MIL-STD-1553A/B数据总线自动测试仪的设计

前言

        MIL-STD-1553作为一个军用串行总线标准于1973年由美国国防部发布，此标准定义了总线的机械特性、电气特性和功能特性。1553总线首先被应用在航空设备中，后来也被广泛应用在航天的数据管理系统中。它作为命令/应答方式的半双工串行总线，采用双冗余平衡传输线（屏蔽双绞线），通过时分复用的方式，最多可以连接31个终端(RT)设备。由于采用了曼彻斯特编码，MIL-STD-1553总线数据可以在采用变压器隔离的传输线路中传输，从而可以将设备节点从总线系统中隔离出来，进而提高了总线系统的可靠性。

        鉴于特殊的总线结构和苛刻的应用环境，完善的总线测试手段无疑是保障MIL-STD-1553总线系统可靠性的关键。目前1553总线的测试大都是以MIL-HDBK-1553为参考，该测试标准的覆盖面比较广，涵盖了电气性能测试和协议测试，如果总线设备能通过标准所规定的所有必要项目的测试，这个终端设备的可靠性便得到了根本的保障。但是MIL-HDBK-1553对测试设备的要求较高，一个综合的MIL-STD-1553总线测试设备需要同时具有示波器功能、信号发生器功能和阻抗测量的功能，最关键的是要具有故障注入功能的1553总线仿真终端的功能。目前市面上能够找到的大都是单功能的测试设备/仪器，如独立的示波器、独立的信号发生器和单独的1553总线仿真卡等。如果采用这些独立的设备来搭建总线测试系统的话，所组成的测试系统使用起来会很不方便，不仅造成测试效率不高，也同时也会因为人工介入太多，导致测试结果不准确。另外，目前市面上的总线仿真卡只能注入MIL-HDBK-1553所规定的部分故障，不能实现标准规定的所有故障注入功能，这样就会将测试覆盖率大大折扣，往往会在总线设备中埋下隐患。

        AT15000是珠海矽微电子科技有限公司研发的多功能总线分析仪，集成了示波器、信号发生器、阻抗测试仪、时域反射计和1553总线仿真卡的功能，这些设备功能在AT15000中有机结合，协同工作，可以实现MIL-HDBK-1553规定的全部协议测试和电气性能测试，具有很高的测试覆盖率，大大降低了1553总线测试设备的难度。作为ATE，AT15000的大部分测试均可自动进行，用户只需要进行很少几次人工干预，就可完成一个非常完整的测试流程，同时AT15000还能自动生成文本格式的测试报告，以便产品备案和测试跟踪，大大提高了测试效率和测试质量。

        AT15000根据终端类型的不同，将测试分为三个部分：BC测试、BM测试和RT测试，又根据测试标准将电气性能测试和协议测试分成了很多个测试子项目，用户可以通过测试脚本来选择测试子项目和定义测试顺序，使得测试工作变得非常灵活，易于控制。

1. 终端电气性能测试

        终端的电气性能测试包括输入电气性能测试和输出电气性能测试，一个可靠的终端设备要具有良好的输入信号容忍度和完整的信号输出特性。

        输出特性包括输出信号的幅值、过零稳定度、过冲、振铃、上升/下降时间、输出对称性、输出噪声、两个通道的输出隔离度和电源的开关噪声。这几种性能测试中，除了过零稳定度的测试外，其他几种测试都需要示波器模块的配合。AT15000采用硬件逻辑来实时测量总线上信号的过零稳定度，并报告出每一个总线字的最大过零点偏差。

        在编码器编码正常的情况下，输出的过零稳定度和系统的时钟稳定度有关，如果系统时钟的漂移较大的话，也会造成过零偏差较大，从而造成接收端的数据接收不正常。

        在总线阻抗正确匹配的情况下，过冲和振铃主要是因为受测设备中的总线发送器引起的。如果受测设备的电源供电设计不合理，给发送器供电不足的话，往往会在总线上产生过冲和振铃。

        输出对称性是用来考察发送器和隔离变压器的输出是否对称，在理想状态下，当发送器不发送信号时，总线上的差分电平应该为0伏，但是当受测设备的输出不对称时，在信号发送完毕的瞬间，总线上会有残留电平。标准规定，这个残留电平需要维持在一个数值以内，否则总线设备的输出对称性就不合格。

        一个理想的1553总线设备要具有较小的电源开关噪声和输出噪声，这样才不会影响总线上其它设备的正常工作。

        标准规定，1553总线设备需要具有隔离良好的互为备份的两个通道，如果这两个通道的隔离度不够的，其中一个通道就会干扰另一个通道上的信号，从而降低总线的可靠性。

        输入特性包括过零点稳定度、可接受的信号幅值、输入阻抗、共模抑制能力以及上升/下降时间。这几种输入特性中，过零点稳定度的测试需要1553总线控制器故障注入逻辑的配合，用以在发送的总线字中，根据测试的需要注入响应的过零点偏差。输入阻抗的测试需要信号发生器注入激励正弦波，并通过示波器模块来采样响应信号，并根据激励信号和响应信号的真有效值来计算受测设备的输入阻抗。

        过零点稳定度用来测试曼彻斯特解码器的解码能力和终端设备时钟的稳定度的。如果设备的时钟不稳定，即使解码器的解码能力非常好，也会造成接收误码。

        标准规定的接收信号幅值为0.28~27V之间。当总线信号的幅值在此范围之内时，设备的解码器须对总线数据正确解码。

        如果总线设备的输入阻抗过低，往往会加大总线的负荷，从而降低总线信号的幅值，缩短其它总线设备的寿命。

        共模抑制能力是用来考察总线终端设备隔离变压器的隔离度的。在正常情况下，变压器次级线圈上的共模噪声是不会影响初级线圈上的差分信号，否则共模噪声将会在初级线圈接收的差分信号上叠加一个干扰，从而影响终端设备的信号接收。

        AT15000对电气特性的测量采用全自动方式，其内置的示波器模块会自动捕获需要测量的总线信号，并计算出相应的特性参数。在测试过程中无需人工干预，用户只需在其测试脚本中加入需要测试的项目即可。针对BC和RT的测试，在每个测试项目完成后，AT15000会自动将测试结果写到测试报告中，为测试提供了极大方便。

2. 协议测试

        标准规定的协议测试分为常规测试和故障注入两个部分，常规测试要求BC/RT能接收/发送MIL-STD-1553B总线规定的命令，要求BM能够正确解析总线协议，故障注入要求测试仪能够在总线上注入标准规定的各种故障。在进行协议测试的时候，首先要完成常规的协议测试，否则故障注入测试无法完成。

        为了满足测试标准的要求，一个总线测试ATE除了要具备仿真器、信号发生器、总线仿真终端的功能外，还需要具备MIL-HDBK-1553规定的以下功能：

能够注入最大不小于250ns的过零点偏差；

能够在任意总线字上注入奇偶校验错误；

能够在不同的消息上注入任意消息长度错误；

能够在任意总线字上注入任意长度的字长错误；

能够在总线字的任意位上注入相位编码错误，并且可以在错误位上输出高电平或者低电平；

能够在总线上注入数据连续错误；

能够在总线上注入替换命令；

RT的应答时间在0微秒到14微秒之间可调；

RT可以采用任意地址来应答总线命令；

可以通过软件关掉RT的应答（数据要能正常接收）；

可以在任意总线字上注入标准规定的5种同步头错误；

能够产生总线切换命令；

能够正确识别协议规定的所有模式命令；

能够在总线上注入均方根为140mv（直接耦合方式200mv），频率范围为1K~4Mhz之间的高斯白噪声。

        如果采用市面上通用的MIL-STD-1553总线控制芯片，无法实现上述的总线故障注入功能，同时也没有商用的带有故障注入功能的总线控制芯片出售。所以为了能够实现上述功能，测试设备开发商需自行开发带有故障注入功能的1553总线控制芯片。

        基于上述考虑，矽微公司自行开发了总线测试设备专用的1553总线控制IP核，可以在ACTEL和ALTERA的多个系列的FPGA实现。用于采用硬逻辑的方式来注入故障，所以改IP核能够实现标准所规定的全部故障注入功能。此IP核的功能框图如表一：

                          
        如表一所示，控制器IP核中实现了一个BC、一个BM和两个多功能RT，这些功能可以同时工作，并且可以同时仿真32个RT。IP核采用64M时钟，可以以15.6ns的分辨率在总线上注入过零点偏差，大大提高了总线测试的精度。经过矽微公司数个型号的总线测试设备的验证，证明这个IP核的设计是合理的，工作状态是稳定可靠的。

        如果只实现1553控制器的IP核，还是无法实现总线的自动测试的。除总线控制器外，还需实现示波器的采样逻辑，信号发生器的逻辑以及时域反射计的逻辑。同时还要根据总线测试标准的要求，将这些逻辑组合起来，以方便总线电气性能的测试。AT15000采用ALTERA公司的CYCLONEIII FPGA芯片，在FPGA中实现了上述几种逻辑。其中的示波器逻辑可以由1553控制器的逻辑来触发，使得总线电气特性的测试变得非常简单。

        作为ATE，总线测试设备需要具备较高的自动化程度，尽量减少人工干预。所以在设计测试仪软件的时候，需要仔细分析测试标准，将测试项目分类并细化成若干个子测试项目，让用户可以自由选择测试项目并定义测试顺序，以使测试更加灵活，进而满足不同测试场合的需要。AT15000根据总线终端设备类型将测试分为RT测试、BM测试和BC测试三种，同时将每种测试分为很多个子测试项目，用户可以通过脚本的形式来自由选择测试项目和定义测试顺序。在三种类型的测试中，除了RT的测试之外，BM和BC的测试需要受测设备的软件配合，所以在测试BM和BC的时候，用户需要编写受测设备的软件，用以配合测试仪的测试。

        由于BM只具备总线监听的功能，所以测试仪无从知道BM当前的协议接收状态。AT15000根据用户的脚本配置，依照测试标准，将响应的总线消息依次发送到总线上，并在消息发送完毕后，将所发送的总线消息写到测试报告中。测试完毕后，用户需要将受测设备接收到的消息导出至PC机上。AT15000的上位机软件“TESTMASTER”会根据两份测试报告来分析BM的测试结果是否正确。

        在测试BC之前，用户需要根据AT15000的BC测试手册编写BC测试程序，用以配合AT15000的测试。另外AT15000也不对测试结果作出判断，受测设备需自行判断测试结果，并通过总线将测试结果发送给AT15000。

        针对RT的测试，AT15000采用全自动方式，在发送相应的测试数据的同时，还会对测试结果作出正确与否的判断。用户只需在测试脚本中选择所需要的测试项目，并定义好测试顺序，同时给出AT15000要求的受测RT的参数（如RT地址、RT的合法接收命令、合法的发送命令等等）即可。

结论

        鉴于MIL-STD-1553总线苛刻的应用场合，所以1553总线设备的测试也得务求详尽，这样才能保证总线系统的可靠运行，在测试中任何的疏忽和马虎都会导致严重的后果。

        经过先行者不断地总结和归纳，1553总线的测试标准也日益严密，同时也给测试设备的研制带来挑战。研制出符合测试标准的测试设备是1553总线测试的前提，良好的测试设备不仅可以提高总线的测试效率，还能为总线设备的可靠性提供强有力的保障。