè)可調(diào)電阻[12]，模擬單機(jī)板級(jí)負(fù)載。通過電壓表觀察測試電源端斷電情況下潛通電壓的變化情況[13]。

圖5 器件電源電壓掉電情況測試波形圖

測試條件：

(1)測試器件：DDC 公司 BU-65170S6-110K；

(2)電源電壓：電源斷電；

(3)1553B 總線信號(hào)：信號(hào)幅度 6VPP、7VPP、8VPP、9VPP，100%占空比；

(4)測 試 電 阻 R1：500 Ω、1 kΩ、5 kΩ、10 kΩ、不接測試電阻；

(5)利用電壓表、電流表觀察測試器件潛通電壓、電流情況。

具體測試數(shù)據(jù)如表 1、表 2、表 3 所示。

3.4 總線10%～75%占空比潛通電壓電流測試

利用圖 4 測試框圖，在 1553B 總線上施加 7VPP曼徹斯特編碼信號(hào)，電源端斷電，并在電源對(duì)地之間串接一個(gè)可調(diào)電阻，模擬單機(jī)板級(jí)負(fù)載，改變1553B總線通信信號(hào)占空比。 通過電壓表和電流表觀察測試電源端斷電情況下潛通電壓、電流的變化情況[14]。

圖4 測試驗(yàn)證框圖

表1 總線施加100%占空比信號(hào)電源端潛通電壓

表2 總線施加100%占空比信號(hào)電源端潛通電流電流表1

表3 總線施加100%占空比信號(hào)總線管腳端潛通電流電流表2

測試條件：

(1)測試器件：BU-65170S6-110K；

(2)電源電壓：電源斷電；

(3)1553B 總線信號(hào)幅度：7VPP；

(4)1553B 總 線 信 號(hào) 占 空 比 ：10% 、30% 、50% 、75%；

(5)測 試 電 阻 R1：500 Ω、1 kΩ、5 kΩ、10 kΩ、不接測試電阻；

(6)利用電壓表、電流表觀察測試器件潛通電壓、電流情況。

具體測試數(shù)據(jù)如表 4、表 5、表 6 所示。

表4 總線施加10%～75%占空比信號(hào)電源端潛通電壓

表5 總線施加10%～75%占空比信號(hào)電源端潛通電流電流表1

表6 總線施加10%～75%占空比信號(hào)總線管腳端潛通電流電流表2

4 結(jié)論

經(jīng)過上述總線端口結(jié)構(gòu)分析和比對(duì)數(shù)據(jù)分析可以看出，在總線上持續(xù)給不同幅值、不同占空比信號(hào)，并在電源端施加不同阻值負(fù)載的情況下[15]，總線信號(hào)通過管腳潛通到電源端的電壓和電流都非常小，潛通電壓沒有超過MOS 管開啟閾值電壓(0.7 V)，總線電壓潛通到管腳和電源端的漏電流也比較小，因此1553B 總線電路在冷備份使用環(huán)境下，主份電路和冷備份電路之間沒有相互影響，可正常工作使用。