梁瓊崇，丁翔，李升春

（工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東廣州510610）

故障注入試驗(yàn)系統(tǒng)校準(zhǔn)方法探討

梁瓊崇，丁翔，李升春

（工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東廣州510610）

院1553B數(shù)據(jù)總線故障注入試驗(yàn)系統(tǒng)是驗(yàn)證總線設(shè)備的可靠性的重要設(shè)備遙提出一種能對(duì)試驗(yàn)系統(tǒng)的各種類型的故障參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)的校準(zhǔn)方法，闡述了校準(zhǔn)原理堯步驟和框圖，并給出了校準(zhǔn)實(shí)例的數(shù)據(jù)遙此外，還對(duì)作者研制的校準(zhǔn)轉(zhuǎn)換器和總線信號(hào)產(chǎn)生與分析系統(tǒng)作了簡(jiǎn)單的說(shuō)明遙

院數(shù)據(jù)總線曰故障注入試驗(yàn)系統(tǒng)曰校準(zhǔn)曰總線信號(hào)產(chǎn)生與分析系統(tǒng)

0 引言

1553B總線抗干擾能力強(qiáng)堯可靠性高，是飛機(jī)上使用的最重要的總線[1]遙為了考核數(shù)據(jù)總線在惡劣環(huán)境中的工作能力，近年來(lái)相關(guān)研究人員開(kāi)始了對(duì)總線可靠性試驗(yàn)方法的研究，主要有兩個(gè)方向:工作環(huán)境仿真和模擬故障注入測(cè)試[2]遙仿真法效率高，可在前期對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行初步的評(píng)估曰故障注入試驗(yàn)的可信度高，可對(duì)樣機(jī)或產(chǎn)品的可靠性進(jìn)行考核，其可以產(chǎn)生各種總線故障，通過(guò)觀察總線設(shè)備對(duì)所注入故障的反應(yīng)，得到確切堯可靠的總線抗干擾能力的試驗(yàn)結(jié)果遙

本文的目的是研究故障注入系統(tǒng)的校準(zhǔn)方法，嘗試解決量值溯源問(wèn)題遙

11553 B數(shù)據(jù)總線簡(jiǎn)介

1553B總線是美國(guó)軍方專為飛機(jī)上的設(shè)備而制定的一種信息傳輸總線標(biāo)準(zhǔn)，另有多個(gè)國(guó)家及其企業(yè)也規(guī)定了自己的總線標(biāo)準(zhǔn)，我國(guó)的飛機(jī)也使用1553B（GJB 289A）總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，其是航空工業(yè)最重要的總線標(biāo)準(zhǔn)之一[3-5]遙1553B采用時(shí)分協(xié)議，有A堯B兩個(gè)通道遙總線電纜采用帶屏蔽的3軸同軸線，采用差分信號(hào)傳輸，總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示遙

圖1 1553B數(shù)據(jù)總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

2 總線故障注入試驗(yàn)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

1553B總線故障注入試驗(yàn)系統(tǒng)由3個(gè)模塊組成，分別是物理層處理模塊堯電氣層處理模塊和協(xié)議層處理模塊，其原理框圖如圖2所示遙

圖2 1553B總線故障注入試驗(yàn)系統(tǒng)原理框圖

a）物理層處理模塊

模擬總線物理連接的開(kāi)路堯短路故障遙

b）電氣層處理模塊

模擬總線所發(fā)送的信號(hào)波形受干擾引起的波形畸變故障遙這時(shí)總線信號(hào)從輸入端饋入，試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)信號(hào)的波形進(jìn)行故障模擬后，從輸出端的數(shù)據(jù)總線中輸出遙模擬的故障有:串聯(lián)電阻改變堯并聯(lián)電阻改變堯脈沖信號(hào)幅度改變堯占空比改變堯上升/下降沿改變堯毛刺疊加和總線延時(shí)改變等遙

c）協(xié)議層處理模塊

模擬總線所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)在放大堯處理和傳輸中受干擾引起的比特位（同步堯命令或消息）改變故障遙故障類型如表3所示遙

3 校準(zhǔn)方法研究

3.1 并聯(lián)/串聯(lián)電阻設(shè)定值的校準(zhǔn)

具體的操作步驟如下所述遙

a）儀器的連接如圖3-4所示遙數(shù)字多用表通過(guò)1553B總線校準(zhǔn)轉(zhuǎn)換器與被校故障注入系統(tǒng)相連遙按不同的并聯(lián)/串聯(lián)電阻模式，把數(shù)字多用表的表筆H和表筆L接到總線的正堯負(fù)或地線上，如表1-2所示遙

b）在被校故障注入系統(tǒng)上，按需求設(shè)置并聯(lián)/串聯(lián)電阻值，啟動(dòng)電阻測(cè)量功能進(jìn)行測(cè)量遙

表1 并行電阻校準(zhǔn)的數(shù)字多用表接線表

表2 串行電阻校準(zhǔn)的開(kāi)關(guān)位置表

圖3 并聯(lián)電阻設(shè)定值的校準(zhǔn)框圖

圖4 串聯(lián)電阻設(shè)定值的校準(zhǔn)框圖

3.2 脈沖電壓幅度設(shè)定值的校準(zhǔn)

具體的操作步驟如下所述遙

a）儀器的連接方式如圖5所示遙被校故障注入系統(tǒng)輸入端與總線信號(hào)產(chǎn)生與分析系統(tǒng)（發(fā)端）通過(guò)變壓耦合器相連，輸出端通過(guò)總線校準(zhǔn)轉(zhuǎn)換器與示波器相連遙

b）在總線信號(hào)產(chǎn)生與分析系統(tǒng)上建立RT1到RT2的通信，傳輸數(shù)據(jù)為5555H（波形為方波）遙因?yàn)?553B采用曼徹斯特II型雙相電平碼，傳輸數(shù)據(jù)為5555H可得到方波信號(hào)，方便測(cè)量遙

c）在被校故障注入系統(tǒng)上，按需求設(shè)置脈沖幅度值曰在示波器上，激活通道A堯通道B和算法通道M，并且M=A-B，然后測(cè)量此量差分信號(hào)M的值遙

圖5 脈沖電壓幅度/斜率/占空比/毛刺校準(zhǔn)框圖

3.3 占空比設(shè)定值的校準(zhǔn)

具體的操作步驟如下所述遙

a）儀器的連接方式如圖5所示遙

b）按3.2節(jié)操作，獲得M通道波形，用示波器占空比測(cè)量功能測(cè)量總線波形的占空比遙

3.4 上升沿斜率設(shè)定值的校準(zhǔn)

具體的操作步驟如下所述遙

a）儀器的連接方式如圖5所示遙

b）按3.2節(jié)操作，然后分別測(cè)量脈沖電壓幅度和上升時(shí)間，按下式計(jì)算斜率:

式（1）中:SP要要要脈沖信號(hào)斜率，V/滋s曰

Vpp要要要脈沖信號(hào)電壓幅度，V曰

tr要要要脈沖信號(hào)上升時(shí)間，滋s遙

3.5 信號(hào)延時(shí)設(shè)定值的校準(zhǔn)

具體的操作步驟如下所述遙

a）儀器的連接方式如圖6所示遙

b）在總線信號(hào)產(chǎn)生與分析系統(tǒng)上建立RT1到RT2的通信，傳輸數(shù)據(jù)為5555H遙

c）在被校故障注入系統(tǒng)上，按需求設(shè)置總線的延時(shí)值遙

d）在示波器上，激活通道A和通道B，觸發(fā)設(shè)為正常，同步到通道A，然后測(cè)量?jī)赏ǖ赖难訒r(shí)時(shí)間遙

圖6 總線延時(shí)的校準(zhǔn)框圖

3.6 毛刺寬度設(shè)定值的校準(zhǔn)

由于同步信號(hào)對(duì)總線來(lái)說(shuō)非常重要，所以毛刺模擬信號(hào)通常疊加到同步頭的上升沿上，這使得毛刺模擬信號(hào)的校準(zhǔn)測(cè)量變得非常困難遙作者采用求疊加后信號(hào)減去疊加前信號(hào)之差的方法，恢復(fù)毛刺波形，然后測(cè)量其寬度遙

具體的操作步驟如下所述遙

a）儀器的連接方式如圖5所示遙

b）按3.3操作，在被校故障注入系統(tǒng)上，按需求設(shè)置毛刺寬度值遙

c）用示波器分別記錄未加毛刺的波形和加毛刺后的波形，得到2個(gè)波形文件（后綴為.csv）遙

波形文件記錄了所有采樣點(diǎn)的電平值，采樣序號(hào)乘以采樣時(shí)間等于時(shí)間軸的值遙波形文件可以用Excel或Matlab軟件打開(kāi)遙用Excel軟件打開(kāi)后，用加毛刺波形數(shù)據(jù)減去未加毛刺波形數(shù)據(jù)可以得到毛刺信號(hào)曰然后，用折線圖繪制成曲線圖，所得的結(jié)果如圖7-9所示，圖中的橫坐標(biāo)為示波器的采用點(diǎn)序號(hào)遙

示波器顯示一個(gè)完整的信號(hào)周期，包括命令字堯數(shù)據(jù)字和消息字遙為了測(cè)量位于上升沿的毛刺信號(hào)，有必要把上升沿中的部分?jǐn)?shù)據(jù)截取出來(lái)遙截取的原則是應(yīng)包含上升沿前后至少1個(gè)振鈴遙圖中截取的就是這個(gè)部分的數(shù)據(jù)遙

由于例子中的毛刺預(yù)沖較大，振鈴時(shí)間較長(zhǎng)，給確定半幅度點(diǎn)帶來(lái)了困難，為此作者嘗試采用以下兩種方法予以解決:

1）不理會(huì)基線位置，以上峰值的一半作為半幅度點(diǎn)來(lái)確定毛刺的寬度曰

2）截取波形上半部分的數(shù)據(jù)（近似sinX/X），用Matlab軟件進(jìn)行最小二乘法擬合，并計(jì)算其半寬度曰

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，兩者之間的差異在2%以內(nèi)，可以滿足實(shí)用需求遙表3的實(shí)例數(shù)據(jù)為方法2的結(jié)果遙

圖7 未加毛刺的信號(hào)上升沿段波形

圖8 加毛刺后的信號(hào)上升沿段波形

圖9 差信號(hào)（加毛刺-未加毛刺）波形

3.7 協(xié)議層故障模擬功能檢查

協(xié)議層故障模擬是故障注入試驗(yàn)系統(tǒng)重要的功能，它能有效地評(píng)估1553B總線設(shè)備對(duì)故障協(xié)議的響應(yīng)能力，校準(zhǔn)步驟如下所述遙

a）儀器的連接方式如圖10所示遙被校故障注入系統(tǒng)通過(guò)耦合器與總線信號(hào)產(chǎn)生與分析系統(tǒng)的RT1（發(fā)）相連遙

圖10 協(xié)議層故障設(shè)定功能檢查框圖

b）在總線信號(hào)產(chǎn)生與分析系統(tǒng)上建立RT1到RT2的通信，并進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸遙

c）在被校故障注入系統(tǒng)上，設(shè)置協(xié)議層故障遙對(duì)于故障系統(tǒng)的每個(gè)故障功能，總線信號(hào)產(chǎn)生與分析系統(tǒng)總線應(yīng)能檢測(cè)到相應(yīng)的故障，否則判斷被校故障注入系統(tǒng)功能不正常遙

41553 B總線信號(hào)產(chǎn)生與分析系統(tǒng)的研制

在校準(zhǔn)設(shè)備中用到的總線校準(zhǔn)轉(zhuǎn)換器和總線信號(hào)產(chǎn)生與分析系統(tǒng)，都由作者研制遙

在校準(zhǔn)電器層故障時(shí)，需要給被測(cè)故障注入系統(tǒng)加入總線信號(hào)曰在檢查協(xié)議層故障功能時(shí)，不但要饋入總線信號(hào)，還要對(duì)協(xié)議故障進(jìn)行分析遙根據(jù)此需求，作者研制了一套1553B總線信號(hào)產(chǎn)生與分析系統(tǒng)遙

總線信號(hào)產(chǎn)生與分析系統(tǒng)的硬件包括NI公司的1062Q型PCI-e虛擬儀器控制器堯ATI公司的1553B型板卡和個(gè)人計(jì)算機(jī)曰軟件則由作者使用Labview軟件編寫，用于實(shí)現(xiàn)總線信號(hào)產(chǎn)生堯總線信號(hào)分析和故障注入功能遙

51553 B總線信號(hào)產(chǎn)生與分析系統(tǒng)操作界面

總線信號(hào)產(chǎn)生與分析系統(tǒng)分為4個(gè)功能模塊，分別是:消息發(fā)送模塊堯故障注入模塊堯RT接收信息模塊和BM檢測(cè)信息模塊，其操作界面如圖11所示遙

圖11 1553B總線信號(hào)產(chǎn)生與分析系統(tǒng)操作界面

使用時(shí)按以下操作步驟發(fā)送消息并監(jiān)控總線故障:

a）在文件路徑輸入驅(qū)動(dòng)控件中輸入配置好的文件，圖中是野D:1553B Insert Cal冶曰

b）選擇控制通道（BC Channel），圖中選擇通道1作為控制通道曰

c）在發(fā)送數(shù)據(jù)中設(shè)置RT通道和需要發(fā)送的數(shù)據(jù)，圖中選擇了0通道發(fā)送，發(fā)送數(shù)據(jù)為5555H堯FFFFH堯ABCDH堯1234H和A1B2H曰

d）在發(fā)送字長(zhǎng)中設(shè)定要發(fā)送的字?jǐn)?shù)，圖中選擇了3，也就是只發(fā)送5555H堯FFFFH和ABCDH曰

e）點(diǎn)擊野單次發(fā)送冶或野循環(huán)發(fā)送，野單次發(fā)送冶只發(fā)一次即停止，野循環(huán)發(fā)送冶則不停止曰

f）最后，按野開(kāi)始冶，程序即開(kāi)始執(zhí)行，發(fā)送數(shù)據(jù)的同時(shí)，監(jiān)測(cè)總線故障，即時(shí)告警顯示遙

各種模塊的工作界面如圖12-15所示遙

圖12 消息發(fā)送工作界面

圖13 故障注入控制工作界面

圖15BM監(jiān)測(cè)信息顯示工作界面

6 校準(zhǔn)應(yīng)用實(shí)例

表3中的數(shù)據(jù)是用本項(xiàng)目建立的系統(tǒng)對(duì)1553B總線故障注入試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)的數(shù)據(jù)遙

1串行阻抗（指標(biāo):依（5%*設(shè)定值+2贅））

表3 校準(zhǔn)結(jié)果的數(shù)據(jù)淵部分冤

2并行阻抗（指標(biāo):依（5%*設(shè)定值+2贅））

短路模式動(dòng)作設(shè)定值（Z/贅）標(biāo)準(zhǔn)值（Z/贅）誤差（Z/贅）允許誤差（Z/贅）結(jié)論（P/F）U（k=2）（Z/贅）正-地正常/＞10 M贅/＞10 M贅P/執(zhí)行01.54-1.54依2.00P0.011 12.56-1.56依2.05P0.011 17 435 17 42411依874P35正-外負(fù)-地負(fù)-外正-負(fù)17 435 17 435 17 435 17 435 17 423 17 424 17 423 17 423 12 11 12 12依874依874依874依874 PPPP 35 35 35 35

3脈沖電壓幅度（指標(biāo):依（5%*設(shè)定值+0.1））

動(dòng)作標(biāo)稱值（V/V）標(biāo)準(zhǔn)值（V/V）誤差（V/V）允許誤差（V/V）結(jié)論（P/F）U（k=2）（V/V）停止5.0004.4800.520//0.050執(zhí)行1.0001.060-0.060依0.070P0.010 2.0002.018-0.018依0.120P0.020 5.0005.440-0.440依0.270P0.050

4脈沖占空比（指標(biāo):依（10%*設(shè)定值+2%））

動(dòng)作標(biāo)稱值/%標(biāo)準(zhǔn)值/%誤差/%允許誤差/%結(jié)論（P/F）U（k=2）/%停止50.049.220.78//1.00執(zhí)行37.035.161.84依5.70P0.74 73.064.838.17依9.30P1.46

5上升沿斜率（指標(biāo):依（30%*設(shè)定值+0.1））

動(dòng)作標(biāo)稱值標(biāo)準(zhǔn)值誤差允許誤差結(jié)論U（k=2）（V/μs）（V/μs）（V/μs）（V/μs）（P/F）（V/μs）停止17.6017.580.02//0.35 SL033.2033.23-0.03依10.06P0.66 SL414.4014.43-0.03依4.42P0.29

6疊加的毛刺寬度（指標(biāo):依（10%*設(shè)定值+5 ns））

動(dòng)作標(biāo)稱值/ns標(biāo)準(zhǔn)值/ns誤差/ns允許誤差/ns結(jié)論（P/F）U（k=2）/ns停止02.5-2.5依5.0P1.0 BS04037.2-2.8依9.0P1.8 BS1 BS2 60 80 56.4 74.2 -3.6 -5.8依11.0依13.0 PP 2.2 2.6

7總線信號(hào)延遲（指標(biāo):依（1.0滋s））

動(dòng)作標(biāo)稱值/滋s標(biāo)準(zhǔn)值/滋s誤差/滋s允許誤差/滋s結(jié)論（P/F）U（k=2）/滋s停止0.000.001 2 0.001 2依1.000P0.010執(zhí)行0.000.924-0.924依1.000P0.010 1.00 20.00 1.924 20.92 -0.924 -0.920依1.000依1.000 PP 0.011 0.080

8協(xié)議層故障

序號(hào)檢查項(xiàng)目被檢設(shè)備的設(shè)置檢測(cè)響應(yīng)結(jié)論1命令字奇偶校驗(yàn)故障（RT設(shè)備）停止/啟動(dòng)正常/故障符合2數(shù)據(jù)字奇偶校驗(yàn)故障（RT設(shè)備）停止/啟動(dòng)正常/故障符合3命令字同步頭反響（RT設(shè)備）停止/啟動(dòng)正常/故障符合4數(shù)據(jù)字同步頭反響（RT設(shè)備）停止/啟動(dòng)正常/故障符合5發(fā)送數(shù)據(jù)字計(jì)數(shù)故障停止/啟動(dòng)正常/故障符合6地址子地址消息替換（RT設(shè)備）停止/啟動(dòng)正常/故障符合7數(shù)據(jù)消息流替換（RT設(shè)備）停止/啟動(dòng)正常/故障符合8相應(yīng)錯(cuò)誤RT地址（BC設(shè)備）停止/啟動(dòng)正常/故障符合9狀態(tài)字奇偶校驗(yàn)（BC設(shè)備）停止/啟動(dòng)正常/故障符合10數(shù)據(jù)字奇偶校驗(yàn)（BC設(shè)備）停止/啟動(dòng)正常/故障符合11狀態(tài)字同步頭反向（BC設(shè)備）停止/啟動(dòng)正常/故障符合12數(shù)據(jù)字同步頭反向（BC設(shè)備）停止/啟動(dòng)正常/故障符合13特定數(shù)據(jù)流替換（BC設(shè)備）停止/啟動(dòng)正常/故障符合

7 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，本文提出的1553B總線故障注入試驗(yàn)系統(tǒng)校準(zhǔn)方法可行，測(cè)量不確定度可以滿足要求，有效地解決了故障注入試驗(yàn)系統(tǒng)的量值溯源問(wèn)題遙對(duì)其他總線故障注入系統(tǒng)，如ARINC429堯RS-232/422/ 485等總線故障注入系統(tǒng)的校準(zhǔn)有啟示作用遙

院

[1]陳偉，蔣范明.基于1553B總線接口的星載機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)[J].電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗(yàn)，2016，34（5）:34-41.

[2]王青麾，王魁.基于Pspice的電路故障注入仿真分析方法研究[J].電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗(yàn)，2011，29（2）:57-59.

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[5]張世兵，苗克堅(jiān).基于1553B總線的BU-61580芯片測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2013，21（3）:85-89.

Discussion on the Calibration Method of Fault Injection Test System

LIANG Qiongchong，DING Xiang，LI Shengchun
（CEPREI，Guangzhou 510610，China）

1553B data bus fault injection test system is an important device to verify the reliability of the bus equipment.A calibration method which can calibrate the various types of fault parameters of the test system is put forward.And the calibration principles，steps and block diagrams are described，and the data for the calibration examples are given.Besides，the calibration converter and bus signal generation and analysis system developed by the author are introduced briefly.

data bus曰fault injection test system曰calibration曰bus signal generation and analysis system

院TP 336

院A

院1672-5468（2017）03-0017-07

10.3969/j.issn.1672-5468.2017.03.004

院2016-10-09

院梁瓊崇（1949-），男，海南海口人，工業(yè)和信息化部電子第五研究所計(jì)量檢測(cè)中心高級(jí)工程師，主要從事高頻阻抗、天線與場(chǎng)強(qiáng)、數(shù)字通訊、微波阻抗、微波功率和視頻參數(shù)等計(jì)測(cè)技術(shù)的研究工作。