王曉飛，閆淑群，羅宇輝，母勇民，高 敏，王 瑞

(中國兵器工業(yè)第203研究所，西安 710065)

0 引言

總線監(jiān)測系統(tǒng)是一種能夠?qū)崟r監(jiān)控多種總線通信信息，并且能夠顯示、存儲、回放和解析總線信息的系統(tǒng)，常用的有串口RS422、1553B等總線檢測系統(tǒng)[1-3]。電氣信號質(zhì)量對于總線或信號通信的穩(wěn)定性和健壯性有著最直接的影響。特別是當前武器系統(tǒng)中電子系統(tǒng)的綜合化、交聯(lián)關系日益復雜，對于系統(tǒng)的穩(wěn)定性和健壯性提到了前所未有的高度，構(gòu)建一種有效的總線或信號診斷分析方法就顯得尤為必要。對于彈上總線信號，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集方式只能分析協(xié)議層的通信數(shù)據(jù)，而無法對總線的電氣特性進行量化分析，更無法同時分析總線數(shù)據(jù)的電氣層和協(xié)議層通信質(zhì)量。示波器可以對總線數(shù)據(jù)的電氣特性進行量化分析，但是不夠智能化，而且只能短時間內(nèi)“人在環(huán)”的分析總線的電氣特性，對于數(shù)據(jù)協(xié)議層的通信過程更是無能為力，但是在通信的過程中，往往需要探測總線或信號的電氣質(zhì)量。本文從實現(xiàn)原理和技術(shù)特點出發(fā)，提出了一種彈上總線診斷分析的設計和實現(xiàn)方法。

1 彈箭總線診斷分析系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和測試原理

彈箭總線診斷系統(tǒng)由總線診斷設備、信號適配箱、電源時序器、數(shù)據(jù)服務器和軟件等組成，通過PCIe和以太網(wǎng)進行相關設備的配置與管理。低速總線分析系統(tǒng)相關設備均采用19英寸上架設備，統(tǒng)一部署在24 U機柜中。低速總線分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具體部署情況如下：數(shù)據(jù)服務器、BNC面板、信號適配箱，電纜穿引板、電纜穿引板、壁掛式顯示器鼠標鍵盤支臂、以太網(wǎng)交換機、盲板、電源時序器。

總線診斷分析系統(tǒng)的測試原理如下，總線診斷板塊硬件為PCIe接口高速AD采集板卡?？偩€診斷板卡提供外部信號接入接口，通過該接口實現(xiàn)信號的采集功能。ADC功能模塊實時采集總線信號波形，采用FPGA對電氣特性和協(xié)議層解析，并將解析的結(jié)果和采集的原始數(shù)據(jù)通過PCIe接口上傳到數(shù)據(jù)服務器，并由總線診斷系統(tǒng)管理軟件完成后續(xù)的解析顯示和數(shù)據(jù)存儲功能，系統(tǒng)工作原理如圖1所示。

圖1 診斷分析系統(tǒng)工作原理圖

2 系統(tǒng)方案

彈上總線診斷分析系統(tǒng)由總線診斷分析板卡和RAID卡、磁盤陣列以及總線診斷分析軟件組成，其中總線診斷分析軟件包括電氣層診斷分析模塊、協(xié)議層診斷分析模塊和存儲回放模塊。

2.1 硬件總體設計

總線診斷分析系統(tǒng)由總線診斷分析板卡和RAID卡、磁盤陣列組成。核心器件是總線診斷板卡，采用HRP1620采集板卡，板卡包括FPGAXC7V485T、ADC、電源電路、DDR3、FLASH、晶振、傳感器、信號調(diào)理電路、電源電路、SMA。PCIe接口高速四通道AD板卡實現(xiàn)CAN、1553B、RS422的四通道AD采集、電氣特性計算、協(xié)議解析?？偩€診斷板卡硬件如圖2所示。

圖2 總線診斷板卡硬件框圖

總線診斷系統(tǒng)采用通用化、模塊化和綜合化設計思想，基于分布式、開放式的體系架構(gòu)進行設計，通過專用的總線診斷分析板卡實現(xiàn)，其系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。

圖3 總線自動診斷系統(tǒng)架構(gòu)圖

總線診斷分析板卡采用PCIe架構(gòu)，內(nèi)含若干高速的ADC進行總線數(shù)據(jù)采集，ADC功能模塊選用高速ADC，采樣率選用至少一百倍于總線的波特率，高速ADC實時采集總線信號，在采集之前需要一些輔助電路進行信號調(diào)理，將總線信號調(diào)理至ADC芯片的采集電壓范圍內(nèi)，便于將總線信號量化采集和后續(xù)的分析。調(diào)理電路和ADC芯片的器件選型保證系統(tǒng)模擬帶寬不小于50 MHz(-31 dB)；采樣失真度帶寬范圍內(nèi)不超過5%；電壓采樣精度帶寬范圍內(nèi)誤差不超過50 mV，以保證信號的采集精度和準確性。

板卡有一個PCIe×8接口，采用FPGA的PCIE IP實現(xiàn)，該IP通過8對Serdes實現(xiàn)了高速的PCIe數(shù)據(jù)傳輸。FPGA實現(xiàn)ADC采集控制邏輯，控制AD芯片進行采樣和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，并接收采集數(shù)據(jù)，進行電氣特性分析和協(xié)議解析。采集數(shù)據(jù)通過DDR3控制器IP核對DDR3進行寫入操作，實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的緩存；緩存數(shù)據(jù)在PCIe IP核的控制下將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絉AID卡并存儲到計算機的固態(tài)硬盤中，故障注入和診斷單元管理軟件再完成數(shù)據(jù)處理。同時板卡還包括一組DDR板載內(nèi)存，用于將采集數(shù)據(jù)進行緩存，并最終通過PCIe總線上傳至主機內(nèi)存，由總線診斷分析軟件完成解析和顯示處理。

物理層診斷板卡采用3 U的PCI接口，由專用的物理層診斷板卡(線纜測試板卡)實現(xiàn)。

2.1.1 1553B總線模塊硬件設計

1553B線纜為雙絞屏蔽線，包括正信號線、負信號線和屏蔽線。線纜檢測原理是將線纜的電阻轉(zhuǎn)變成電壓，判斷檢測的電壓大小從而計算出線纜電阻的大小。根據(jù)測量的線纜阻值，判斷線纜的短路和開路狀況。

物理層診斷板卡的線纜測試模塊實現(xiàn)線纜檢測、正線、負線、屏蔽線的連續(xù)性檢測，可實現(xiàn)以下線纜檢測項：線芯的短路檢測、線芯的開路檢測、線芯與屏蔽線短路檢測、線芯反向檢測、屏蔽網(wǎng)絡連續(xù)性檢測、線路連續(xù)性檢測。

1553B線纜檢測連接如圖4所示，通過板載繼電器開關實現(xiàn)電纜兩端測試線路的選擇，S1，S2可從正信號線、負信號線、屏蔽線中任意選擇一路作為測試輸入。通過切換S1，S2開關，可以實現(xiàn)正信號線、負信號線、屏蔽線或它們之間的短路、開路檢測。

圖4 1553B線纜測試原理圖

考慮到線纜電阻非常小，在mΩ級別，線纜檢測模塊電阻的測量采用四線制測電阻原理。四線制電阻測量方法可以消除導線電阻的影響。

2.1.2 RS422總線模塊硬件設計

RS422通訊物理線路采用雙絞線，包括TX+信號線、TX-信號線、RX+信號線、RX-信號線。線纜檢測原理是將線纜的電阻轉(zhuǎn)變成電壓，判斷檢測的電壓大小從而計算出線纜電阻的大小。根據(jù)測量的線纜阻值，判斷線纜的短路和開路狀況。

物理層診斷板卡的線纜測試模塊實現(xiàn)線纜檢測，可實現(xiàn)以下線纜檢測項：接收端輸入阻抗測試、正線對地線短路檢測、負線對地線短路檢測、正、負線間短路檢測。

接收端電阻測試原理如圖5所示。

圖5 RS422接收端電阻檢測原理圖

RS422線纜檢測連接如圖6所示，通過板載繼電器開關實現(xiàn)電纜兩端測試線路的選擇，S1，S2可從RX+、RX-、TX+、TX-信號線中任意選擇一路作為測試輸入。線纜檢測原理是將RS422線纜的電阻轉(zhuǎn)變成電壓，判斷檢測的電壓大小從而計算出線纜電阻的大小。根據(jù)測量的線纜阻值，判斷線纜的短路和開路狀況。

圖6 RS422線纜測試原理圖

2.1.3 CAN總線模塊診斷硬件設計

CAN通訊物理線路采用雙絞屏蔽線，包括CAN_H信號線、CAN_L信號線和屏蔽線。線纜檢測原理是將線纜的電阻轉(zhuǎn)變成電壓，判斷檢測的電壓大小從而計算出線纜電阻的大小。根據(jù)測量的線纜阻值，判斷線纜的短路和開路狀況。

物理層診斷板卡的線纜測試模塊可實現(xiàn)以下線纜檢測項：終端阻抗檢測、CAN_H對屏蔽線短路檢測、CAN_L對屏蔽線短路檢測、CAN_H對內(nèi)部電阻檢測、CAN_L對內(nèi)部電阻檢測、信號線斷路檢測。

CAN線纜檢測連接如圖7所示，通過板載繼電器開關實現(xiàn)電纜兩端測試線路的選擇，S1，S2可從CAN_H信號線、CAN_L信號線、屏蔽線中任意選擇一路作為測試輸入。通過切換S1，S2開關，可以實現(xiàn)CAN_H信號線、CAN_L信號線、屏蔽線或它們之間的短路、開路檢測。

圖7 CAN總線線纜測試原理圖

對電阻檢測時，采用恒流源輸出電流，測試電壓得方式檢查CAN_H、CAN_L對地電阻的值，如圖8所示。當要測試CAN_H對地電阻時，將開關S1接到CAN_H上，測量CAN_H線對地電阻值；當要測試CAN_L對地電阻時，將開關S1接到CAN_L上，測量CAN_L線對地電阻值；當要進行終端電阻阻抗檢測時，需要將S1連接到CAN_H上，S2連接到CAN_L上，通過檢查CAN_H、CAN_L之間的電壓測量電阻值。

圖8 CAN總線電阻測試原理圖

2.2 軟件總體設計

總線診斷分析軟件主要實現(xiàn)總線數(shù)據(jù)的采集顯示、分析結(jié)果的解析顯示、存儲回放等功能。總線診斷分析軟件包括電氣層診斷分析模塊、協(xié)議層診斷分析模塊和存儲回放模塊。

電氣層診斷分析模塊對電氣層診斷分析的結(jié)果進行解析顯示，包括總線診斷分析板卡解析的各項總線電氣層特性：總線幅值、上升時間、下降時間等。電氣層診斷分析模塊實時顯示總線診斷分析板卡采集量化的總線數(shù)據(jù)，描繪總線波形，用軟件卡尺測量總線的各個電氣特性。并且軟件能夠配置標準的總線電氣層參數(shù)，將總線診斷分析板卡解析的電氣層參數(shù)和其進行對比，對總線的電氣層特性進行全方位的評價。協(xié)議層診斷分析模塊對協(xié)議層診斷分析的結(jié)果進行解析顯示，能夠?qū)f(xié)議層通信的過程進行監(jiān)控和解析顯示，軟件流程如圖9所示。

圖9 軟件流程圖

2.2.1 1553B總線的電氣層與協(xié)議層診斷

1553B通信系統(tǒng)通常由總線控制器(BC)、遠程終端(RT)和總線監(jiān)視器(BM)3種終端通過總線介質(zhì)互聯(lián)而成。BC用來組織總線上信息的傳輸，任何時刻總線上只能有一個BC，總線上所有的數(shù)據(jù)傳輸。都是由BC發(fā)起的，BM不響應BC的任何命令，用于接收、記錄總線上傳輸?shù)男畔⒁员愫罄m(xù)數(shù)據(jù)分析；RT是不作為BC和BM的所用終端。監(jiān)控1553B總線信息，需要利用具有BM功能的終端接入1553B總線網(wǎng)絡[4-9]。

檢測時，總線診斷板卡作為BM通過耦合器的形式與總線相連，實現(xiàn)總線信號的旁路采集功能，除了完成電氣層診斷測試以外，還能夠?qū)⒏咚貯D采集的信號通過PCIe接口傳到服務器，并將1553B波形進行顯示。

1553B總線的電氣層特性設計參數(shù)包括如下：

1)輸出電壓VPP1：總線的輸出電壓VPP1，以V為單位；

2)輸出電壓VPP2：總線的輸出電壓VPP2，以V為單位；

3)過零穩(wěn)定性|TZCP|max：總線的正過零穩(wěn)定性，以ns為單位；

4)過零穩(wěn)定性|TZCN|max：總線的負過零穩(wěn)定性，以ns為單位；

5)上升時間Tr：總線的波形上升沿時間，以ns為單位；

6)下降時間Tf：總線的波形下降沿時間，以ns為單位；

7)輸出波形畸變max：總線的輸出波形畸變過沖與擾動，以mV為單位；

8)輸出對稱性max：總線的輸出對稱性最大值，以mV為單位；

9)輸出隔離度max：總線的輸出隔離度；

10)上下電噪聲max：總線的上下電噪聲，以mV為單位；

11)總線波特率：總線的波特率，以%為單位；

12)終端響應時間：RT的響應時間，以μs為單位。

電氣層軟件分析實現(xiàn)方法如下：1)總線診斷板卡通過PCIe接口接收軟件配置的電氣層系統(tǒng)診斷測試項、總線類型、耦合方式、PAC標準等配置信息；2)總線信號經(jīng)過總線診斷板卡信號調(diào)理電路后，輸入到ADC電路。FPGA接收采集控制命令，控制ADC進行信號采集；3)總線診斷板卡的FPGA對ADC輸出的數(shù)字信號進行電氣特性分析和計算，通過分析信號幅度與時間的關系，計算出信號幅值、畸變電壓、余度總線電壓、噪聲、上升/下降時間、殘余電壓、過零時間、信號頻率、響應時間電氣特性參數(shù)；4)FPGA依據(jù)配置的PAC標準，判斷電氣特性是否滿足PAC標準；5)計算的電氣特性參數(shù)和判定信息通過PCIe接口傳給數(shù)據(jù)服務器，由軟件進行電氣特性參數(shù)顯示，并對不符合判定標準的信號給出錯誤報警信息?？偩€診斷板卡通過高速ADC模塊，旁路采集總線信號，進行協(xié)議解析，并依據(jù)GJB289A標準，判斷信號是否符合協(xié)議要求。當不符合協(xié)議規(guī)定時給出協(xié)議層錯誤報警信息。系統(tǒng)診斷軟件模塊控制測試執(zhí)行并顯示測試結(jié)果，實現(xiàn)1553B總線協(xié)議層的診斷功能[10-15]。協(xié)議層系統(tǒng)診斷如圖5所示。

圖10 1553B總線協(xié)議層系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

協(xié)議層軟件實現(xiàn)過程如下：1)總線診斷板卡通過PCIe接口接收軟件配置的協(xié)議層系統(tǒng)診斷測試項、總線類型等配置信息，選擇配置為1553B總線；2)總線信號經(jīng)過信號調(diào)理電路后，輸入到ADC電路。FPGA接收采集控制命令，控制ADC進行信號采集；3)總線診斷板卡的FPGA對ADC輸出的數(shù)字信號按位進行量化，記錄二進制數(shù)和字間間隔；4)總線負載統(tǒng)計，按照單位時間內(nèi)總線上的bit數(shù)進行統(tǒng)計，并通過上位機能夠進行顯示；5)總線誤碼率統(tǒng)計支持如下兩種統(tǒng)計方式：按照單位時間內(nèi)總線上錯誤字(包括曼徹斯特編碼錯誤和奇偶校驗錯誤)為單位進行統(tǒng)計，如果有錯誤則認為當前字是錯誤的，跟單位時間內(nèi)接收的總線上的總的字數(shù)進行對比得出誤碼率。通過軟件配置一條待接收的1553B消息，通過對比從總線上接收的消息和配置的待接收的消息，判斷出接收到的錯誤的bit數(shù)，從而得出總線的誤碼率；6)FPGA對二進制數(shù)進行解析，判斷同步頭、雙向編碼、字長、奇校驗是否滿足有效字要求，實現(xiàn)字的有效性監(jiān)控。FPGA對字進行解析，解析出同步頭、奇校驗、字長、地址字段、方式字段、狀態(tài)位、數(shù)據(jù)信息、消息長度等信息；對字組合和字間隔進行分析，監(jiān)控指令字與狀態(tài)字的地址一致性、消息格式和消息的連續(xù)性、實際消息長度與指令字中數(shù)據(jù)字計數(shù)字段的一致性、狀態(tài)位，實現(xiàn)消息監(jiān)控，判斷消息是否為有效合法消息；7)測試結(jié)果通過PCIe接口傳給服務器，由軟件進行顯示。當字或消息不符合協(xié)議規(guī)定時給出協(xié)議層錯誤報警信息[16-18]。

通過總線診斷板卡實現(xiàn)1553B電氣層的故障診斷分析功能，電壓幅度檢測；信號上升、下降時間檢測；過零穩(wěn)定性檢測；輸出波形畸變過沖與擾動檢測；輸出對稱性檢測；輸出隔離度檢測；上下電噪聲檢測；信號波特率檢測；終端響應時間檢測；1553B總線波形監(jiān)控顯示[19-21]。

2.2.2 CAN電氣層與協(xié)議層診斷分析

電氣層檢測與診斷分析通過總線診斷板卡可以實現(xiàn)CAN電氣層的故障診斷分析功能，主要實現(xiàn)功能點如下所示：顯性電壓檢測、隱性電壓檢測、信號上升沿、下降沿時間檢測、對CAN總線共模電壓檢測、對CAN_H、CAN_L幅值檢測、傳輸速率檢測。

電氣層系統(tǒng)診斷時，總線診斷板卡對總線信號進行旁路采集，不必響應總線信號。CAN總線的電氣層電氣層特性參數(shù)包括如下：電氣層診斷包括：顯型電壓、隱性電壓、信號上升沿時間、下降沿時間、CAN總線共模電壓、CAN_H幅值、CAN_L幅值以及傳輸速率檢測。

總線診斷板卡通過旁路采集的方式進行采集，實現(xiàn)總線信號的旁路采集功能，除了完成電氣層診斷測試以外，還能夠?qū)⒏咚貯D采集的信號通過PCIE接口傳到服務器，并將CAN總線波形特性顯示。

協(xié)議層檢測與診斷通過總線診斷板卡高速ADC模塊，旁路采集CAN總線信號，進行協(xié)議解析，并依據(jù)CAN協(xié)議標準，判斷信號是否符合協(xié)議要求。當不符合協(xié)議規(guī)定時給出協(xié)議層錯誤報警信息。系統(tǒng)診斷軟件模塊控制測試執(zhí)行并顯示測試結(jié)果，實現(xiàn)CAN總線協(xié)議層的診斷功能。協(xié)議層系統(tǒng)診斷如圖11所示。

圖11 CAN總線協(xié)議層系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

CAN協(xié)議層系統(tǒng)診斷主要實現(xiàn)如下功能：對CAN總線報文進行二進制顯示、總線誤碼率統(tǒng)計、總線負載率統(tǒng)計。實現(xiàn)過程如下：1)測試項配置，總線診斷板卡通過PCIe接口接收軟件配置的協(xié)議層系統(tǒng)診斷測試項、總線類型等配置信息，選擇配置為CAN總線，配置總線的波特率等相關通信參數(shù)；2)總線信號采集，總線信號經(jīng)過信號調(diào)理電路后，輸入到ADC電路。FPGA接收采集控制命令，控制ADC進行信號采集；3)采集波形量化，總線診斷板卡的FPGA對ADC輸出的數(shù)字信號按位進行量化，記錄二進制數(shù)，并上傳至上位機進行二進制顯示；4)總線負載統(tǒng)計，總線負載統(tǒng)計，按照單位時間內(nèi)總線上的bit數(shù)進行統(tǒng)計，并通過上位機能夠進行顯示；5)總線誤碼統(tǒng)計，總線誤碼率統(tǒng)計支持如下兩種統(tǒng)計方式。一是按照單位時間內(nèi)總線上錯誤幀(包括幀長度錯誤和CRC校驗錯誤)為單位進行統(tǒng)計，如果有錯誤則認為當前幀是錯誤的，跟單位時間內(nèi)接收的總線上的總的幀數(shù)進行對比得出誤碼率。二是可以通過軟件配置一條待接收的CAN幀，通過對比從總線上接收的幀和配置的待接收的幀，判斷出接收到的錯誤的bit數(shù)，從而得出總線的誤碼率；6)協(xié)議解析及PAC判斷：FPGA對二進制數(shù)進行解析，判斷依據(jù)幀ID、填充位、DLC、數(shù)據(jù)、CRC、ACK等是否滿足要求，實現(xiàn)CAN數(shù)據(jù)幀的有效性監(jiān)控。FPGA對數(shù)據(jù)幀進行解析，監(jiān)控判斷消息是否為有效合法消息；7)測試結(jié)果上傳，測試結(jié)果通過PCIe接口傳給服務器，由軟件進行顯示。當CAN報文不符合協(xié)議規(guī)定時給出協(xié)議層錯誤報警信息。

2.2.3 RS422總線的電氣層與協(xié)議層診斷

通過總線診斷板卡可以實現(xiàn)RS422電氣層的故障診斷分析功能：共模幅值檢測、差模幅值檢測、波特率檢測?？偩€診斷板卡以旁路采集的方式進行采集，實現(xiàn)總線信號的旁路采集功能，除了完成電氣層診斷測試以外，還能夠?qū)⒏咚貯D采集的信號通過PCIe接口傳到上位機，并將RS422總線波形特性顯示。1)共模幅值檢測，通過AD采集到的正負信號線上的電壓，求得共模電壓，范圍要在-7～+7 V之間，以此為依據(jù)或者上位機設置的共模電壓參數(shù)為依據(jù)進行共模電壓檢測；2)差模幅值檢測，通過AD采集到的正負信號線上的電壓，求得差模電壓值，電壓值在+2～+6 V以內(nèi)或者按照設定參數(shù)為標準作為電壓檢測標準；3)波特率檢測，將AD采集到的信號進行判斷，檢測RS422信號開始位，并按照設定的波特率計算當前的波特率是否與設定的波特率一致，最大支持到1 Mb/s的傳輸速率。

422總線的電氣層特性設計參數(shù)包括如下：

1)上升時間Tr：總線的波形上升沿時間，以ns為單位；

2)下降時間Tf：總線的波形下降沿時間，以ns為單位；

3)差分電壓高電平：差分電壓高電平電壓值，以mV為單位；

4)差分電壓低電平：差分電壓低電平電壓值，以mV為單位；

5)共模電壓：差分總線的共模電壓，以mV為單位；

6)總線波特率：總線的波特率誤差，輸入誤差百分比。

總線診斷板卡通過高速ADC模塊，進行協(xié)議解析，并依據(jù)RS422協(xié)議標準，判斷信號是否符合協(xié)議要求。當不符合協(xié)議規(guī)定時給出協(xié)議層錯誤報警信息。系統(tǒng)診斷軟件模塊控制測試執(zhí)行并顯示測試結(jié)果，實現(xiàn)RS422總線協(xié)議層的診斷功能。協(xié)議層系統(tǒng)診斷如圖12所示。

圖12 RS422總線協(xié)議層系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

實現(xiàn)過程如下：1)測試項配置，總線診斷板卡通過PCIe接口接收軟件配置的協(xié)議層系統(tǒng)診斷測試項、總線類型等配置信息，選擇配置為422總線，并配置422的數(shù)據(jù)bit位、奇/偶校驗、停止位等相關信息；2)總線信號采集，總線信號經(jīng)過信號調(diào)理電路后，輸入到ADC電路。FPGA接收采集控制命令，控制ADC進行信號采集；3)采集波形量化，總線診斷板卡的FPGA對ADC輸出的數(shù)字信號按位進行量化，記錄二進制數(shù)，并上傳至上位機進行二進制顯示；4)總線負載統(tǒng)計，總線負載統(tǒng)計，按照單位時間內(nèi)總線上的bit數(shù)進行統(tǒng)計，并通過上位機能夠進行顯示；5)總線誤碼統(tǒng)計，總線誤碼率統(tǒng)計支持如下兩種統(tǒng)計方式：第一種方式按照單位時間內(nèi)總線上錯誤字(包括字長度錯誤和奇偶校驗錯誤)為單位進行統(tǒng)計，如果有錯誤則認為當前字是錯誤的，跟單位時間內(nèi)接收的總線上的總的字數(shù)進行對比得出誤碼率，第二種方式可以通過軟件配置一個待接收的字，通過對比從總線上接收的字和配置的待接收的字，判斷出接收到的錯誤的bit數(shù)，從而得出總線的誤碼率；6)協(xié)議解析及PAC判斷：FPGA對二進制數(shù)進行解析，判斷依據(jù)422的數(shù)據(jù)長度、奇/校驗、停止位信息等是否滿足要求，實現(xiàn)RS422數(shù)據(jù)幀的有效性監(jiān)控。FPGA對數(shù)據(jù)幀進行解析，監(jiān)控判斷消息是否為有效合法消息；7)測試結(jié)果上傳，測試結(jié)果通過PCIe接口傳給上位機，由軟件進行顯示。當RS422報文不符合協(xié)議規(guī)定時給出協(xié)議層錯誤報警信息。

3 應用驗證及分析

前面板中的物理層診斷區(qū)域為物理層診斷的接口，故障注入和診斷單元支持對1553B、CAN和RS422總線的物理層診斷。支持對3種總線常用實驗室線纜的自動診斷。

物理層診斷時，將1553B線纜兩端連接至信號適配箱中的1553B-1和1553B-2之間，將CAN線纜兩端連接至信號適配箱中的CAN-1和CAN-2之間，將RS422線纜兩端連接至信號適配箱中的RS422-1和RS422-2之間。

驗證方法步驟如下：

1)需要接口轉(zhuǎn)換，對RS422總線進行診斷時，需要將RS422總線通道1的RX+、地線和RX-通過信號適配箱USER2中的13、14和15管腳接入，并且通過BNC線纜將信號適配箱前面板中RS422-P1和BNC面板中的CH1連接，將信號適配箱前面板中RS422-N1和BNC面板中的CH2連接，這一組接線對應的是RS422總線監(jiān)控界面中的通道0。同理，CAN總線和1553B總線根據(jù)接口定義設計對接電纜，串入聯(lián)試系統(tǒng)使用。

2)在硬件設置界面配置診斷單元的相關參數(shù)，參數(shù)配置界面包括兩部分配置參數(shù)，包括總線通信參數(shù)配置和總線診斷電氣層標準閾值配置。RS422總線通信的參數(shù)包括：波特率、停止位、校驗位、數(shù)據(jù)位。CAN總線通信的參數(shù)為波特率。

3)配置參數(shù)保存和加載，在該界面中配置的參數(shù)可以以文件的形式保存，同時也支持對配置文件的加載。

4)回放數(shù)據(jù)顯示曲線。故障注入和診斷單元支持對1553B、CAN和RS422總線進行診斷，對這3種總線進行診斷時，系統(tǒng)采用分時復用的方式，每次只支持對一種總線的診斷。

對1553B總線進行診斷時，需要將1553B網(wǎng)絡中的A、B總線分別通過信號適配箱中的1553B-A-IN和1553B-B-IN接入，并且通過BNC線纜將信號適配箱前面板中1553B-A-P和BNC面板中的CH1連接，將信號適配箱前面板中1553B-A-N和BNC面板中的CH2連接，將信號適配箱前面板中1553B-B-P和BNC面板中的CH3連接，將信號適配箱前面板中1553B-B-N和BNC面板中的CH4連接。

點擊子菜單下的“1553B總線”標簽，進入到1553B總線監(jiān)控界面，如圖13所示。

圖13 1553B總線診斷

1553B總線監(jiān)控和診斷支持對1553B總線的電氣層和協(xié)議層的監(jiān)控和診斷，電氣層支持對波形的觸發(fā)監(jiān)控和電氣層參數(shù)的解析，協(xié)議層的監(jiān)控支持對消息的監(jiān)控和解析，以及波形和消息的存儲和回放。

1553B總線監(jiān)控界面分為3個區(qū)域，“波形觸發(fā)配置”區(qū)域、“電氣層監(jiān)控診斷”區(qū)域、和“數(shù)據(jù)監(jiān)控”區(qū)域，其中“數(shù)據(jù)監(jiān)控”區(qū)域有2個子標簽，分別為波形監(jiān)控和數(shù)據(jù)監(jiān)控。

“電氣層監(jiān)控診斷”區(qū)域用來實時顯示總線通道接收到的電氣層指標的最大值或最小值。包括的項目有輸出電壓幅度、上升/下降時間、過零穩(wěn)定性、輸出波形畸變、輸出對稱性、輸出隔離度、上下電噪聲、終端響應時間和總線波特率。

根據(jù)《GJB5186》中對1553B總線電氣特性參數(shù)閾值范圍的規(guī)定，1553B總線電氣特性參數(shù)閾值設置如下，監(jiān)控電壓幅度范圍：4.41～4.86 V；上升時間：170～250 ns；下降時間：190～250 ns；過零穩(wěn)定性：|TZCP|≤25 ns，|TZCN|≤25 ns；輸出波形畸變|VD|≤148.350 mV；輸出對稱性|VR|≤83.85 mv；輸出隔離度20lg(VA/VB)≥9.667 dB；上下電噪聲≤4.97 V；終端響應時間≤6.238 μm；總線波特率：1.101～1.152 MHz 。

對實現(xiàn)的效果分析：結(jié)合實際被測件、接口轉(zhuǎn)接線纜的長度，進行設置1553B總線電氣特性參數(shù)閾值范圍，超出閾值范圍的波特率紅色預警，根據(jù)本次試驗結(jié)果1553B總線信號的波特率超標，應修改制導控制部件，應按照1553B規(guī)范規(guī)定的波特率范圍發(fā)送消息。

“數(shù)據(jù)監(jiān)控”區(qū)域是以列表的形式對接收的消息進行解析并實時顯示，如圖14所示。

圖14 1553B數(shù)據(jù)監(jiān)控

數(shù)據(jù)監(jiān)控界面中每一行顯示一條消息報文，顯示的信息有序號、通道、消息時間、消息間隔時間、錯誤類型、消息類型、RT地址1、RT子地址1、RT地址2(若沒有則顯示“-”)、RT子地址2(若沒有則顯示“-”)、數(shù)據(jù)字個數(shù)、空閑時間、TR位和數(shù)據(jù)。本次試驗1553B總線消息報文正常。

總線監(jiān)測系統(tǒng)的設計方案效果可以滿足試驗室對導彈功能和性能的自動測試要求，完成了RS422、1553B等總線的實時采集、存儲、實現(xiàn)數(shù)據(jù)的電氣參數(shù)解析、顯示、診斷、回放。該系統(tǒng)應用在彈箭總線通訊測試領域，目前應用在艦炮末制導炮彈、超輕型空地導彈、紅外防空項目中，多種總線自動診斷系統(tǒng)實時監(jiān)控總線通訊試驗結(jié)果如圖15所示。

圖15 1553B電氣層監(jiān)控診斷結(jié)果

4 結(jié)束語

彈上總線通訊故障是影響彈箭命中目標的主要因素，總線通訊電氣層和協(xié)議的診斷分析缺乏自動測試評價的手段，研究診斷系統(tǒng)自動實時測試、顯示彈上總線多種總線的差分電壓、共模電壓、顯性電壓、隱性電壓、波特率等主要電氣特性參數(shù)，全面的對總線進行評價，提高故障定位和分析的能力，實踐證明總線診斷分析系統(tǒng)所提方法的有效性。