一种高速1553B总线控制器自动测试平台的开发

牛文娟，张 方，饶张飞

(西安微电子技术研究所，西安 710054)

0 引言

1553B总线是一种指令/响应式串行总线标准，在我国航空、航天和武器系统装备中被广泛应用。美国空军制订的数字式时分指令/响应式复用数据数据总线协议标准，数据传输速率为1 Mb/s[1],难以适应当前系统对总线高带宽的需求。因此对高速1553B总线的研究十分必要，文献[2]介绍了2M 1553B总线仿真卡的硬件和软件设计与实现，并对仿真卡的协议符合性和电气特性进行验证。文献[3]提出了一种自主研发的数据传输速率为10 Mb/s的1553B总线控制器，并对其性能指标和可靠性等进行了验证，验证结果表明满足相关规范的要求。文献[4]参考1 Mb/s远程终端有效性测试办法，研制了高速1553B总线有效性测试平台，该测试平台能够支持高速1553B板卡的有效性测试。文献[5]设计了基于DSP的1553B总线芯片测试系统，对BU-61580系列芯片的内部存储器的功能和总线传输数据的正确性进行测试。

随着高速1553B总线产品的出现和在国防军工领域的不断应用，对高速1553B总线产品的测试要求在不断提高[6]。本文提出一种高速1553B总线控制器自动测试系统，该测试系统的开发基于通用测量仪器平台，具有开发周期短、难度低和可靠性高的特点。使用国产芯片LHB155304对测试系统进行验证，验证结果表明该测试系统可以实现对4 M1553B总线控制器电气特性参数的测试和总线协议功能的检查，能够满足高速1553B总线控制器在设计调试阶段的测试需求。

1 高速1553B总线控制器测试项目介绍

高速1553B总线控制器一般是双冗余结构设计，具有A/B两个通道，可以在BC、RT和MT三种模式下工作。高速1553B通信系统中通常选择变压器耦合方式，实现信号的可靠传输，因此需要在变压器耦合方式下完成对1553B总线控制器电气特性参数的测试和协议功能的检查[7]。电气特性参数的测试包括以下5个方面：1)幅度VPP：18.0V≤VPP≤27.0 V；2)上升下降时间TR/TF：100 ns≤TR/TF≤300 ns；3)过零稳定性：±25 ns；4)输出波形过冲与扰动，畸变电压VD：1VD1≤900 mV；5)输出对称性，残余电压VR：1VR1≤250 mV。

高速1553B总线控制器总线协议功能的检查，是通过搭建高速1553B总线通信仿真平台，对总线控制器在BC和RT工作模式下协议编码的准确性进行检查。仿真平台还可以在总线数据中注入六种类型的消息差错，验证高速1553B总线控制器对无效消息的响应。高速1553B总线六种差错注入类型分别为：奇偶校验位差错、同步头差错、字长差错、双向编码差错、数据字连续性差错和消息长度差错[8]。

2 高速1553B总线控制器自动测试平台设计

高速1553B总线控制器自动测试系统是基于通用测量仪器搭建的测试平台，应用高速1553B总线协议分析软件，实现电气特性参数的自动测试和协议功能检查的目的。高速1553B总线控制器自动测试平台由数字存储示波器、任意波形发生器、高速1553B总线测试板和具有各种LAN、USB和GPIB板卡接口的工控计算机组成，自动测试平台如图1所示。其中工控计算机使用LAN接口与数字存储示波器进行通信，实现测试命令的下发和测试数据的上传功能，使用GPIB控制任意波形发生器产生各种1553B总线信号和差错注入信号。

图1 自动测试平台系统框图

2.1 高速1553B总线测试板设计

高速1553B总线测试板由供电电路、时钟电路、控制电路、逻辑电路和高速1553B总线接口电路组成[9]。工控计算机通过USB接口为高速1553B总线测试板供电，供电电路将+5 V的电压转换成+3.3 V的电压，为测试板中的各个模块提供供电电压。时钟电路的主要器件为晶振，为测试板中的逻辑电路和1553B总线控制器提供相应的工作时序信号。

工控计算机通过USB接口向控制电路ARM中写入控制程序，包括控制信号、地址信号和数据信号，这些信号送入逻辑电路FPGA中，完成逻辑控制、地址译码和数据处理等功能，实现高速1553B总线控制器的消息编辑、工作模式配置和初始化复位控制等功能。高速1553B总线接口电路由隔离耦合电路和阻抗匹配网络构成，隔离耦合电路分别使用隔离变压器和耦合变压器实现高速1553B总线信号的隔离。阻抗匹配网络由5个阻值为93.1 Ω的电阻组成，保证高速1553B总线接口阻抗的匹配。

系统上电后由工控计算机通过USB接口向高速1553B总线测试板发送控制信号，板载处理器接收到控制指令后启动1553配置程序，对被测1553电路进行工作模式等相关配置，这些配置信号传输至FPGA完成译码和时序控制等逻辑后送至被测电路，完成对被测电路的相关初始化配置。当被测电路接收到任意波形发生器发送的符合曼彻斯特Ⅱ型编码规则的1553波形时会响应总线消息，此时示波器在同步实时采集总线上的数据，实现对高速1553B总线控制器的测试。

2.2 数字存储示波器和任意波形发生器的配置

数字存储示波器是高速1553B总线控制器自动测试系统中最重要的部分，利用数字存储示波器高性能的信号采集、处理和测量能力，为高速1553B总线信号的可靠测试提供前提。数字存储示波器选用Tek的MDO4104C，示波器的模拟带宽为1 GHz，最高采样速率为5 GS/s，最大存储深度为20 MS。数字存储示波器首先对高速1553B总线信号进行前端预处理，再通过内部高精度的A/D转换，将采样数字信号保存至示波器的存储器中。由于高速1553B总线信号为差分信号，因此使用数字存储示波器的双通道对总线信号进行测量，并使用双通道间的减法运算实现对总线信号的正确测量。

任意波形发生器用来模拟仿真高速1553B总线编码信号，采用Keysight的任意波形发生器81150A，DAC采样速率为2 GS/s，分辨率为14 bit，最高频率为120 MHz。根据1553B总线的编码规则，编写不同的1553B总线数据序列，使用任意波形发生器的波形加载功能，模拟1553B总线控制器的BC功能，仿真产生高速1553B总线信号。利用任意波形发生器的正常输出和辅助输出两个端口，产生波形幅度为9 V的差分信号，通过阻抗匹配网络的衰减变为3 V，满足高速1553B总线控制器测试中对发出信号幅值的要求。

2.3 高速1553B总线测试系统的功能实现

测试高速1553B总线控制器的电气特性参数时，直接使用示波器的波形参数测量功能，对1553B总线控制器分别在BC和RT工作模式下的幅度、上升下降时间和脉冲宽度进行测试。其中，畸变电压和残余电压的测试首先要对高速1553B总线数据进行解码分析，确定最后一个过零点位置后，才能计算出相应的电压值。

总线协议功能的检查是在高速1553B总线协议分析软件对总线数据解码分析的基础上实现的。当1553B总线控制器工作在BC模式下时，输出端连接一个70 Ω的匹配电阻作为负载，并使用数字存储示波器对总线上的信号进行监控。首先，设置示波器的垂直与水平分辨率和存储深度等参数，能够对总线消息进行完整采集与存储。然后，由高速1553B总线协议分析软件下载示波器内的存储数据，调用高速1553B总线协议解码程序，完成对总线数据的分析。最后，根据软件分析结果，判断BC工作模式下总线协议的正确性。

当1553B总线控制器工作在RT模式下时,将任意波形发生器使用差分的方式连接至1553B总线测试板，并使用数字存储示波器对总线上的信号进行监控。首先，设置总线控制器的RT地址和子地址，根据RT地址信息编辑1553B总线波形序列。然后任意波形发生器加载1553B总线波形数据并输出，由高速1553B总线协议分析软件对示波器采集的总线数据进行解码分析，判断RT工作模式下总线协议的正确性。根据高速1553B总线协议的编码规则，编辑六种类型的总线数据差错信号，使用任意波形发生器分别加载这些包含错误的总线数据波形，检查RT工作模式下高速1553B总线控制器的响应。

3 高速1553B总线控制器自动测试程序设计

高速1553B总线控制器自动测试系统是使用Matlab开发的，编译打包为能够独立安装运行的程序。自动测试程序包含1553B总线控制器BC工作模式和RT工作模式两个测试模块，并调用1553B总线控制器工作模式配置、高速1553B总线协议解码和1553B总线消息差错注入3个子程序。

3.1 高速1553B总线控制器自动测试模块

高速1553B总线控制器BC工作模式的测试过程为：首先调用1553B总线控制器工作模式配置程序，将1553B总线控制器初始化为BC工作模式。BC初始化过程中完成对中断屏蔽、故障重发和时间标志等寄存器的配置，写入指令消息的状态字、消息时间间隔和消息块地址等信息；然后自动测试程序对数字存储示波器进行设置，使用示波器的MEASurement命令函数对1553B总线信号的电气性能参数进行测试；最后，调用高速1553B总线协议解码程序对1553B总线信号进行分析，将总线解码信息与BC初始化写入的消息进行比对，完成BC工作模式下1553B总线协议正确性的检查。

高速1553B总线控制器RT工作模式的测试过程为：首先调用1553B总线控制器工作模式配置程序，将1553B总线控制器初始化为RT工作模式。RT初始化过程中完成对1553A/B通道、方式指令和响应超时等寄存器的配置，设置广播消息、接收发送指令和RT地址等信息；然后自动测试程序对任意波形发生器进行设置，使用任意波形发生器的FUNCtion:SHApe命令函数加载1553B总线波形数据，模拟仿真1553B总线信号；第三步，自动测试程序对数字存储示波器进行设置，使用示波器的MEASurement命令函数对1553B总线信号的电气性能参数进行测试；第四步，调用高速1553B总线协议解码程序对1553B总线信号进行分析，查看总线解码信息是否正确响应，完成RT工作模式下1553B总线协议正确性的检查；最后，通过调用1553B总线消息差错注入子程序，分别加载六种错误类型的总线波形数据，验证RT工作模式下高速1553B总线控制器对无效消息的响应。

3.2 高速1553B总线协议解码程序设计

高速1553B总线协议解码程序是1553B总线控制器自动测试系统的核心，决定了自动测试系统的准确性和可靠性。为了提高1553B总线协议解码的高效性，高速1553B总线协议解码程序设计中首先将模拟数据转换成数字数据，通过对1553B总线每比特位上数字数据平均值的计算，确定总线数据每比特高、低位对应的逻辑值，最终解码出正确的高速1553B总线协议信息[10]。

高速1553B总线协议解码程序主要包括读取数据文件、同步头检测、串行数据解码和保存解码数据四部分。高速1553B总线协议解码程序的设计流程如图2所示，其中，num为每个采样点的序号，SL为示波器的采样长度，num≤SL。N为同步头的数量，H为每个同步头的序号，H≤N，高速1553B总线协议解码程序还会分析出每个有效同步头的采样点位置，根据示波器设置的采样间隔计算出对应的时间位置，便于实现畸变电压和残余电压的自动测试。

图2 1553B协议解码程序设计流程图

4 高速1553B总线控制器自动测试系统的验证

使用西安微电子技术研究所研制的4Mbps1553B总线控制器LHB155304对高速1553B总线控制器自动测试系统进行验证。配置 LHB155304工作在BC模式下，发送一条BC-RT的接收指令消息3 020 H，32个数据字为5 500 H～551 FH，设置数字存储示波器的采样率为100 MS/s，运行BC工作模式自动测试程序。测试结果为：1)幅度VPP=21.5 V：2)畸变电压VD=280 mV；3)残余电压VR=200 mV；4)总线协议解码信息为：采样位置，num=10 000，指令字，3 020 H；采样位置，num=10 500～26 000，数据字，5 500 H、5 501 H、……、551 EH、551 FH共32个。

配置 LHB155304工作在RT模式下，RT主地址为3，子地址为1，接收，单消息存储管理，中断禁止。设置任意波形发生器的加载一个1553B总线波形序列，模拟一条BC-RT的接收指令消息1 821 H，发送一个数据字000 1 H。设置数字存储示波器的采样率为100 MS/s，运行BC工作模式自动测试程序，总线协议解码信息为：采样位置，num=7 499，指令字，1 821 H；采样位置，num=7 999，数据字，000 1 H；采样位置，num=8 849，状态字，1 800 H。调用1553B总线消息差错注入子程序，仿真发送一个包含奇偶校验位差错的总线信息，总线协议解码信息为：采样位置，num=7 499，指令字，1 821 H，奇偶校验位错误。

通过对4 M1553B总线控制器在BC工作模式和RT工作模式下的验证，高速1553B总线控制器自动测试系统完成了电气性能参数测试、总线协议正确性检查和错误注入响应的验证。验证结果表明，测试系统实现了4M1553B总线控制器的自动测试。

5 结束语

本文使用数字存储示波器、任意波形发生器和1553B总线测试板等搭建了高速1553B总线控制器自动测试平台，基于Matlab软件编写高速1553B总线控制器自动测试程序，实现对1553B总线控制器电气性能参数的测试和协议功能的检查。该自动测试系统具有便于维护和易于扩展的优点，可以满足4 Mb/s1553B总线控制器的自动测试需求，为10 Mb/s1553B高速总线控制器的测试提供基础。