基于GJB289A数据总线架构的测试系统设计与研究

2023-05-20 13:05余鑫乐

中国新技术新产品 2023年4期

余鑫乐

（中国直升机设计研究所，江西景德镇 333001）

0 引言

GJB289A 数据总线是直升机航空电子系统的“神经”和“骨架”，为航电系统各组成部分的通信提供传输途径，从而实现航电系统的信息交互、综合显示和控制。同时，数据总线一般会预留测试接口，可对航电系统各子系统的数据进行监控和测试[1]。直升机航空电子系统的信息集成化、先进化程度以及直升机整体性能，直接受到直升机机载GJB289A 数据总线的影响。

在数据总线领域中，常见的数据总线类型有ARINC429 总线、MIL-STD-1553B 总线等。由于ARINC429 总线采用点对点单向传输的方式进行数据传输，因此，其效率低的缺点无法满足航空电子系统的要求。MIL-STD-1553B 总线是一种采用半双工的通信方式进行时分制指令/响应多路传输的数据总线，其具有结构简单、易于扩展和集成性高等特点，因此在联合式航电系统中得到广泛应用[2-3]。基于1553B 标准的数据总线核心技术长期被欧美公司垄断，国内通过自主研发项目颁布了GJB289A数据总线标准，该数据总线是国产直升机使用的主流数据总线。

因此，笔者研究一种测试系统，用于GJB289A 数据总线的性能测试，有极为重要的实践意义和应用价值。

1 设计思想

GJB 289A—97《数字式时分制指令/响应型多路传输数据总线》规定了GJB289A 数据总线的技术要求。该要求包括总线接口及其接口电子设备连接逻辑关系，规定了GJB289A 数据总线在多路传输过程中的工作原理和总线上的信息流及需要采用的电气和功能特性[4]。数据总线传统的测试方法为手动分布式，这种测试方法需要使用多种分离的仪器设备，例如信号源、万用表以及示波器等，连线关系错综复杂，测试流程及操作步骤烦琐，测试时间较长，测试一致性受人为因素的影响较大且测试项目覆盖面窄，只能对电缆进行定性测量，很难达到定量测量的要求，测试的结果也不够准确。

因此，为提高测试结果的准确度、简化操作流程，可以采用高度集成的专用自动电缆网络测试系统，形成一站式自动化测试体系，减少人工参与测试的时间，提高测试一致性。在自动电缆网络测试系统中，在满足定性测量的前提下，还可实现定量测量，从而提高测试结果的精确度。

2 方案设计

2.1 硬件设计

基于GJB289A 数据总线架构的测试系统采用模块化设计、机柜式结构，测试系统的机柜中包括系统控制中心、示波器、特性阻抗分析模块、测试控制接口模块、含PCI 接口的289A 通信模块、含PCI 接口的数字万用表模块以及波形发生器模块等，并配备打印机，通过测试工装电缆将数据总线与测试系统连接，通过测试系统中的测试软件对数据总线的功能、性能进行测试。测试系统总体结构框图如图1 所示。

图1 测试系统总体结构框图

2.1.1 测试控制接口模块

测试控制接口模块主要实现GJB289A 数据总线电缆网络测试通道的切换及信号调理等功能，原理框图如图2 所示。

图2 测试控制接口模块原理图

测试控制接口模块主要是由三级开关矩阵构成的。开关矩阵主要是完成数据采集探头、1 Mbit/s 通信速率的289A 总线终端（BC、RT）、4 Mbit/s 通信速率的289A 总线终端（BC、RT）、直流电阻测量表笔、阻抗测量表笔、信号源输出探头与32 路289A 总线短截线和4 路289A 总线主总线输入接口之间的切换互连，要求每路289A 输入接口有一个针型接头和一个孔型接头且同一时刻有且仅有一种接头处于带电状态。第一级开关矩阵完成36 路289A 接头的切换输入，为节省开关的数量，采用双刀双掷继电器开关，实现36 路针型和孔型接头的二选一输入；第二级开关矩阵完成36 路二选一之后的节点切换到4 个公共节点以及36 路输入的屏蔽层切换到2 个公共点；第三级开关矩阵完成6 个公共节点到完成数据采集探头、1 Mbit/s 通信速率的数据总线终端、直流电阻测量表笔、阻抗测量表笔、信号源输出探头之间的切换。

该模块还包括GJB289A数据总线电缆网络的匹配电阻网络，这些匹配电阻主要是根据测试进程需要，为被测试的电缆网加载相应的匹配电阻，包括32 个短截线加载的终止器电阻，8 个主总线加载的终端电阻。终止器电阻为1kΩ、功率1W 的线绕电阻，终端电阻为2 个阻值为38.5Ω、功率1W 的线绕电阻组合而成。这些匹配电阻需要通过开关控制，从而实现选择性接入。

2.1.2 系统控制中心

系统控制中心采用具有扩展性的多PCI 槽的工控机作为控制平台，通过PCI 接口、USB 接口、VGA 接口以及RS232接口集成其他所有的功能模块，人工只需要通过操作测试软件，进而控制所有的功能模块，根据测试流程，测试系统可以自动完成整个测试。

2.1.3 特性阻抗分析模块等其他模块

特性阻抗分析模块及打印机内置于机柜内部，除测试控制模块外，其余模块均采用通用模块设计，可采用打印机直接打印测试结果。

2.2 软件设计

基于GJB289A 数据总线架构的测试系统采用专用测试软件实现测试功能，与硬件设计相匹配，通过操作测试软件，系统可自动完成要求的测试项目，并自动生成测试结果与测试数据，整个测试过程不需要人工干预。该测试软件以中文Windows XP 为开发环境，采用C++、Microsoft Visual 等开发工具，将测试结果存入数据库中，从而完成对GJB289A 数据电缆的电气特性测试、信号传输波形特性及其他功能/协议的测试。主要测试功能内容见表1，设备总体操作流程如图3 所示，软件测试流程如图4 所示。

图3 设备总体操作流程图

图4 软件测试流程图

表1 测试软件功能内容表

3 功能实现

下面主要介绍连续性测试、特性阻抗测试、总线衰减测试、波形畸变测试、波形过零点畸变、波形对称性测试、动态故障影响、波形上升/下降沿测试以及数据通路完整性测试的测试内容和试验结果。

3.1 连续性测试

连续性测试包括屏蔽的连续性、总线的连续性以及短截线电阻的测试。屏蔽的连续性要求GJB289A 数据总线各连接器外壳体之间的直流电阻小于0.039×L（Ω），L为两个测量点之间的电缆长度；总线的连续性要求每个连续性的最大电阻值应为对应测量点和短路点之间距离的函数，以电缆每根金属导线直径≤0.404 mm为标准，总线连续性测量的最大电阻值小于0.171Ω/m；短截线电阻测试要求短截线蓝白线之间最大直流电阻值应小于5Ω。

以试验样线为例，连续性测试结果见表2~表4。

表2 屏蔽的连续性测试结果

表3 总线的连续性测试结果

表4 短截线电阻测试结果

3.2 特性阻抗测试

特性阻抗测试包括总线特性阻抗和变压器耦合方式短截线的特性阻抗。特性阻抗测试均采用电压均方根值为1 V~2 V，频率为75.0 kHz 和1 MHz 的正弦波，分别测量记录2 个频率点的总线特性阻抗。总线特性阻抗分为3 个部分，分别为短截线全部挂载1 kΩ 电阻、短截线全部开路和短截线依次短路。变压器耦合方式短截线的特性阻抗分为2 个部分，分别为测量短截线，其余未测量短截线全部挂载1kΩ 电阻及其余未测量短截线一次开路至全部开路。

以试验样线为例，总线特性阻抗测试结果（短截线全部开路）见表5，变压器耦合方式短截线的特性阻抗（测量短截线，其余未测量短截线全部挂载1 kΩ 电阻），见表6。