基于1553B总线的小尺寸MBI板卡可靠性的研究与实现*

徐　进　王　礁　黄玉港

(西安工程大学电子信息学院　西安　710048)



基于1553B总线的小尺寸MBI板卡可靠性的研究与实现*

徐进王礁黄玉港

(西安工程大学电子信息学院西安710048)

传统的通信板卡占板面积大,重量重,电线复杂,可靠性低,基于1553B总线SoC(片上系统)芯片的小尺寸MBI(多路传输总线通信接口)通信板卡很好地解决了这一问题,通信效率高,抗干扰能力强,板卡面积小,重量轻,同时具有很高的可靠性。该MBI板卡采用双通道,双冗余度结构的设计使得总线的负载率大大降低,保证了较好的容错性和故障隔离,可靠性显著提高。该MBI板卡完成传输层功能,使接口卡具有智能性,减少了系统主机的干预,符合航空电子工程的要求。论文从误码率和误信率的关系,数学原理方面分析研究了可靠性问题。

1553B总线; 可靠性; 冗余; MBI

Class NumberTN914

1　引言

随着航空电子系统的发展,减小系统的重量、体积、功耗,提高产品的可靠性已成为航空电子系统产品设计的流行趋势和主流。对MBI板卡的尺寸要求越来越小,以满足系统对“小、低、轻”的要求。1553B总线MBI板卡作为系统模块电路中的总线通信部分,传统的总线通信系统中MBI模块应用解决方案的电路设计电缆分散性高,尤其在机载设备增加时,硬件设计占用板面大、可靠性低、体积大与航空电子系统高可靠性,低功耗,微型化的趋势相违背。基于以上原因研究基于1553B总线小尺寸MBI板卡的可靠性具有深远的意义[1]。

本文分析了影响小尺寸MBI板卡可靠性的因素,根据可靠性的数学原理,建立了1553B总线可靠性的数学模型[2],在此基础上,分析了1553B总线的冗错结构,通过降低误信率与减少该板卡故障工作时间提高系统的可靠性。最后通过对比计算结果,显示了该总线进行通信的可靠性。经实践证明,该MBI板卡功能完备,性能良好,集成度高,可移植性强,具有很高的可靠性,满足机载航空电子系统总线设计要求,可以满足系统的需要[3～4]。

2　系统的可靠性和误码率

误码率是判断数据在规定的传输时间内数据传输精确性的指标,也是小尺寸MBI板卡系统性能的重要参数[5]。

该板卡由1553B总线收发器、变压器、JTAG接口、短接线等构成,采用了双余度总线接口,变压器耦合方式连接的设计[6]。这些元器件都是无源器件,失效率很低,用这些无源器件严格按照工艺要求制作,并检验合格的总线网络的失效率也很低。因此,该板卡的正常工作时间由连接在总线上的BC和RT的平均正常工作时间决定。

误码率是判断系统通信精确性的指标,也是基于1553B总线小尺寸MBI板卡系统性能的重要参数。为了保证小尺寸MBI板卡的可靠性,1553串行通信协议制定了严格的性能指标,主要性能指标姬是系统的误码率,系统的误码率要求低于10-7,对应的误信率低于5×10-9。

误码率(Pe)：用来衡量误码出现的频率,系统通信过程中所收到的错误码元数在传输总码元数中占的百分比,即

(1)

(2)

在1553B系统中,一个码字的长度是20位,要求的误码率是Pe=10-7,则根据上述公式可得出

(3)

则1553B总线中的误信率为5×10-9,经计算表明,1553B总线的误信率低于千万分之一,该总线通信中系统具有较强的抗干扰能力。

3　系统的可靠性研究

综合航空电子系统实现信息交换主要依赖总线通信技术,系统通信过程中着重强调了总线通信的实时可确定性,因此保障总线信息传输技术的精确变得非常重要。在系统设计中1553B总线设计A,B两个传输信道进行通信,通过A,B信道之间进行自动切换来获得冗余容错能力,该总线具有较强的抗干扰优点,信道通信的精确性较高,在设计时重点进行1553B总线的通信精确性设计,采用冗余设计减少故障对系统正常工作的影响,采用电气屏蔽和变压器耦合的方式,每个节点都能够安全与网络隔离,减少了潜在损坏MBI板卡等设备的概率[7～9]。在设计小尺寸MBI板卡时采用变压器耦合的工作方式通信。由于直接耦合不利于终端故障隔离,会因为一个终端而造成整个总线网络的完全瘫痪,从而使MBI板卡模块在通信过程中的可靠性大大降低。

3.1可靠性分析

1553B系统的工作模式,工作流程可简化为如图1所示。

图1　1553B总线的结构框图

3.1.1可靠性的数学模型

1) A通道和B通道的工作寿命X1、X2和备份寿命Y1、Y2分别遵从参数为λ和μ的指数分布；

2) A通道和B通道的工作寿命与其通道曾经备份了多长时间无关；

3) A通道和B通道的寿命均相互独立；

在初始时刻系统在A通道上工作,B通道备份,于是1553B总线系统的寿命可表示为

X=X1+X2·I(Y2>X1)·I(XK=1)

(4)

由总线通信在A通道与B通道进行换通道事件的全概率公式和两个通道相互独立的关系,1553B总线的可靠度R(t)为[10]

(5)

3.1.2与单通道比较

1553B总线在航空电子系统项目实践中,通道变换的故障率较低,可以近似为p=1。另外,总线的A,B通道处于热备份,可认为λ=μ。于是式(5)化成如下的式(6)并以此进行分析。

(6)

若单通道进行1553B总线的通信(A或B),系统的可靠度理论计算结果为R0(t)=e-λt,则：

R*(t)=2R0(t)-(R0(T))2

(7)

显然R*(t)>R0(t),即1553B总线采用双通道备份方式的设计在总线通信中的可靠性优于单通道通信的可靠性。

3.2可靠性的技术指标

在实际设计过程中,系统可靠度越高就越好。可靠度高的产品,系统使用寿命较长[11]。

可靠度包括结构的安全性、适用性和耐久性,当以概率来度量时,称可靠度。 产品寿命T是一个随机变量,可靠度R(t)为

R(t)=P(T>t)

(8)

式中,t是规定时间。

如上式所示t时产品的可靠度,指产品在[0,t]内完成预定要求的概率。

不可靠度F(t)为

F(t)=P(T≤t)

(9)

即t时产品的不可靠度,指产品在[0,t]内不能正常工作的概率。显然

R(t)+F(t)=1

(10)

对于有限样本,设产品总数目为N。经过t时间系统设备损坏数目为r(t),则系统完成预定功能的概率和系统不能正常工作的概率为

(11)

(12)

随着时间增大,系统完成预定功能的概率由开始时的R(0)=1逐渐降低(R(∞)=0),系统发生故障的概率由开始时的F(0)=1逐渐增加到(F(∞)=1)。

3.3可靠性指标数据

正常工作时间中系统通信出现错误的间隔时间是总线通信系统中可靠性的指标,系统中电子器件最低级的失效率为1×10-4/h。取(1/λ)=104h,由式(4)可知,可靠性指标计算数据如表1所示,从计算结果上可进一步看出1553B总线采用通道备份的工作方式比采用单一通道进行通信,该总线在航空电子系统中进行信息传输的平均正常工作时间显著增加[12]。

表1　可靠度数比较

4　结语

随着数字技术的发展,要求的功耗和板卡的面积越来越低,本文介绍的基于1553B总线的小尺寸MBI板卡给出MBI板卡的可靠性设计,研究了基于1553B总线系统可靠性的技术指标,建立了1553B总线系统可靠性的数学模型,为后续基于1553B总线的小尺寸MBI板卡应用在机载,弹载,航空电子系统中做了理论准备,通过计算结果对比,明显提高了基于1553B总线的小尺寸MBI板卡系统的可靠性。解决了占板面积大,可靠性低,功耗低,传输精确性差的问题。满足了新一代机载电子系统对1553B总线小尺寸MBI板卡可靠性设计的要求,目前已应用于若干实际工程项目中,具有广阔的应用前景。研究1553B总线的小尺寸MBI板卡可靠性有重要的现实意义,且对高速1553B总线小尺寸MBI板卡的研究有一定的参考价值。

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Research and Implementation of Reliability of A Small Size MBI Board Based on 1553B Bus

XU JinWANG JiaoHUANG Yugang

(Shool of Electronic Information, Xi’an Polytechnic University, Xi’an710048)

With large occupy board areas, heavy weight, and complex wires, the reliability of the traditional communication board is low. However, with high communication efficiency, strong anti-interference ability, small board card areas, and light weight, a small size MBI communication board of SoC chip based on 1553B bus solves the problem better. The MBI board adopts the design of double-channel and double-redundancy structure, which greatly reduces the bus load rate, ensures good fault tolerance and fault isolation, and improves the reliability significantly. The MBI board completes the function of the transport layer, making the interface card is intelligent, reducing the interference of the system host, and meeting with the requirements of avionics engineering. The paper explores the problem of the reliability from the aspects of the relationship between the bit error rate and the error rate, and the mathematical principle.

1553B bus, reliability, redundancy, MBI

2016年4月17日,

2016年5月20日

徐进,男,教授,硕士生导师,研究方向：信息理论与信息系统、智能电子测量与控制系统。王礁,男,硕士研究生,研究方向：信号与信息处理，1553总线仿真卡设计。黄玉港,男,硕士研究生,研究方向：数字图像处理，信号与信息处理。

TN914

10.3969/j.issn.1672-9722.2016.10.026