MIL-STD-1553A/B數(shù)據(jù)總線自動(dòng)測(cè)試儀的設(shè)計(jì)

MIL-STD-1553作為一個(gè)軍用串行總線標(biāo)準(zhǔn)于1973年由美國(guó)國(guó)防部發(fā)布，此標(biāo)準(zhǔn)定義了總線的機(jī)械特性、電氣特性和功能特性。1553總線首先被應(yīng)用在航空設(shè)備中，后來(lái)也被廣泛應(yīng)用在航天的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)中。它作為命令/應(yīng)答方式的半雙工串行總線，采用雙冗余平衡傳輸線（屏蔽雙絞線），通過(guò)時(shí)分復(fù)用的方式，最多可以連接31個(gè)終端(RT)設(shè)備。由于采用了曼徹斯特編碼，MIL-STD-1553總線數(shù)據(jù)可以在采用變壓器隔離的傳輸線路中傳輸，從而可以將設(shè)備節(jié)點(diǎn)從總線系統(tǒng)中隔離出來(lái)，進(jìn)而提高了總線系統(tǒng)的可靠性。

鑒于特殊的總線結(jié)構(gòu)和苛刻的應(yīng)用環(huán)境，完善的總線測(cè)試手段無(wú)疑是保障MIL-STD-1553總線系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵。目前1553總線的測(cè)試大都是以MIL-HDBK-1553為參考，該測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的覆蓋面比較廣，涵蓋了電氣性能測(cè)試和協(xié)議測(cè)試，如果總線設(shè)備能通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的所有必要項(xiàng)目的測(cè)試，這個(gè)終端設(shè)備的可靠性便得到了根本的保障。但是MIL-HDBK-1553對(duì)測(cè)試設(shè)備的要求較高，一個(gè)綜合的MIL-STD-1553總線測(cè)試設(shè)備需要同時(shí)具有示波器功能、信號(hào)發(fā)生器功能和阻抗測(cè)量的功能，最關(guān)鍵的是要具有故障注入功能的1553總線仿真終端的功能。目前市面上能夠找到的大都是單功能的測(cè)試設(shè)備/儀器，如獨(dú)立的示波器、獨(dú)立的信號(hào)發(fā)生器和單獨(dú)的1553總線仿真卡等。如果采用這些獨(dú)立的設(shè)備來(lái)搭建總線測(cè)試系統(tǒng)的話，所組成的測(cè)試系統(tǒng)使用起來(lái)會(huì)很不方便，不僅造成測(cè)試效率不高，也同時(shí)也會(huì)因?yàn)槿斯そ槿胩啵瑢?dǎo)致測(cè)試結(jié)果不準(zhǔn)確。另外，目前市面上的總線仿真卡只能注入MIL-HDBK-1553所規(guī)定的部分故障，不能實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的所有故障注入功能，這樣就會(huì)將測(cè)試覆蓋率大大折扣，往往會(huì)在總線設(shè)備中埋下隱患。

AT15000是珠海矽微電子科技有限公司研發(fā)的多功能總線分析儀，集成了示波器、信號(hào)發(fā)生器、阻抗測(cè)試儀、時(shí)域反射計(jì)和1553總線仿真卡的功能，這些設(shè)備功能在AT15000中有機(jī)結(jié)合，協(xié)同工作，可以實(shí)現(xiàn)MIL-HDBK-1553規(guī)定的全部協(xié)議測(cè)試和電氣性能測(cè)試，具有很高的測(cè)試覆蓋率，大大降低了1553總線測(cè)試設(shè)備的難度。作為ATE，AT15000的大部分測(cè)試均可自動(dòng)進(jìn)行，用戶只需要進(jìn)行很少幾次人工干預(yù)，就可完成一個(gè)非常完整的測(cè)試流程，同時(shí)AT15000還能自動(dòng)生成文本格式的測(cè)試報(bào)告，以便產(chǎn)品備案和測(cè)試跟蹤，大大提高了測(cè)試效率和測(cè)試質(zhì)量。

AT15000根據(jù)終端類型的不同，將測(cè)試分為三個(gè)部分：BC測(cè)試、BM測(cè)試和RT測(cè)試，又根據(jù)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)將電氣性能測(cè)試和協(xié)議測(cè)試分成了很多個(gè)測(cè)試子項(xiàng)目，用戶可以通過(guò)測(cè)試腳本來(lái)選擇測(cè)試子項(xiàng)目和定義測(cè)試順序，使得測(cè)試工作變得非常靈活，易于控制。

1. 終端電氣性能測(cè)試

終端的電氣性能測(cè)試包括輸入電氣性能測(cè)試和輸出電氣性能測(cè)試，一個(gè)可靠的終端設(shè)備要具有良好的輸入信號(hào)容忍度和完整的信號(hào)輸出特性。

輸出特性包括輸出信號(hào)的幅值、過(guò)零穩(wěn)定度、過(guò)沖、振鈴、上升/下降時(shí)間、輸出對(duì)稱性、輸出噪聲、兩個(gè)通道的輸出隔離度和電源的開(kāi)關(guān)噪聲。這幾種性能測(cè)試中，除了過(guò)零穩(wěn)定度的測(cè)試外，其他幾種測(cè)試都需要示波器模塊的配合。AT15000采用硬件邏輯來(lái)實(shí)時(shí)測(cè)量總線上信號(hào)的過(guò)零穩(wěn)定度，并報(bào)告出每一個(gè)總線字的最大過(guò)零點(diǎn)偏差。

在編碼器編碼正常的情況下，輸出的過(guò)零穩(wěn)定度和系統(tǒng)的時(shí)鐘穩(wěn)定度有關(guān)，如果系統(tǒng)時(shí)鐘的漂移較大的話，也會(huì)造成過(guò)零偏差較大，從而造成接收端的數(shù)據(jù)接收不正常。

在總線阻抗正確匹配的情況下，過(guò)沖和振鈴主要是因?yàn)槭軠y(cè)設(shè)備中的總線發(fā)送器引起的。如果受測(cè)設(shè)備的電源供電設(shè)計(jì)不合理，給發(fā)送器供電不足的話，往往會(huì)在總線上產(chǎn)生過(guò)沖和振鈴。

輸出對(duì)稱性是用來(lái)考察發(fā)送器和隔離變壓器的輸出是否對(duì)稱，在理想狀態(tài)下，當(dāng)發(fā)送器不發(fā)送信號(hào)時(shí)，總線上的差分電平應(yīng)該為0伏，但是當(dāng)受測(cè)設(shè)備的輸出不對(duì)稱時(shí)，在信號(hào)發(fā)送完畢的瞬間，總線上會(huì)有殘留電平。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，這個(gè)殘留電平需要維持在一個(gè)數(shù)值以內(nèi)，否則總線設(shè)備的輸出對(duì)稱性就不合格。

一個(gè)理想的1553總線設(shè)備要具有較小的電源開(kāi)關(guān)噪聲和輸出噪聲，這樣才不會(huì)影響總線上其它設(shè)備的正常工作。

標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，1553總線設(shè)備需要具有隔離良好的互為備份的兩個(gè)通道，如果這兩個(gè)通道的隔離度不夠的，其中一個(gè)通道就會(huì)干擾另一個(gè)通道上的信號(hào)，從而降低總線的可靠性。

輸入特性包括過(guò)零點(diǎn)穩(wěn)定度、可接受的信號(hào)幅值、輸入阻抗、共模抑制能力以及上升/下降時(shí)間。這幾種輸入特性中，過(guò)零點(diǎn)穩(wěn)定度的測(cè)試需要1553總線控制器故障注入邏輯的配合，用以在發(fā)送的總線字中，根據(jù)測(cè)試的需要注入響應(yīng)的過(guò)零點(diǎn)偏差。輸入阻抗的測(cè)試需要信號(hào)發(fā)生器注入激勵(lì)正弦波，并通過(guò)示波器模塊來(lái)采樣響應(yīng)信號(hào)，并根據(jù)激勵(lì)信號(hào)和響應(yīng)信號(hào)的真有效值來(lái)計(jì)算受測(cè)設(shè)備的輸入阻抗。

過(guò)零點(diǎn)穩(wěn)定度用來(lái)測(cè)試曼徹斯特解碼器的解碼能力和終端設(shè)備時(shí)鐘的穩(wěn)定度的。如果設(shè)備的時(shí)鐘不穩(wěn)定，即使解碼器的解碼能力非常好，也會(huì)造成接收誤碼。

標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的接收信號(hào)幅值為0.28~27V之間。當(dāng)總線信號(hào)的幅值在此范圍之內(nèi)時(shí)，設(shè)備的解碼器須對(duì)總線數(shù)據(jù)正確解碼。

如果總線設(shè)備的輸入阻抗過(guò)低，往往會(huì)加大總線的負(fù)荷，從而降低總線信號(hào)的幅值，縮短其它總線設(shè)備的壽命。

共模抑制能力是用來(lái)考察總線終端設(shè)備隔離變壓器的隔離度的。在正常情況下，變壓器次級(jí)線圈上的共模噪聲是不會(huì)影響初級(jí)線圈上的差分信號(hào)，否則共模噪聲將會(huì)在初級(jí)線圈接收的差分信號(hào)上疊加一個(gè)干擾，從而影響終端設(shè)備的信號(hào)接收。

AT15000對(duì)電氣特性的測(cè)量采用全自動(dòng)方式，其內(nèi)置的示波器模塊會(huì)自動(dòng)捕獲需要測(cè)量的總線信號(hào)，并計(jì)算出相應(yīng)的特性參數(shù)。在測(cè)試過(guò)程中無(wú)需人工干預(yù)，用戶只需在其測(cè)試腳本中加入需要測(cè)試的項(xiàng)目即可。針對(duì)BC和RT的測(cè)試，在每個(gè)測(cè)試項(xiàng)目完成后，AT15000會(huì)自動(dòng)將測(cè)試結(jié)果寫(xiě)到測(cè)試報(bào)告中，為測(cè)試提供了極大方便。

2. 協(xié)議測(cè)試

標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的協(xié)議測(cè)試分為常規(guī)測(cè)試和故障注入兩個(gè)部分，常規(guī)測(cè)試要求BC/RT能接收/發(fā)送MIL-STD-1553B總線規(guī)定的命令，要求BM能夠正確解析總線協(xié)議，故障注入要求測(cè)試儀能夠在總線上注入標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的各種故障。在進(jìn)行協(xié)議測(cè)試的時(shí)候，首先要完成常規(guī)的協(xié)議測(cè)試，否則故障注入測(cè)試無(wú)法完成。

為了滿足測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的要求，一個(gè)總線測(cè)試ATE除了要具備仿真器、信號(hào)發(fā)生器、總線仿真終端的功能外，還需要具備MIL-HDBK-1553規(guī)定的以下功能：

能夠注入最大不小于250ns的過(guò)零點(diǎn)偏差；

能夠在任意總線字上注入奇偶校驗(yàn)錯(cuò)誤；

能夠在不同的消息上注入任意消息長(zhǎng)度錯(cuò)誤；

能夠在任意總線字上注入任意長(zhǎng)度的字長(zhǎng)錯(cuò)誤；

能夠在總線字的任意位上注入相位編碼錯(cuò)誤，并且可以在錯(cuò)誤位上輸出高電平或者低電平；

能夠在總線上注入數(shù)據(jù)連續(xù)錯(cuò)誤；

能夠在總線上注入替換命令；

RT的應(yīng)答時(shí)間在0微秒到14微秒之間可調(diào)；

RT可以采用任意地址來(lái)應(yīng)答總線命令；

可以通過(guò)軟件關(guān)掉RT的應(yīng)答（數(shù)據(jù)要能正常接收）；

可以在任意總線字上注入標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的5種同步頭錯(cuò)誤；

能夠產(chǎn)生總線切換命令；

能夠正確識(shí)別協(xié)議規(guī)定的所有模式命令；

能夠在總線上注入均方根為140mv（直接耦合方式200mv），頻率范圍為1K~4Mhz之間的高斯白噪聲。

如果采用市面上通用的MIL-STD-1553總線控制芯片，無(wú)法實(shí)現(xiàn)上述的總線故障注入功能，同時(shí)也沒(méi)有商用的帶有故障注入功能的總線控制芯片出售。所以為了能夠?qū)崿F(xiàn)上述功能，測(cè)試設(shè)備開(kāi)發(fā)商需自行開(kāi)發(fā)帶有故障注入功能的1553總線控制芯片。

基于上述考慮，矽微公司自行開(kāi)發(fā)了總線測(cè)試設(shè)備專用的1553總線控制IP核，可以在ACTEL和ALTERA的多個(gè)系列的FPGA實(shí)現(xiàn)。用于采用硬邏輯的方式來(lái)注入故障，所以改IP核能夠?qū)崿F(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的全部故障注入功能。此IP核的功能框圖如表一：

如表一所示，控制器IP核中實(shí)現(xiàn)了一個(gè)BC、一個(gè)BM和兩個(gè)多功能RT，這些功能可以同時(shí)工作，并且可以同時(shí)仿真32個(gè)RT。IP核采用64M時(shí)鐘，可以以15.6ns的分辨率在總線上注入過(guò)零點(diǎn)偏差，大大提高了總線測(cè)試的精度。經(jīng)過(guò)矽微公司數(shù)個(gè)型號(hào)的總線測(cè)試設(shè)備的驗(yàn)證，證明這個(gè)IP核的設(shè)計(jì)是合理的，工作狀態(tài)是穩(wěn)定可靠的。

如果只實(shí)現(xiàn)1553控制器的IP核，還是無(wú)法實(shí)現(xiàn)總線的自動(dòng)測(cè)試的。除總線控制器外，還需實(shí)現(xiàn)示波器的采樣邏輯，信號(hào)發(fā)生器的邏輯以及時(shí)域反射計(jì)的邏輯。同時(shí)還要根據(jù)總線測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的要求，將這些邏輯組合起來(lái)，以方便總線電氣性能的測(cè)試。AT15000采用ALTERA公司的CYCLONEIII FPGA芯片，在FPGA中實(shí)現(xiàn)了上述幾種邏輯。其中的示波器邏輯可以由1553控制器的邏輯來(lái)觸發(fā)，使得總線電氣特性的測(cè)試變得非常簡(jiǎn)單。

作為ATE，總線測(cè)試設(shè)備需要具備較高的自動(dòng)化程度，盡量減少人工干預(yù)。所以在設(shè)計(jì)測(cè)試儀軟件的時(shí)候，需要仔細(xì)分析測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，將測(cè)試項(xiàng)目分類并細(xì)化成若干個(gè)子測(cè)試項(xiàng)目，讓用戶可以自由選擇測(cè)試項(xiàng)目并定義測(cè)試順序，以使測(cè)試更加靈活，進(jìn)而滿足不同測(cè)試場(chǎng)合的需要。AT15000根據(jù)總線終端設(shè)備類型將測(cè)試分為RT測(cè)試、BM測(cè)試和BC測(cè)試三種，同時(shí)將每種測(cè)試分為很多個(gè)子測(cè)試項(xiàng)目，用戶可以通過(guò)腳本的形式來(lái)自由選擇測(cè)試項(xiàng)目和定義測(cè)試順序。在三種類型的測(cè)試中，除了RT的測(cè)試之外，BM和BC的測(cè)試需要受測(cè)設(shè)備的軟件配合，所以在測(cè)試BM和BC的時(shí)候，用戶需要編寫(xiě)受測(cè)設(shè)備的軟件，用以配合測(cè)試儀的測(cè)試。

由于BM只具備總線監(jiān)聽(tīng)的功能，所以測(cè)試儀無(wú)從知道BM當(dāng)前的協(xié)議接收狀態(tài)。AT15000根據(jù)用戶的腳本配置，依照測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，將響應(yīng)的總線消息依次發(fā)送到總線上，并在消息發(fā)送完畢后，將所發(fā)送的總線消息寫(xiě)到測(cè)試報(bào)告中。測(cè)試完畢后，用戶需要將受測(cè)設(shè)備接收到的消息導(dǎo)出至PC機(jī)上。AT15000的上位機(jī)軟件“TESTMASTER”會(huì)根據(jù)兩份測(cè)試報(bào)告來(lái)分析BM的測(cè)試結(jié)果是否正確。

在測(cè)試BC之前，用戶需要根據(jù)AT15000的BC測(cè)試手冊(cè)編寫(xiě)B(tài)C測(cè)試程序，用以配合AT15000的測(cè)試。另外AT15000也不對(duì)測(cè)試結(jié)果作出判斷，受測(cè)設(shè)備需自行判斷測(cè)試結(jié)果，并通過(guò)總線將測(cè)試結(jié)果發(fā)送給AT15000。

針對(duì)RT的測(cè)試，AT15000采用全自動(dòng)方式，在發(fā)送相應(yīng)的測(cè)試數(shù)據(jù)的同時(shí)，還會(huì)對(duì)測(cè)試結(jié)果作出正確與否的判斷。用戶只需在測(cè)試腳本中選擇所需要的測(cè)試項(xiàng)目，并定義好測(cè)試順序，同時(shí)給出AT15000要求的受測(cè)RT的參數(shù)（如RT地址、RT的合法接收命令、合法的發(fā)送命令等等）即可。

結(jié)論

鑒于MIL-STD-1553總線苛刻的應(yīng)用場(chǎng)合，所以1553總線設(shè)備的測(cè)試也得務(wù)求詳盡，這樣才能保證總線系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，在測(cè)試中任何的疏忽和馬虎都會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的后果。

經(jīng)過(guò)先行者不斷地總結(jié)和歸納，1553總線的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)也日益嚴(yán)密，同時(shí)也給測(cè)試設(shè)備的研制帶來(lái)挑戰(zhàn)。研制出符合測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試設(shè)備是1553總線測(cè)試的前提，良好的測(cè)試設(shè)備不僅可以提高總線的測(cè)試效率，還能為總線設(shè)備的可靠性提供強(qiáng)有力的保障。