光纤与测试节点的星型拓扑测试网络构建方法

梁 頔，马铁华

（1.中北大学 电子测试技术国家重点实验室，山西 太原030051；2.中北大学 仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西 太原030051）

车辆是一个多部件耦合的复杂系统，随着智能化程度的提升，车内的电子系统变得日益复杂，电磁干扰问题日益凸显.伴随着复杂的测试及控制信息传递的需要，在车辆中应用了多种总线：CAN总线、MIL-STD-1553B总线、MIC总线、以太网总线，以及自定义的总线等［1］.标准的测控总线可靠性高、抗干扰性能强，但是自定义的分布式测控总线需要进行可靠性和抗干扰设计.分布式测控总线网络拓扑结构主要包括：总线型、树型、环型、星型和网型，其中星型拓扑结构是总线网络的典型结构之一，便于灵活扩展［2-5］.

车辆动力舱内电气连接复杂、结构紧凑，电磁干扰复杂，如果不采用抗干扰措施就使用双绞线传递测试信号会导致信噪比降低，更严重地会导致微弱有效测试信号被噪声湮没［6］.为了提高复杂环境下动态参数获取能力，本文提出存储测试节点与光纤传输相结合的星型拓扑结构测试网络构建方法.

1 星型拓扑结构测试网络

心控制单元、测试节点、光纤网络等组成.从系统的可行性和测点设置的灵活性角度考虑，测试系统采用星型网络拓扑结构的构建方式，这种方式可以避免由于某个测试节点的故障而导致测试系统失效，能保证在一次测试过程中有效地获取多种参数信息.

测试节点的规划灵活便捷，可根据测试需要快速地增加或删减测试节点.在测试试验开始之前，测试节点处于休眠状态，其中电缆作为中心控制单元与测试节点的触发启动命令传输介质；光纤作为测试数据传输介质，光纤传输可以提高数据传输的抗干扰能力，解决某些特殊情况下数据无法准确传输的问题［7］.星型拓扑结构测试网络组成结构框图如图1所示.

光纤和测试节点星型拓扑结构测试网络由中

图1 星型拓扑结构测试网络组成结构框图 Fig.1 Block diagram of star topology test network

2 关键模块

2.1 中心控制单元

中心控制单元集成了控制、存储、接口等模块.其中控制模块用于对测试节点的编程功能和状态控制，并且控制数字化测试节点的触发启动；存储模块实现对每个测试节点数据的接收、存储；接口模块连接计算机等设备，完成对整个动态测试过程的编程设置和对各节点记录数据的读取.中心控制单元的核心是控制模块，其主要实现测试节点的组网，控制电源管理模块，控制光电转换模块以接收测试节点的数据并将其写入大容量存储模块中；同时，接口模块连接计算机，通过计算机虚拟仪器软面板的操作实现对中心控制单元控制和对各测试节点的选择、数据的读取和擦除.中心控制单元结构框图如图2所示.

图2 中心控制单元结构框图 Fig.2 Block diagram of central control unit

中心控制单元作为星型拓扑结构测试网络的核心，用于分布式测试节点的组网、同步、控制测试的开始、数据的实时传输和结束，接收各测试节点的数据并存储.

测试网络的每个分布式测试节点具有唯一的编号，作为物理地址；分布式测试节点的ADC分辨率是12bit，将12bit数据扩充为16bit数据按两次存入存储器，其中D15～D14两位二进制编码作为分布式测试节点的物理地址，D13～D12两位二进制编码作为分布式测试节点的通道编码；D11～D0共12位是ADC数据.

开始测试时，中心控制单元进行初始化，并通过电缆发送组网命令，等待收到测试节点返回的正确值即表明组网成功；判断组网成功后，若不立即进行测试，测试节点处于低功耗的休眠状态，若立即进行测试则通过电缆发出触发启动命令，测试节点从休眠态唤醒，对相应的动态参数进行测试，通过光纤将数据传输至中心控制单元，同时在测试节点本地进行备份存储.中心控制单元接收到测试节点的数据后通过接口模块传输至计算机，通过计算机虚拟仪器软件进行处理并在计算机软面板上显示.分布式测试节点的存储测试数据作为测试网络的冗余备份数据，如果光纤网络传输数据或中心控制单元接收数据异常，则读取分布式测试节点存储模块里的数据，进行分析处理.中心控制单元的流程如图3所示.

图3 中心控制单元流程图 Fig.3 Flow chart of central control unit

图4 分布式测试节点结构框图 Fig.4 Block diagram of distributed measurement node

2.2 分布式测试节点

若干个测试节点处于星型拓扑结构测试网络的底层，针对温度、振动加速度等动态参数进行信号的感知、调理、数字化、传输与存储.测试节点利用电光转换模块将数字信号转换为光信号并通过光纤传输，这样一路测试节点数字信号经过电光转换后通过光纤传输至中心控制单元，另一路写入测试节点的存储单元，这种双冗余的方式提高了复杂环境下参数获取的效率.

分布式测试节点是测试网络的终端节点，主要由信号调理模块、采集存储模块、接口模块、控制模块、命令接收模块和电源管理模块几部分组成，如图4所示.

信号调理模块将传感器输出的信号进行转换、放大、滤波，输出满足模数转换（Analog-to-Digital Converter，ADC）模块转换要求的电压信号；ADC模块完成模数转换；命令接收模块配合控制模块接收组网命令和触发启动命令；存储模块实现测试数据的本地备份存储；电光转换模块将ADC模块转换的数字量转换为光信号并通过光纤传输至中心控制单元；接口模块用于测试节点测试之前的编程设置，以及本地存储模块的数据读取；电源管理模块根据不同工作状态采取不同供电方式，在触发工作之前处于低功耗休眠状态，在触发后给予供电；控制模块实现上述功能的综合控制.

2.3 光纤网络

光纤网络由电光转换单元、光电转换单元、光纤组成，其中电光转换单元将测试节点数字信号转换为光信号，光电转换单元将光信号转换为电信号；光纤用于测试节点和中心控制单元之间的光信号通信.测试节点内A／D转换器输出的数字信号经过编码后由光发送模块转变为光信号，经光纤传输至光接收模块，把光信号转变为电信号，再传输至中心控制单元.

3 抗干扰设计

3.1 测试节点壳体屏蔽

测试节点将电路模块和锂电池经过环氧树脂灌封，并在外部设置良性导体金属屏蔽壳体，与传感器一起放置在被测点附近，测试节点的调理电路及ADC模块将传感器输出的微小模拟信号进行数字化，一方面进行本地存储，另一方面通过光纤传输至远端的中心控制单元.

低频时，高磁导率材料的磁屏蔽效能高于高电导率材料的磁屏蔽效能；高频时，高导电材料的磁屏蔽效能高于高磁导率材料［8-9］的磁屏蔽效能.这里采用铝和坡莫合金的双层金属屏蔽结构，其中外层是高电导率的铝，内层的高磁导率的坡莫合金，利用这两种材料互补的电磁屏蔽特性来实现测试单元的轻型化和高抗干扰性设计.

利用Ansoft Maxwell软件建立铝和坡莫合金的金属壳体模型（铝和坡莫合金的壁厚5 mm），铝和坡莫合金的金属壳体电磁模型如图5所示，通电螺线管给予交流激励，产生交变磁场.在10 Hz低频磁场激励下，金属壳体结构沿中心线磁场强度与距离的关系如图6所示.

图5 铝和坡莫合金的金属壳体电磁模型 Fig.5 Metal shell model of aluminum and permalloy

图6 金属壳体结构沿中心线磁场强度与距离关系 Fig.6 Relationship of magnetic field strength and distance along centerline of bimetallic shell structure

图6表明，双层金属壳体结构很好地屏蔽了金属壳体外的电磁场，有效地降低了电磁环境对测试信号的干扰.

3.2 光纤传输

光纤传递光信号，其优越的抗干扰性能是众所周知的.分布式测试节点ADC转换后的数字量通过电光转换模块、光纤网络、光电转换模块传输至中心控制单元，这样在传输链路环节有效地实现了测试数据的抗电磁干扰.

3.3 数据双冗余存储

分布式测试节点里的ADC模块输出数字量写入了分布式测试节点存储模块，同时通过光纤网络同步传输至中心控制单元.分布式测试节点存储模块的本地数据作为备份数据，当光纤网络出现损坏断裂等异常情况时，本地的存储数据可以作为备份测试数据进行分析处理.

4 测试网络验证及分析

构建的星型拓扑测试网络在台架试验台上进行了测试实验，加载一个振动载荷，测得了加速度-时间曲线，通过光纤网络传输至中心控制单元的振动测试曲线如图7所示.

图7 振动测试曲线 Fig.7 Vibration measurement curve

实验表明，测试网络的测试节点能够获取动态信号，并经过光纤网络传输至中心控制单元.为了验证星型拓扑测试网络，实验结束后读取了测试节点里的存储测试数据，与光纤传输的数据非常吻合，因为存储测试数据与光纤传输的数据来源于同一个ADC的数据源.根据测试实验的需要，可以布置n（n≥1）个测试节点，数据传输至中心控制单元，实现多路信号的测试.

5 结束语

针对车辆动态测试参数传输的抗干扰要求，提出了一种光纤与存储测试节点的星型拓扑测试网络构建方法.该方法采用星型拓扑结构，利用光纤和存储测试节点构建分布式测试网络，采用存储测试节点壳体屏蔽、光纤传输、数据双冗余备份等抗干扰设计，提高了分布式总线测试网络获取信息的能力.

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