基于GJB289A數(shù)據(jù)總線架構(gòu)的測試系統(tǒng)設(shè)計與研究

余鑫樂

（中國直升機(jī)設(shè)計研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001）

0 引言

GJB289A 數(shù)據(jù)總線是直升機(jī)航空電子系統(tǒng)的“神經(jīng)”和“骨架”，為航電系統(tǒng)各組成部分的通信提供傳輸途徑，從而實現(xiàn)航電系統(tǒng)的信息交互、綜合顯示和控制。同時，數(shù)據(jù)總線一般會預(yù)留測試接口，可對航電系統(tǒng)各子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控和測試[1]。直升機(jī)航空電子系統(tǒng)的信息集成化、先進(jìn)化程度以及直升機(jī)整體性能，直接受到直升機(jī)機(jī)載GJB289A 數(shù)據(jù)總線的影響。

在數(shù)據(jù)總線領(lǐng)域中，常見的數(shù)據(jù)總線類型有ARINC429 總線、MIL-STD-1553B 總線等。由于ARINC429 總線采用點對點單向傳輸?shù)姆绞竭M(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，因此，其效率低的缺點無法滿足航空電子系統(tǒng)的要求。MIL-STD-1553B 總線是一種采用半雙工的通信方式進(jìn)行時分制指令/響應(yīng)多路傳輸?shù)臄?shù)據(jù)總線，其具有結(jié)構(gòu)簡單、易于擴(kuò)展和集成性高等特點，因此在聯(lián)合式航電系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用[2-3]。基于1553B 標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)總線核心技術(shù)長期被歐美公司壟斷，國內(nèi)通過自主研發(fā)項目頒布了GJB289A數(shù)據(jù)總線標(biāo)準(zhǔn)，該數(shù)據(jù)總線是國產(chǎn)直升機(jī)使用的主流數(shù)據(jù)總線。

因此，筆者研究一種測試系統(tǒng)，用于GJB289A 數(shù)據(jù)總線的性能測試，有極為重要的實踐意義和應(yīng)用價值。

1 設(shè)計思想

GJB 289A—97《數(shù)字式時分制指令/響應(yīng)型多路傳輸數(shù)據(jù)總線》規(guī)定了GJB289A 數(shù)據(jù)總線的技術(shù)要求。該要求包括總線接口及其接口電子設(shè)備連接邏輯關(guān)系，規(guī)定了GJB289A 數(shù)據(jù)總線在多路傳輸過程中的工作原理和總線上的信息流及需要采用的電氣和功能特性[4]。數(shù)據(jù)總線傳統(tǒng)的測試方法為手動分布式，這種測試方法需要使用多種分離的儀器設(shè)備，例如信號源、萬用表以及示波器等，連線關(guān)系錯綜復(fù)雜，測試流程及操作步驟煩瑣，測試時間較長，測試一致性受人為因素的影響較大且測試項目覆蓋面窄，只能對電纜進(jìn)行定性測量，很難達(dá)到定量測量的要求，測試的結(jié)果也不夠準(zhǔn)確。

因此，為提高測試結(jié)果的準(zhǔn)確度、簡化操作流程，可以采用高度集成的專用自動電纜網(wǎng)絡(luò)測試系統(tǒng)，形成一站式自動化測試體系，減少人工參與測試的時間，提高測試一致性。在自動電纜網(wǎng)絡(luò)測試系統(tǒng)中，在滿足定性測量的前提下，還可實現(xiàn)定量測量，從而提高測試結(jié)果的精確度。

2 方案設(shè)計

2.1 硬件設(shè)計

基于GJB289A 數(shù)據(jù)總線架構(gòu)的測試系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計、機(jī)柜式結(jié)構(gòu)，測試系統(tǒng)的機(jī)柜中包括系統(tǒng)控制中心、示波器、特性阻抗分析模塊、測試控制接口模塊、含PCI 接口的289A 通信模塊、含PCI 接口的數(shù)字萬用表模塊以及波形發(fā)生器模塊等，并配備打印機(jī)，通過測試工裝電纜將數(shù)據(jù)總線與測試系統(tǒng)連接，通過測試系統(tǒng)中的測試軟件對數(shù)據(jù)總線的功能、性能進(jìn)行測試。測試系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。

圖1 測試系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

2.1.1 測試控制接口模塊

測試控制接口模塊主要實現(xiàn)GJB289A 數(shù)據(jù)總線電纜網(wǎng)絡(luò)測試通道的切換及信號調(diào)理等功能，原理框圖如圖2 所示。

圖2 測試控制接口模塊原理圖

測試控制接口模塊主要是由三級開關(guān)矩陣構(gòu)成的。開關(guān)矩陣主要是完成數(shù)據(jù)采集探頭、1 Mbit/s 通信速率的289A 總線終端（BC、RT）、4 Mbit/s 通信速率的289A 總線終端（BC、RT）、直流電阻測量表筆、阻抗測量表筆、信號源輸出探頭與32 路289A 總線短截線和4 路289A 總線主總線輸入接口之間的切換互連，要求每路289A 輸入接口有一個針型接頭和一個孔型接頭且同一時刻有且僅有一種接頭處于帶電狀態(tài)。第一級開關(guān)矩陣完成36 路289A 接頭的切換輸入，為節(jié)省開關(guān)的數(shù)量，采用雙刀雙擲繼電器開關(guān)，實現(xiàn)36 路針型和孔型接頭的二選一輸入；第二級開關(guān)矩陣完成36 路二選一之后的節(jié)點切換到4 個公共節(jié)點以及36 路輸入的屏蔽層切換到2 個公共點；第三級開關(guān)矩陣完成6 個公共節(jié)點到完成數(shù)據(jù)采集探頭、1 Mbit/s 通信速率的數(shù)據(jù)總線終端、直流電阻測量表筆、阻抗測量表筆、信號源輸出探頭之間的切換。

該模塊還包括GJB289A數(shù)據(jù)總線電纜網(wǎng)絡(luò)的匹配電阻網(wǎng)絡(luò)，這些匹配電阻主要是根據(jù)測試進(jìn)程需要，為被測試的電纜網(wǎng)加載相應(yīng)的匹配電阻，包括32 個短截線加載的終止器電阻，8 個主總線加載的終端電阻。終止器電阻為1kΩ、功率1W 的線繞電阻，終端電阻為2 個阻值為38.5Ω、功率1W 的線繞電阻組合而成。這些匹配電阻需要通過開關(guān)控制，從而實現(xiàn)選擇性接入。

2.1.2 系統(tǒng)控制中心

系統(tǒng)控制中心采用具有擴(kuò)展性的多PCI 槽的工控機(jī)作為控制平臺，通過PCI 接口、USB 接口、VGA 接口以及RS232接口集成其他所有的功能模塊，人工只需要通過操作測試軟件，進(jìn)而控制所有的功能模塊，根據(jù)測試流程，測試系統(tǒng)可以自動完成整個測試。

2.1.3 特性阻抗分析模塊等其他模塊

特性阻抗分析模塊及打印機(jī)內(nèi)置于機(jī)柜內(nèi)部，除測試控制模塊外，其余模塊均采用通用模塊設(shè)計，可采用打印機(jī)直接打印測試結(jié)果。

2.2 軟件設(shè)計

基于GJB289A 數(shù)據(jù)總線架構(gòu)的測試系統(tǒng)采用專用測試軟件實現(xiàn)測試功能，與硬件設(shè)計相匹配，通過操作測試軟件，系統(tǒng)可自動完成要求的測試項目，并自動生成測試結(jié)果與測試數(shù)據(jù)，整個測試過程不需要人工干預(yù)。該測試軟件以中文Windows XP 為開發(fā)環(huán)境，采用C++、Microsoft Visual 等開發(fā)工具，將測試結(jié)果存入數(shù)據(jù)庫中，從而完成對GJB289A 數(shù)據(jù)電纜的電氣特性測試、信號傳輸波形特性及其他功能/協(xié)議的測試。主要測試功能內(nèi)容見表1，設(shè)備總體操作流程如圖3 所示，軟件測試流程如圖4 所示。

圖3 設(shè)備總體操作流程圖

圖4 軟件測試流程圖

表1 測試軟件功能內(nèi)容表

3 功能實現(xiàn)

下面主要介紹連續(xù)性測試、特性阻抗測試、總線衰減測試、波形畸變測試、波形過零點畸變、波形對稱性測試、動態(tài)故障影響、波形上升/下降沿測試以及數(shù)據(jù)通路完整性測試的測試內(nèi)容和試驗結(jié)果。

3.1 連續(xù)性測試

連續(xù)性測試包括屏蔽的連續(xù)性、總線的連續(xù)性以及短截線電阻的測試。屏蔽的連續(xù)性要求GJB289A 數(shù)據(jù)總線各連接器外殼體之間的直流電阻小于0.039×L（Ω），L為兩個測量點之間的電纜長度；總線的連續(xù)性要求每個連續(xù)性的最大電阻值應(yīng)為對應(yīng)測量點和短路點之間距離的函數(shù)，以電纜每根金屬導(dǎo)線直徑≤0.404 mm為標(biāo)準(zhǔn)，總線連續(xù)性測量的最大電阻值小于0.171Ω/m；短截線電阻測試要求短截線藍(lán)白線之間最大直流電阻值應(yīng)小于5Ω。

以試驗樣線為例，連續(xù)性測試結(jié)果見表2~表4。

表2 屏蔽的連續(xù)性測試結(jié)果

表3 總線的連續(xù)性測試結(jié)果

表4 短截線電阻測試結(jié)果

3.2 特性阻抗測試

特性阻抗測試包括總線特性阻抗和變壓器耦合方式短截線的特性阻抗。特性阻抗測試均采用電壓均方根值為1 V~2 V，頻率為75.0 kHz 和1 MHz 的正弦波，分別測量記錄2 個頻率點的總線特性阻抗?？偩€特性阻抗分為3 個部分，分別為短截線全部掛載1 kΩ 電阻、短截線全部開路和短截線依次短路。變壓器耦合方式短截線的特性阻抗分為2 個部分，分別為測量短截線，其余未測量短截線全部掛載1kΩ 電阻及其余未測量短截線一次開路至全部開路。

以試驗樣線為例，總線特性阻抗測試結(jié)果（短截線全部開路）見表5，變壓器耦合方式短截線的特性阻抗（測量短截線，其余未測量短截線全部掛載1 kΩ 電阻），見表6。

表5 總線特性阻抗測試結(jié)果

表6 變壓器耦合方式短截線的特性阻抗測試結(jié)果

3.3 總線衰減測試

總線衰減測試通過注入頻率為1.0 MHz 的正弦波信號，變壓器耦合峰-峰電壓為18.0 V，短截線短路數(shù)應(yīng)大于2。以試驗樣線為例，總線衰減測試結(jié)果見表7。

表7 總線衰減測試結(jié)果

3.4 波形畸變測試

BT 發(fā)出消息波形，變壓器耦合方式峰-峰值電壓為18.0V，波形畸變峰值應(yīng)小于90mV，在變壓器耦合短截線上測量接收信號的Vmin應(yīng)大于0.66V。

以試驗樣線為例，波形畸變測試結(jié)果見表8。

表8 波形畸變測試結(jié)果

3.5 波形過零點畸變

波形過零點畸變要求BT 發(fā)出的消息波形，相對波形的理想過零點，在每種配置模式下，測量波形過零點畸變偏差絕對值應(yīng)在125 ns 范圍內(nèi)。

以試驗樣線為例，波形過零點畸變測試結(jié)果見表9。

表9 波形過零點畸變測試結(jié)果

3.6 波形對稱性測試

通過每次測試配置狀態(tài)，在消息最后一個數(shù)據(jù)字奇校驗位的中間過零點開始2.5μs 的時刻后測量Vt，在變壓器耦合器短截線上測量接受信號的Vt≤37.5 mV。以試驗樣線為例，波形對稱性測試結(jié)果見表10。

表10 波形對稱性測試結(jié)果

3.7 動態(tài)故障影響測試

動態(tài)故障影響的測試功能是當(dāng)任何短截線上出現(xiàn)間歇性短路故障時，驗證總線網(wǎng)絡(luò)能可靠工作的能力。該測試須使用1 個高速電子開關(guān)，滿足接通電阻小于5 Ω，開關(guān)時間小于1μs 的要求?？偩€網(wǎng)絡(luò)終端位置接入的高速電子開關(guān)操作應(yīng)以（30±3） kHz 的頻率完成，測試結(jié)果應(yīng)為RT 對每指令均響應(yīng)CS。

以試驗樣線為例，動態(tài)故障影響測試結(jié)果見表11。

表11 動態(tài)故障影響測試結(jié)果

3.8 數(shù)據(jù)通路完整性測試

數(shù)據(jù)通路完整性用于驗證總線網(wǎng)絡(luò)中的每個通道是否均為通路，變壓器耦合的短截線，發(fā)送波形電壓峰-峰值應(yīng)為18.0 V，接收器能接受的最小電壓峰-峰值設(shè)為0.86 V，每個通道均應(yīng)完成10000次包括32個數(shù)據(jù)字消息的收發(fā)傳輸測試，消息中的數(shù)據(jù)字應(yīng)為隨機(jī)數(shù)。

以試驗樣線為例，數(shù)據(jù)通路完整性的測試結(jié)果見表12。

表12 數(shù)據(jù)通路完整性測試結(jié)果

4 結(jié)語

該文設(shè)計了一種基于GJB289A 數(shù)據(jù)總線架構(gòu)的測試系統(tǒng)，通過模塊化設(shè)計并采用一站式自動測試方法對GJB289A數(shù)據(jù)總線的性能進(jìn)行測試，根據(jù)測試結(jié)果可知，該測試系統(tǒng)可驗證相應(yīng)的測試指標(biāo)。目前，該測試系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于實際測試中，大大提高了測試效率。

測試設(shè)備作為一種集軟硬件、模擬技術(shù)等多種技術(shù)為一身的復(fù)雜產(chǎn)品[5]，要全面滿足用戶的要求，在該測試系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過優(yōu)化還可以進(jìn)行深入研究和開發(fā)工作。