《電子技術(shù)應(yīng)用》
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新一代軍用航空總線系統(tǒng)測試方法研究
2017年電子技術(shù)應(yīng)用第6期
王仲杰1，索高華2，陳 偉2，張亞琦2，王宣明3，4
1.中國飛行試飛研究院，陜西 閻良710089；2.西安翔騰微電子科技有限公司，陜西 西安710068； 3.中航工業(yè)西安航空計算技術(shù)研究所，陜西 西安710068； 4.集成電路與微系統(tǒng)設(shè)計航空科技重點實驗室，陜西 西安 710068
摘要： 為確保新一代軍用航空總線系統(tǒng)——軍用1394總線的性能及功能正確性、總線協(xié)議符合性及系統(tǒng)應(yīng)用可靠性，對總線進行系統(tǒng)測試成為必要。搭建總線系統(tǒng)測試平臺，從總線電氣特性、總線協(xié)議符合性、系統(tǒng)應(yīng)用方面對總線系統(tǒng)測試方法進行研究，經(jīng)過總線系統(tǒng)的聯(lián)試、試驗及試飛任務(wù)，充分表明所描述的系統(tǒng)測試方法有效、可行，為新一代航空系統(tǒng)的飛行安全提供了可靠性保障。
中圖分類號： TP311
文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2017.06.022
中文引用格式： 王仲杰，索高華，陳偉，等. 新一代軍用航空總線系統(tǒng)測試方法研究[J].電子技術(shù)應(yīng)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.
Research on test method of new generation of aviation bus system
Wang Zhongjie1，Suo Gaohua2，Chen Wei2，Zhang Yaqi2，Wang Xuanming3，4
1.Chinese Flight Test Establishment，Yanliang 710089，China； 2.Xi′an Xiangteng Microelectronics Technology CO.，LTD，Xi′an 710068，China； 3.AVIC Computing Technique Research Institute，Xi′an 710068，China； 4.Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Integrated Circuit and Micro-System Design，Xi′an 710068，China
Abstract： In order to ensure the correctness of the new generation of aviation bus——Military 1394 bus′s performance andfunction,and it′s protocol conformance and reliability of system application,thesyster test of bus becomes a necessary means. In this paper,it sets up a test platorm for bus system,and researches test methods of this bus system from bus electricalcharacteristics,bus protocol conformance,system application. Through the joint-test, experiments and flight tests of the bus system,it is proved that the system test method described in this paper is effective and feasible,which provides a reliable guarantee for the flight safety of the new generation of aviation system.
Key words : bus system；1394 bus；electrical characteristics；protocol conforms；reliability

0 引言

    隨著軍用1394總線被廣泛應(yīng)用于新一代航空電子系統(tǒng)，作為航空系統(tǒng)的“中樞神經(jīng)”，其功能、性能的正確性、總線協(xié)議的符合性及系統(tǒng)應(yīng)用的可靠性顯得至關(guān)重要。軍用1394總線是由物理鏈接層、數(shù)據(jù)鏈路層、事務(wù)層及系統(tǒng)應(yīng)用層構(gòu)成高速總線接口標準構(gòu)架[1]，每個功能層在整個高速接口構(gòu)架中都起到了重要作用，總線系統(tǒng)的測試也應(yīng)遵從分層的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)逐級展開。

    物理層承擔著總線物理鏈路的連接，它直接面向數(shù)據(jù)傳輸?shù)奈锢砻浇椤？偩€物理鏈路的布線、抗干擾保護、阻抗匹配等關(guān)鍵設(shè)計影響著總線上高速信號的完整性，決定著總線信號的傳輸品質(zhì)、傳輸誤碼、傳輸距離是否滿足總線通信基本需求，因此，需要對總線物理層進行電氣特性測試。鏈路層與事務(wù)層共同定義了總線數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ艡C制，實現(xiàn)總線通信管理，鏈路層和事務(wù)層設(shè)計的符合性決定了總線通信能否能按照既定協(xié)議進行正確有效的傳輸。因此，需要對1394總線進行協(xié)議符合性測試。應(yīng)用層面向系統(tǒng)，主要涉及總線拓撲、故障處理及隔離、總線ICD等方面[2]。本文主要從軍用1394總線的線纜、電氣特性、協(xié)議符合性、總線系統(tǒng)應(yīng)用四個方面闡述軍用1394總線系統(tǒng)測試的關(guān)鍵，提供一種廣泛的軍用1394總線測試的系統(tǒng)平臺方案。

1 系統(tǒng)測試平臺搭建

    軍用1394總線進行系統(tǒng)測試需搭建整套系統(tǒng)測試環(huán)境，系統(tǒng)測試環(huán)境由專用信號質(zhì)量測試儀、數(shù)字示波器、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、1394總線三節(jié)點仿真卡及標準PC組成。其中自主研制的1394總線三節(jié)點仿真卡與機載設(shè)備總線接口設(shè)計一致，具有相同的總線電氣特性及性能特點，并且實現(xiàn)了總線節(jié)點模擬、數(shù)據(jù)監(jiān)控及故障注入等功能。系統(tǒng)測試平臺搭建如圖1所示。

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2 系統(tǒng)測試

2.1 線纜特性測試

    軍用1394總線線纜是連接總線設(shè)備間的物理介質(zhì)，線纜的特性指標決定總線系統(tǒng)整體性能。線纜特性指標主要包括：差分電容、差分阻抗、延時、插入損耗及耐壓等參數(shù)。其測試連接如圖1（虛線4）所示，將線纜兩端分別接到矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的差分探頭上，通過軟件配置測試不同的性能指標，并將測試數(shù)據(jù)保存到指定的路徑。具體線纜指標要求如表1所示。線纜性能指標主要通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀分別在常溫、低溫及高溫環(huán)境進行測試，確保線纜指標符合系統(tǒng)總線性能要求[3]。

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2.2 電氣特性測試

    軍用1394總線系統(tǒng)電氣特性測試主要體現(xiàn)在數(shù)據(jù)碼流和信號質(zhì)量兩個方面。本文將從誤碼率、信號質(zhì)量指標要求及測試方法等方面入手，詳細介紹軍用1394總線系統(tǒng)電氣特性測試。

2.2.1 誤碼率測試

    軍用1394總線通信誤碼率測試是保證數(shù)據(jù)傳輸正確性的主要手段，主要測試方法有兩種：信號質(zhì)量測試儀測試和1394總線三節(jié)點仿真卡測試。采用信號質(zhì)量分析儀測試時，測試設(shè)備與被測設(shè)備連成環(huán)狀結(jié)構(gòu)，測試設(shè)備從發(fā)送端發(fā)送碼流，從接收端接收返回的碼流，實時進行碼流比較的方式實現(xiàn)測試目標，其測試連接如圖1（虛線2）所示；按照協(xié)議規(guī)范定義的總線誤碼率標準作為測試使用標準，指標要求如表2所示[4-5]。

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    采用1394總線三節(jié)點仿真卡測試時，根據(jù)信號質(zhì)量分析儀的測試原理，計算信號質(zhì)量分析儀測試的碼流大?。ù蠹s50 000包消息，每包512 B），通過總線分析儀模擬信號質(zhì)量分析儀發(fā)送50 000幀同步包，被測設(shè)備周期性發(fā)送50 000幀異步流包，通過測試設(shè)備檢測消息計數(shù)、消息VPC錯誤計數(shù)、CRC錯誤計數(shù)及總線復位計數(shù)實現(xiàn)測試目標。

2.2.2 信號質(zhì)量測試

    軍用1394總線通信誤碼率測試采用信號質(zhì)量測試儀與高速示波器對總線信號進行采樣分析，主要測試指標有：數(shù)據(jù)速率、發(fā)送波特率、差分幅值、上升/下降時間、差分偏斜、共模電壓等，計算總線底層信號的多種指標是否在規(guī)定范圍內(nèi)，其測試連接如圖1(虛線3)所示。

2.3 協(xié)議符合性測試

    軍用1394總線協(xié)議符合性主要體現(xiàn)在總線包格式、節(jié)點類型、傳輸速率、總線周期、總線傳輸偏移時間及消息有效性等方面。該測試采用三節(jié)點仿真卡接入軍用1394總線系統(tǒng)中。三節(jié)點仿真卡可對總線中包格式、傳輸速率、總線周期及總線傳輸偏移時間進行監(jiān)控和分析，并且能夠通過配置檢測消息有效性[6]（包括：消息VPC錯誤、消息長度錯誤、消息CRC錯誤），其測試連接如圖1（實線1）所示。

    (1)總線周期?？偩€幀同步包(STOF)同步周期與預(yù)先配置的總線周期一致，誤差應(yīng)在±50 μs的范圍內(nèi)[7]；

    (2)節(jié)點類型。軍用1394總線系統(tǒng)節(jié)點分為：控制計算機（CC）和遠程節(jié)點（RN）兩種，CC節(jié)點實現(xiàn)1394總線同步和管理，默認接收通道號為0通道；RN節(jié)點實現(xiàn)總線通信，默認發(fā)送通道號為0通道；

    (3)傳輸速率。軍用1394總線支持S100、S200及S400傳輸速率，可通過1394總線三節(jié)點仿真卡監(jiān)控消息，確認傳輸速率的正確性；

    (4)總線傳輸偏移：異步流包發(fā)送時間相對STOF包的相對時間為總線異步流包發(fā)送偏移，異步流包應(yīng)按照預(yù)先配置的發(fā)送偏移進行發(fā)送；

    (5)消息格式及有效性：采用三節(jié)點仿真卡監(jiān)控數(shù)據(jù)包，并分析數(shù)據(jù)包格式（包格式）、VPC（垂直奇偶校驗）、數(shù)據(jù)CRC與頭CRC的正確性。

2.4 系統(tǒng)應(yīng)用測試

    系統(tǒng)應(yīng)用測試主要研究總線故障模式、總線ICD、總線拓撲、余度管理等關(guān)鍵應(yīng)用技術(shù)，其測試連接如圖1（實線1）所示。

2.4.1 總線故障模式

    總線故障模式要求每一種故障模式均有對應(yīng)的處理方法，該測試主要研究故障后總線行為是否能夠按照設(shè)計正確上報故障或進行故障隔離，以及故障撤銷后總線是否能恢復正常狀態(tài)?？偩€故障模式主要包含以下3種。

    (1)總線復位風暴?？偩€復位風暴是指總線系統(tǒng)正常通信過程中，由于總線設(shè)備頻繁上下電、線纜/連接器接觸不良或設(shè)備端口故障導致連續(xù)且長時間的總線復位和總線拓撲重構(gòu)的現(xiàn)象。總線復位風暴能夠引起總線系統(tǒng)通信中斷，但復位風暴結(jié)束總線拓撲穩(wěn)定后，總線系統(tǒng)應(yīng)能夠恢復正常通信；

    (2)總線周期錯誤?？偩€周期錯誤是指由于總線控制器故障，引起總線周期不準確，導致總線通信紊亂；總線周期錯誤時總線系統(tǒng)應(yīng)能夠上報故障，由總線控制器進行故障處理；

    (3)消息錯誤。消息錯誤是指由于總線設(shè)備故障，通信中出現(xiàn)錯誤消息(主要包括：消息ID錯誤、消息通道錯誤、消息VPC錯誤、數(shù)據(jù)/消息頭CRC錯誤、消息長度錯誤)，導致消息丟失的現(xiàn)象；總線系統(tǒng)應(yīng)能夠檢測消息錯誤類型，并上報故障現(xiàn)象，由總線控制器進行故障隔離。

2.4.2 總線ICD

    總線ICD是約束總線各節(jié)點總線行為的關(guān)鍵文件，包含了總線周期、各節(jié)點發(fā)送/接收消息數(shù)量、消息ID、消息長度、目的節(jié)點等信息。該測試主要驗證總線ICD是否存在時間沖突、數(shù)據(jù)沖突以及帶寬分配是否合理等方面，保證系統(tǒng)設(shè)計的合理性。

    (1)ICD時間沖突。ICD時間沖突是指總線節(jié)點之間的發(fā)送偏移、接收偏移不對應(yīng)或發(fā)送窗口存在重疊，導致實際工作過程中引起總線競爭現(xiàn)象。應(yīng)通過實際測試避免總線節(jié)點之間的時間分配沖突現(xiàn)象；

    (2)ICD數(shù)據(jù)沖突。ICD數(shù)據(jù)沖突是指總線節(jié)點之間發(fā)送/接收消息ID、長度信息不對應(yīng)，導致消息無法按照應(yīng)用設(shè)計進行接收或發(fā)送。系統(tǒng)測試應(yīng)對設(shè)計的消息發(fā)送和接收進行對應(yīng)檢查，確保其一致性；

    (3)帶寬分配。帶寬是指配置的總線周期和分配給每個總線節(jié)點的時間窗口大小及消息數(shù)量、長度是否滿足系統(tǒng)應(yīng)用傳輸需求，如帶寬過小，會造成應(yīng)用數(shù)據(jù)擁堵甚至無法完成系統(tǒng)功能，帶寬過大則會造成浪費，降低系統(tǒng)性能。測試中應(yīng)結(jié)合實際系統(tǒng)進行評估和測試。

2.4.3 余度管理

    總線為防止某些關(guān)鍵設(shè)備故障后導致系統(tǒng)重要功能喪失或崩潰，對一些關(guān)鍵設(shè)備進行了多余度設(shè)計，或考慮到整個總線的關(guān)鍵性，對整個總線進行多余度設(shè)計。

    (1)關(guān)鍵設(shè)備余度。在系統(tǒng)中，將多個相同的關(guān)鍵設(shè)備掛接在同一總線或不同總線中，控制計算機根據(jù)表決機制選擇其中某一個設(shè)備傳輸來的數(shù)據(jù)使用，當某個設(shè)備故障后，對其降級處理，使用其他余度發(fā)送的數(shù)據(jù)，保證該設(shè)備在系統(tǒng)中的功能不會喪失。應(yīng)用測試對余度設(shè)備正常模式下的數(shù)據(jù)表決和故障后的數(shù)據(jù)選擇切換及故障狀態(tài)上報；

    (2)總線余度。為提高關(guān)鍵總線的可靠性，組建多條相同總線，通過多臺控制計算機之間的交叉數(shù)據(jù)鏈路進行總線間的互聯(lián)和通信，這種結(jié)構(gòu)叫總線余度。當一條總線故障時，其余總線仍可完成正常數(shù)據(jù)傳輸和控制工作。應(yīng)用測試中應(yīng)重點研究多條余度總線之間的配合以及某些余度故障后總線控制策略的切換及故障上報。

    通過上述系統(tǒng)應(yīng)用測試，能夠保證總線系統(tǒng)在正確設(shè)計的前提下，當總線出現(xiàn)故障時，除了能及時對故障進行檢測和上報，還能在故障后盡可能地容錯處理，滿足軍用1394總線對故障處理及故障隔離的要求，確保軍用1394總線系統(tǒng)可靠、穩(wěn)定地通信，保證整個系統(tǒng)功能的正常和穩(wěn)定。

3 結(jié)論

    本文介紹軍用1394總線測試系統(tǒng)的搭建及實現(xiàn)的系統(tǒng)測試工作，為面向高可靠的軍用1394總線系統(tǒng)的測試提供一種測試平臺。基于此測試系統(tǒng)所提供的測試方法開展測試工作，可確?？偩€系統(tǒng)在總線線纜、電氣特性、協(xié)議符合性及系統(tǒng)應(yīng)用方面得到充分驗證。本文中提及的系統(tǒng)測試方法已在航空系統(tǒng)的聯(lián)試、試驗及試飛中得到充分驗證，通過系統(tǒng)以上工作，表明所描述的系統(tǒng)測試方法有效，能夠完成對軍用1394總線系統(tǒng)的全面測試。

參考文獻

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[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.



作者信息：

王仲杰1，索高華2，陳  偉2，張亞琦2，王宣明3，4

（1.中國飛行試飛研究院，陜西 閻良710089；2.西安翔騰微電子科技有限公司，陜西 西安710068；

3.中航工業(yè)西安航空計算技術(shù)研究所，陜西 西安710068；

4.集成電路與微系統(tǒng)設(shè)計航空科技重點實驗室，陜西 西安 710068)

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