便攜式1553B電纜測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　1 引言

　　隨著航空航天以及武器裝備的電子信息化程度的日益提高，1553B總線的地位也日益突出，應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。如何對(duì)1553B總線系統(tǒng)的電纜網(wǎng)絡(luò)特性以及終端通訊協(xié)議進(jìn)行全面有效的測(cè)試評(píng)估是長(zhǎng)期以來(lái)的一個(gè)重要課題。本文參照GJB5185.5-2004以及GJB289-97等標(biāo)準(zhǔn)，闡述了一種新型的便攜式1553B電纜測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。

　　2 需求分析及功能定義

　　對(duì)1553B總線系統(tǒng)的檢測(cè)主要分為對(duì)1553B總線電纜網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)和對(duì)1553B終端設(shè)備通訊協(xié)議的檢測(cè)兩大類。

　　2.1 1553B總線電纜網(wǎng)絡(luò)測(cè)試

　　1553B電纜網(wǎng)絡(luò)主要由主總線、短截線、耦合器三大部分組成[1,2]。受原料質(zhì)量、生產(chǎn)加工、現(xiàn)場(chǎng)安裝、震動(dòng)、磨損、溫度等因素影響，電纜網(wǎng)絡(luò)可能會(huì)出現(xiàn)線芯短路、線芯開路、線芯與屏蔽網(wǎng)短路、屏蔽網(wǎng)不連續(xù)、線芯極性接反等故障，因此需要對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行測(cè)試[1,2,3]。另外，電纜網(wǎng)絡(luò)接口松動(dòng)接觸不良、耦合器不良、線圈比例不合格等因素會(huì)引起電纜交流參數(shù)變化，給通訊造成隱患，因此需要對(duì)數(shù)據(jù)完整性以及波形參數(shù)進(jìn)行測(cè)試[1,2,3]。

　　2.2 1553B終端設(shè)備功能檢測(cè)

　　1553B終端設(shè)備功能檢測(cè)是檢驗(yàn)被測(cè)終端設(shè)備是否能正常進(jìn)行1553B數(shù)據(jù)通訊，是否滿足1553B協(xié)議。1553B終端設(shè)備可能會(huì)出現(xiàn)發(fā)送消息信號(hào)波形的峰值、時(shí)間間隔、對(duì)稱性等異常，或接收器無(wú)法識(shí)別標(biāo)準(zhǔn)的1553B信號(hào)，造成消息無(wú)法發(fā)送出去、無(wú)法識(shí)別RT地址、對(duì)接收到的命令字消息無(wú)法響應(yīng)等故障。這些故障都體現(xiàn)在它們?cè)诳偩€網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，于是可以在總線網(wǎng)絡(luò)上接入一個(gè)工作在BM模式下的1553B終端設(shè)備，對(duì)總線上的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)聽(tīng)，檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)上哪個(gè)終端設(shè)備的數(shù)據(jù)不對(duì)，發(fā)現(xiàn)故障終端后再對(duì)該終端進(jìn)行詳細(xì)的故障排除、維修[4,5]。

　　另外，由于在外場(chǎng)對(duì)航空電子設(shè)備或武器裝備進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，所有儀器設(shè)備都已經(jīng)安裝在飛機(jī)、火箭內(nèi)部，維護(hù)人員面臨設(shè)備拆卸不便、測(cè)試空間有限等困難。因此，用于檢測(cè)的測(cè)試系統(tǒng)要具有操作簡(jiǎn)單、攜帶方便、長(zhǎng)距離通訊等功能[3]。

　　3 總體設(shè)計(jì)

　　根據(jù)外場(chǎng)遠(yuǎn)距離測(cè)試要求，便攜式1553B電纜測(cè)試系統(tǒng)分成兩個(gè)部分：測(cè)試主機(jī)和信號(hào)源，兩者通過(guò)Wi-Fi或RS485進(jìn)行通訊，互相配合完成1553B總線設(shè)備的檢測(cè)[3]。系統(tǒng)框圖如圖1所示,采用嵌入式平板電腦作為整個(gè)系統(tǒng)的主控單元，其通過(guò)外圍接口(USB、Wi-Fi/RS485、RS232)擴(kuò)展1553B測(cè)試專用主板、數(shù)據(jù)采集板以及1553B測(cè)試信號(hào)源主板，其中1553B測(cè)試信號(hào)源通過(guò)WiFi/RS485跟主機(jī)通訊，通訊距離不小于50米(Wi-Fi)/1000米(RS485)[3]。

　　圖1 便攜式1553B電纜測(cè)試系統(tǒng)的組成

　　主控單元采用嵌入式平板電腦，其豐富的外設(shè)可滿足擴(kuò)展各個(gè)系統(tǒng)模塊的要求，觸摸屏設(shè)計(jì)以及可安裝Windows XP操作系統(tǒng)，為設(shè)計(jì)友好的人機(jī)交互界面提供了條件。1553B測(cè)試專用主板上集成了系統(tǒng)供電系統(tǒng)、1553B電纜網(wǎng)絡(luò)測(cè)試模塊以及基于USB接口的1553B終端設(shè)備功能測(cè)試模塊。1553B測(cè)試專用主板基于FPGA設(shè)計(jì)，主板控制處理器、網(wǎng)絡(luò)測(cè)試用的1553B總線控制器以及終端設(shè)備功能測(cè)試用的1553B控制器全部集成在FPGA內(nèi)部，集成度高，體積小，達(dá)到便攜式設(shè)計(jì)要求。數(shù)據(jù)采模塊采用基于USB接口設(shè)計(jì)，負(fù)責(zé)對(duì)1553B總線上的數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行采集，傳輸?shù)街骺貑卧M(jìn)行分析處理。1553B測(cè)試信號(hào)源模塊也是基于FPGA設(shè)計(jì)，用于產(chǎn)生測(cè)試所需要的各種1553B數(shù)據(jù)信號(hào)[3]。

　　另外，為提高系統(tǒng)使用的便利性以及對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性，測(cè)試主機(jī)和1553B測(cè)試信號(hào)源都設(shè)計(jì)有鋰電池供電，而且支持一邊充電一邊工作的模式[3]。

　　4 硬件設(shè)計(jì)

　　4.1 主控單元及數(shù)據(jù)采集模塊

　　系統(tǒng)的主控單元選用嵌入式平板電腦，選型要求主要為具有RS485/WiFi、USB、RS232接口，低功耗，支持觸摸輸入，支持Windows XP操作系統(tǒng)等。綜合考慮系統(tǒng)的要求，可選用工業(yè)控制平板電腦。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)直接可選用基于USB接口的數(shù)據(jù)采集模塊，要求其具有如下性能：帶寬200MHz，采樣速率高達(dá)1 GS/s;支持2通道輸入;存儲(chǔ)深度為32Mpts;垂直分辨率8位;緊湊的便攜式結(jié)構(gòu);USB2.0接口;最大輸入CAT 130Vrms, 42 Vpk[3]。

　　4.2 1553B測(cè)試專用主板

　　1553B測(cè)試專用主板采用緊湊型設(shè)計(jì)，由系統(tǒng)供電模塊、1553B電纜網(wǎng)絡(luò)測(cè)試模塊以及基于USB接口的1553B終端設(shè)備功能測(cè)試模塊組成。主板的原理框圖如圖2所示：

　　圖2 1553B測(cè)試專用主板原理框圖

　　1553B測(cè)試專用主板的核心為一款大容量的FPGA，其中內(nèi)嵌歐比特公司的高可靠嵌入式處理器S698 IP核作為主控SOC，同時(shí)內(nèi)部集成了電纜網(wǎng)絡(luò)測(cè)試和終端設(shè)備功能測(cè)試用的1553B總線控制器，配合外圍接口模塊，實(shí)現(xiàn)了USB接口、RS232接口、1553B電纜網(wǎng)絡(luò)測(cè)試控制模塊以及1553B終端設(shè)備控制模塊的功能[3,4]。

　　S698 IP核是一款可裁減的基于AMBA總線架構(gòu)的內(nèi)核，帶有豐富的外設(shè)，特點(diǎn)如下[4]：

　　? 帶IU/FPU單元，支持5級(jí)流水;

　　? 帶有內(nèi)存控制器，可以外接SRAM/PROM/SDRAM;

　　? 帶有中斷控制器;

　　? 帶有2個(gè)UART串口;

　　? 帶有2個(gè)內(nèi)部定時(shí)器;

　　? 帶有GPIO接口;

　　1553B總線控制器 IP核是歐比特公司專門為航空、航天測(cè)控網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備開發(fā)的符合MIL-STD-1553B(以下簡(jiǎn)稱1553B)協(xié)議的總線控制器模塊。該模塊內(nèi)部實(shí)現(xiàn)了1553B總線協(xié)議處理器和總線數(shù)據(jù)收發(fā)器，可以完成總線控制器(BC：Bus Controller)、遠(yuǎn)程終端(RT：Remote Terminal)和總線監(jiān)視器(BM：Bus Monitor)三種總線設(shè)備的功能。此處使用的1553B內(nèi)核是集成了2個(gè)OBT1553B的功能，從而實(shí)現(xiàn)具有獨(dú)立兩路1553B功能的總線控制器。同時(shí)內(nèi)核內(nèi)置了32K X 16 Bit靜態(tài)存儲(chǔ)器，靜態(tài)存儲(chǔ)器容量的大小可以根據(jù)需要修改[5]。

　　S698處理器內(nèi)部帶有RS232接口[4]，它用于實(shí)現(xiàn)1553B電纜網(wǎng)絡(luò)測(cè)試模塊跟系統(tǒng)主控單元之間的通訊，主控單元根據(jù)測(cè)試流程通過(guò)RS232接口向網(wǎng)絡(luò)測(cè)試模塊發(fā)送命令，網(wǎng)絡(luò)測(cè)試模塊根據(jù)命令控制1553B控制器模擬某種1553B總線工作模式(BC/RT/BM)，發(fā)送或接收1553B數(shù)據(jù)消息，并控制數(shù)據(jù)采集通道的切換[3]。

　　在S698處理器的IO接口外掛PHILIPS公司提供的ISP1582芯片，即可實(shí)現(xiàn)12Mbit/s全速的USB接口功能[6]。USB接口用于實(shí)現(xiàn)1553B終端設(shè)備功能測(cè)試模塊跟主控單元之間的通訊，主控單元通過(guò)USB接口控制主板上1553B終端設(shè)備功能測(cè)試模塊模擬某種1553B總線工作模式(BC/RT/BM)，實(shí)現(xiàn)跟外部被測(cè)1553B終端設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，主板把主控單元發(fā)送下來(lái)的數(shù)據(jù)組成消息發(fā)送出去，或把接收到的消息數(shù)據(jù)上傳到主控單元進(jìn)行分析、處理。

　　4.3 1553B測(cè)試信號(hào)源

　　1553B測(cè)試信號(hào)源要根據(jù)測(cè)試進(jìn)程，模擬BC或RT，產(chǎn)生各種測(cè)試用的1553B激勵(lì)信號(hào)。基于FPGA設(shè)計(jì)信號(hào)源模塊，具體原理框圖如圖3所示：

　　圖3 信號(hào)源模塊功能框圖

　　1553B信號(hào)源模塊基于FPGA設(shè)計(jì)，采用S698 IP核作為板上主控處理器，結(jié)合外圍晶振、復(fù)位、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和程序存儲(chǔ)器，組成板上控制系統(tǒng)。同時(shí)在FPGA內(nèi)部集成了1553B總線控制器 IP核，實(shí)現(xiàn)BC/RT/BM功能，產(chǎn)生各種1553B總線數(shù)據(jù)信號(hào)。為實(shí)現(xiàn)跟系統(tǒng)的主控單元之間的通訊，設(shè)計(jì)有WiFi以及RS485接口。S698自身帶有串口控制器，選用MAXIM公司提供的RS485驅(qū)動(dòng)芯片--MAX3485作為驅(qū)動(dòng)即可實(shí)現(xiàn)RS485接口。WIFI接口選用工業(yè)用WiFi轉(zhuǎn)串口模塊SocketWireless WiFi，它支持因特網(wǎng)協(xié)議、加密協(xié)議、硬件加速協(xié)議，支持無(wú)線IEEE 802.11b/g標(biāo)準(zhǔn)，可以方便的把串口設(shè)備接入IEEE 802.11b/g無(wú)線局域網(wǎng)[3]。

　　5 專用軟件設(shè)計(jì)

　　為利于系統(tǒng)的維護(hù)及功能擴(kuò)展，專用軟件的設(shè)計(jì)遵循軟件結(jié)構(gòu)化和模塊化的設(shè)計(jì)思想。專用軟件主要包括WIFI/RS485用戶管理模塊、系統(tǒng)配置管理模塊、通訊控制模塊、數(shù)據(jù)采集控制模塊、1553B電纜網(wǎng)絡(luò)測(cè)試模塊、1553B終端設(shè)備功能測(cè)試模塊、測(cè)試波形回放打印模塊、測(cè)試報(bào)表統(tǒng)計(jì)分析模塊、系統(tǒng)在線幫助模塊，總體結(jié)構(gòu)如圖4所示：

　　圖4 專用軟件總體框圖

　　上層界面軟件通過(guò)主控單元的外設(shè)驅(qū)動(dòng)接口跟底層固件之間實(shí)現(xiàn)通訊。USB接口采用常用的通訊協(xié)議，在此不作詳述。RS485以及RS232接口采用標(biāo)準(zhǔn)的MODBUS RTU通訊協(xié)議。該協(xié)議采用請(qǐng)求和應(yīng)答機(jī)制，并對(duì)數(shù)據(jù)幁進(jìn)行了16位CRC校驗(yàn)，通訊過(guò)程中采用重發(fā)機(jī)制，從而保證了通訊的安全性和準(zhǔn)確性。

　　Modbus 協(xié)議是應(yīng)用于電子控制器上的一種通用語(yǔ)言。通過(guò)此協(xié)議，控制器相互之間和其它設(shè)備之間可以通信。該協(xié)議已經(jīng)成為一通用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，它定義了一個(gè)控制器能認(rèn)識(shí)使用的消息結(jié)構(gòu),而不管它們是經(jīng)過(guò)何種網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信的。它描述了一控制器請(qǐng)求訪問(wèn)其它設(shè)備的過(guò)程，以及怎樣偵測(cè)錯(cuò)誤并記錄。它制定了消息域格局和內(nèi)容的公共格式。

　　當(dāng)在一Modbus網(wǎng)絡(luò)上通信時(shí)，此協(xié)議決定了每個(gè)控制器須要知道它們的設(shè)備地址，識(shí)別按地址發(fā)來(lái)的消息，決定要產(chǎn)生何種行動(dòng)。如果需要回應(yīng)，控制器將生成反饋信息并用Modbus協(xié)議發(fā)出。MODBUS通訊過(guò)程如圖5所示。

　　圖5 MODBUS通訊過(guò)程示意圖

　　6 結(jié)束語(yǔ)

　　本文提供了一種新型的便攜式1553B電纜測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，該方案可以提供1553B電纜網(wǎng)絡(luò)故障檢測(cè)以及定位、電纜網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)試分析以及1553B終端設(shè)備功能和協(xié)議測(cè)試功能，具有高集成、高穩(wěn)定、高可靠以及操作簡(jiǎn)單、通用性強(qiáng)、攜帶方便等特點(diǎn)。目前，該方案已經(jīng)在珠海歐比特公司的OBT1553B-CTS-P型便攜式1553B電纜測(cè)試系統(tǒng)產(chǎn)品中得到實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用，該產(chǎn)品也已經(jīng)在我國(guó)多家裝備研制和維護(hù)檢修單位中得到了實(shí)際的應(yīng)用，用戶反映良好。

　　參考文獻(xiàn)：

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　　[4] 珠海歐比特控制工程股份有限公司. S698-T芯片用戶手冊(cè). 2011.

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