《电子技术应用》

新一代军用航空总线系统测试方法研究

2017年电子技术应用第6期 作者:王仲杰1,索高华2,陈 伟2,张亚琦2,王宣明3,4
2017/7/13 9:47:00

王仲杰1,索高华2,陈  伟2,张亚琦2,王宣明3,4

(1.中国飞行试飞研究院,陕西 阎良710089;2.西安翔腾微电子科技有限公司,陕西 西安710068;

3.中航工业西安航空计算技术研究所,陕西 西安710068;

4.集成电路与微系统设计航空科技重点实验室,陕西 西安 710068)


    摘  要: 为确保新一代军用航空总线系统——军用1394总线的性能及功能正确性、总线协议符合性及系统应用可靠性,对总线进行系统测试成为必要。搭建总线系统测试平台,从总线电气特性、总线协议符合性、系统应用方面对总线系统测试方法进行研究,经过总线系统的联试、试验及试飞任务,充分表明所描述的系统测试方法有效、可行,为新一代航空系统的飞行安全提供了可靠性保障。

    关键词: 总线系统;1394总线;电气特性;协议符合性;可靠性

    中图分类号: TP311

    文献标识码: A

    DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2017.06.022


    中文引用格式: 王仲杰,索高华,陈伟,等. 新一代军用航空总线系统测试方法研究[J].电子技术应用,2017,43(6):87-89,93.

    英文引用格式: Wang Zhongjie,Suo Gaohua,Chen Wei,et al. Research on test method of new generation of aviation bus system[J].Application of Electronic Technique,2017,43(6):87-89,93.

0 引言

    随着军用1394总线被广泛应用于新一代航空电子系统,作为航空系统的“中枢神经”,其功能、性能的正确性、总线协议的符合性及系统应用的可靠性显得至关重要。军用1394总线是由物理链接层、数据链路层、事务层及系统应用层构成高速总线接口标准构架[1],每个功能层在整个高速接口构架中都起到了重要作用,总线系统的测试也应遵从分层的系统结构逐级展开。

    物理层承担着总线物理链路的连接,它直接面向数据传输的物理媒介。总线物理链路的布线、抗干扰保护、阻抗匹配等关键设计影响着总线上高速信号的完整性,决定着总线信号的传输品质、传输误码、传输距离是否满足总线通信基本需求,因此,需要对总线物理层进行电气特性测试。链路层与事务层共同定义了总线数据传输的通信机制,实现总线通信管理,链路层和事务层设计的符合性决定了总线通信能否能按照既定协议进行正确有效的传输。因此,需要对1394总线进行协议符合性测试。应用层面向系统,主要涉及总线拓扑、故障处理及隔离、总线ICD等方面[2]。本文主要从军用1394总线的线缆、电气特性、协议符合性、总线系统应用四个方面阐述军用1394总线系统测试的关键,提供一种广泛的军用1394总线测试的系统平台方案。

1 系统测试平台搭建

    军用1394总线进行系统测试需搭建整套系统测试环境,系统测试环境由专用信号质量测试仪、数字示波器、矢量网络分析仪、1394总线三节点仿真卡及标准PC组成。其中自主研制的1394总线三节点仿真卡与机载设备总线接口设计一致,具有相同的总线电气特性及性能特点,并且实现了总线节点模拟、数据监控及故障注入等功能。系统测试平台搭建如图1所示。

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2 系统测试

2.1 线缆特性测试

    军用1394总线线缆是连接总线设备间的物理介质,线缆的特性指标决定总线系统整体性能。线缆特性指标主要包括:差分电容、差分阻抗、延时、插入损耗及耐压等参数。其测试连接如图1(虚线4)所示,将线缆两端分别接到矢量网络分析仪的差分探头上,通过软件配置测试不同的性能指标,并将测试数据保存到指定的路径。具体线缆指标要求如表1所示。线缆性能指标主要通过矢量网络分析仪分别在常温、低温及高温环境进行测试,确保线缆指标符合系统总线性能要求[3]

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2.2 电气特性测试

    军用1394总线系统电气特性测试主要体现在数据码流和信号质量两个方面。本文将从误码率、信号质量指标要求及测试方法等方面入手,详细介绍军用1394总线系统电气特性测试。

2.2.1 误码率测试

    军用1394总线通信误码率测试是保证数据传输正确性的主要手段,主要测试方法有两种:信号质量测试仪测试和1394总线三节点仿真卡测试。采用信号质量分析仪测试时,测试设备与被测设备连成环状结构,测试设备从发送端发送码流,从接收端接收返回的码流,实时进行码流比较的方式实现测试目标,其测试连接如图1(虚线2)所示;按照协议规范定义的总线误码率标准作为测试使用标准,指标要求如表2所示[4-5]

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    采用1394总线三节点仿真卡测试时,根据信号质量分析仪的测试原理,计算信号质量分析仪测试的码流大小(大约50 000包消息,每包512 B),通过总线分析仪模拟信号质量分析仪发送50 000帧同步包,被测设备周期性发送50 000帧异步流包,通过测试设备检测消息计数、消息VPC错误计数、CRC错误计数及总线复位计数实现测试目标。

2.2.2 信号质量测试

    军用1394总线通信误码率测试采用信号质量测试仪与高速示波器对总线信号进行采样分析,主要测试指标有:数据速率、发送波特率、差分幅值、上升/下降时间、差分偏斜、共模电压等,计算总线底层信号的多种指标是否在规定范围内,其测试连接如图1(虚线3)所示。

2.3 协议符合性测试

    军用1394总线协议符合性主要体现在总线包格式、节点类型、传输速率、总线周期、总线传输偏移时间及消息有效性等方面。该测试采用三节点仿真卡接入军用1394总线系统中。三节点仿真卡可对总线中包格式、传输速率、总线周期及总线传输偏移时间进行监控和分析,并且能够通过配置检测消息有效性[6](包括:消息VPC错误、消息长度错误、消息CRC错误),其测试连接如图1(实线1)所示。

    (1)总线周期。总线帧同步包(STOF)同步周期与预先配置的总线周期一致,误差应在±50 μs的范围内[7]

    (2)节点类型。军用1394总线系统节点分为:控制计算机(CC)和远程节点(RN)两种,CC节点实现1394总线同步和管理,默认接收通道号为0通道;RN节点实现总线通信,默认发送通道号为0通道;

    (3)传输速率。军用1394总线支持S100、S200及S400传输速率,可通过1394总线三节点仿真卡监控消息,确认传输速率的正确性;

    (4)总线传输偏移:异步流包发送时间相对STOF包的相对时间为总线异步流包发送偏移,异步流包应按照预先配置的发送偏移进行发送;

    (5)消息格式及有效性:采用三节点仿真卡监控数据包,并分析数据包格式(包格式)、VPC(垂直奇偶校验)、数据CRC与头CRC的正确性。

2.4 系统应用测试

    系统应用测试主要研究总线故障模式、总线ICD、总线拓扑、余度管理等关键应用技术,其测试连接如图1(实线1)所示。

2.4.1 总线故障模式

    总线故障模式要求每一种故障模式均有对应的处理方法,该测试主要研究故障后总线行为是否能够按照设计正确上报故障或进行故障隔离,以及故障撤销后总线是否能恢复正常状态。总线故障模式主要包含以下3种。

    (1)总线复位风暴。总线复位风暴是指总线系统正常通信过程中,由于总线设备频繁上下电、线缆/连接器接触不良或设备端口故障导致连续且长时间的总线复位和总线拓扑重构的现象。总线复位风暴能够引起总线系统通信中断,但复位风暴结束总线拓扑稳定后,总线系统应能够恢复正常通信;

    (2)总线周期错误。总线周期错误是指由于总线控制器故障,引起总线周期不准确,导致总线通信紊乱;总线周期错误时总线系统应能够上报故障,由总线控制器进行故障处理;

    (3)消息错误。消息错误是指由于总线设备故障,通信中出现错误消息(主要包括:消息ID错误、消息通道错误、消息VPC错误、数据/消息头CRC错误、消息长度错误),导致消息丢失的现象;总线系统应能够检测消息错误类型,并上报故障现象,由总线控制器进行故障隔离。

2.4.2 总线ICD

    总线ICD是约束总线各节点总线行为的关键文件,包含了总线周期、各节点发送/接收消息数量、消息ID、消息长度、目的节点等信息。该测试主要验证总线ICD是否存在时间冲突、数据冲突以及带宽分配是否合理等方面,保证系统设计的合理性。

    (1)ICD时间冲突。ICD时间冲突是指总线节点之间的发送偏移、接收偏移不对应或发送窗口存在重叠,导致实际工作过程中引起总线竞争现象。应通过实际测试避免总线节点之间的时间分配冲突现象;

    (2)ICD数据冲突。ICD数据冲突是指总线节点之间发送/接收消息ID、长度信息不对应,导致消息无法按照应用设计进行接收或发送。系统测试应对设计的消息发送和接收进行对应检查,确保其一致性;

    (3)带宽分配。带宽是指配置的总线周期和分配给每个总线节点的时间窗口大小及消息数量、长度是否满足系统应用传输需求,如带宽过小,会造成应用数据拥堵甚至无法完成系统功能,带宽过大则会造成浪费,降低系统性能。测试中应结合实际系统进行评估和测试。

2.4.3 余度管理

    总线为防止某些关键设备故障后导致系统重要功能丧失或崩溃,对一些关键设备进行了多余度设计,或考虑到整个总线的关键性,对整个总线进行多余度设计。

    (1)关键设备余度。在系统中,将多个相同的关键设备挂接在同一总线或不同总线中,控制计算机根据表决机制选择其中某一个设备传输来的数据使用,当某个设备故障后,对其降级处理,使用其他余度发送的数据,保证该设备在系统中的功能不会丧失。应用测试对余度设备正常模式下的数据表决和故障后的数据选择切换及故障状态上报;

    (2)总线余度。为提高关键总线的可靠性,组建多条相同总线,通过多台控制计算机之间的交叉数据链路进行总线间的互联和通信,这种结构叫总线余度。当一条总线故障时,其余总线仍可完成正常数据传输和控制工作。应用测试中应重点研究多条余度总线之间的配合以及某些余度故障后总线控制策略的切换及故障上报。

    通过上述系统应用测试,能够保证总线系统在正确设计的前提下,当总线出现故障时,除了能及时对故障进行检测和上报,还能在故障后尽可能地容错处理,满足军用1394总线对故障处理及故障隔离的要求,确保军用1394总线系统可靠、稳定地通信,保证整个系统功能的正常和稳定。

3 结论

    本文介绍军用1394总线测试系统的搭建及实现的系统测试工作,为面向高可靠的军用1394总线系统的测试提供一种测试平台。基于此测试系统所提供的测试方法开展测试工作,可确保总线系统在总线线缆、电气特性、协议符合性及系统应用方面得到充分验证。本文中提及的系统测试方法已在航空系统的联试、试验及试飞中得到充分验证,通过系统以上工作,表明所描述的系统测试方法有效,能够完成对军用1394总线系统的全面测试。

参考文献

[1] 赵彬,田泽,杨峰,等.基于AS5643协议的接口模块设计与实现[J].计算机技术与发展,2013,23(8):100-103,106.

[2] 程俊强,林坚.Mil_1394b总线在飞行器管理系统中的典型应用分析[J].电脑知识与技术,2014,10(27):6504-6508.

[3] 张少峰,田泽,杨峰,等.基于AS5643协议的Mil-1394仿真卡设计与实现[J].计算机技术与发展,2013,8(23):168-171.

[4] SAE AS5706:test plan/procedure for AS5643/1S400 copper media interface characteristics over extended distances[S].2007.

[5] SAE AS5643/1:S400 copper mediainterface characteristics over extended distances[S].2004.

[6] SAE AS5643/2,IEEE-1394b interface requirements for military and aerospace vehicle applications[S].2006.

[7] SAE AS5657:Test plan/procedure for AS5643 IEEE-1394b interface requirements for military and aerospace vehicle applications[S].2007.

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