AFDX仿真器10M工作模式校准方法研究

付军立，肖斌

（中航工业北京长城计量测试技术研究所，北京 100095）

AFDX仿真器10M工作模式校准方法研究

付军立，肖斌

（中航工业北京长城计量测试技术研究所，北京 100095）

2.1 波形参数校准

10 Mbit/s波形参数校准采用带差分输入探头的数字存储示波器作为标准设备，原理如图2所示。

图中TD+和TD-分别为仿真器发送端的两个差分信号输出端，限流电阻值RC1与RC2为83Ω。负载电阻值RL为100Ω，精度要求±1%。［2］

AFDX总线仿真器在10 Mbit/s传输速率工作模式下，物理层信号采用差分双极性曼彻斯特编码方式，为同步时钟编码技术，信号波形的正跳变表示二进制信息 “1”、负跳变表示 “0”，接收端很容易就能从信号的跳变周期中恢复时钟，进而恢复出数据逻辑。由于每一次跳变都代表一位二进制信息，波形始终处于连续变化状态，因此对信号波形幅度对称度、波形过冲和占空比失真没有量值要求，校准项目侧重于传输速率、差分信号幅度、上升时间、下降时间、上升/下降时间对称度、发送抖动和带宽分配间隔。

2.1.1 传输速率

传输速率定义为AFDX总线仿真器的信号发送端单位时间内输出的数据信号总位数，以 “兆比特每秒”表示，单位Mbit/s(可简写为Mb/s)。如假设一帧数据长度为L(字节，byte)，发送一帧数据的时间为t (s)，则信号传输速率为

由于AFDX一帧数据的最小长度为84字节［1］，采用定义方式测量时，需要至少测量一个完整的数据帧，要求示波器具备一定的存储深度和 “N_period”(多周期)测量功能。因此，可以采取直接测量AFDX有效载荷数据信号位波形周期的方式获得数据传输速率。即设定AFDX总线仿真器输出连续“00”或 “FF”的十六进制数据，使有效载荷数据段波形呈现规则的周期信号，测量10个脉冲周期T1(ns)，用下式计算数据传输速率为

传输速率校准结果应符合10 Mbit/s±0.01%的要求，不确定度优于3×10-5。

2.1.2 差分信号幅度

差分信号幅度是指传输信号波形从零电平至正向或负向脉冲幅度的绝对值，如图3所示。

差分信号幅度的校准采用 “密度分布平均法”，在一个完整数据帧中分别对帧头、有效数据载荷和帧尾部分波形的正负向幅度分别进行测量，所有测量值应符合公式 (3)要求，不确定度优于5%。

2.1.3 上升/下降时间

上升时间是指传输信号波形从峰峰值的10%上升到90%所需要的时间；下降时间是指传输信号波形从峰峰值的90%下降到10%所需要的时间，如图3所示。根据10 Mbit/s物理层信号传输使用差分双极性曼彻斯特编码方式，在测量上升时间时设定AFDX总线仿真器输出 “FF”的连续十六进制数据包，测量下降时间时设定AFDX总线仿真器输出 “00”的连续十六进制数据包，则获得的测量数据均为代表 “1”或“0”的有效边沿建立时间。上升/下降时间校准结果应符合公式 (4)要求，不确定度优于5%。

2.1.4 上升/下降时间对称度

上升/下降时间对称度是评价上升时间和下降时间的一致性，对于10 Mbit/s的差分双极性曼彻斯特编码方式，应包括数据为 “1010…”时，代表 “1”的上升时间 “Tr”和代表 “0”的下降时间 “Tf”之间的一致性；连续“0000…”的下降时间 “Tf0”和过渡上升时间 “Tr0”之间的一致性；以及连续 “1111…”的上升时间 “Tr1”和过渡下降时间 “Tf1”之间的一致性，取最大差值应同时满足公式 (5)要求，不确定度优于5%。

2.1.5 发送抖动

发送抖动为连续两个相同方向过零点之间的时间间隔与理想时间间隔 (100 ns)的偏差。校准过程中，设定AFDX总线仿真器输出连续 “00”或 “FF”的十六进制数据，使有效载荷数据段波形呈现规则的周期信号，直接测量单个信号周期T(ns)，如图4所示。

发送抖动校准结果应符合公式 (6)要求，不确定度优于1%。

2.1.6 共模输出电压

共模输出电压是由于10 M发送端TD+和TD-两个端口输出信号之间存在的相位差而产生的，包含了端口信号的同相直流偏置，当TD+和TD-两个端口输出信号相位完全相同时 (工程上无法做到)，共模输出电压应为TD+和TD-两个端口输出信号直流偏置的代数和。校准原理如图5所示。

图5中两个47.5Ω电阻之间的一致性不超过±0.01%［2］。

共模输出电压校准波形如图6所示，图6中，V+max，V-max分别表示以零电平为基准、正向和负向脉冲峰值的最大值。

共模输出电压校准结果应符合公式 (7)要求，不确定度优于5%。

2.1.7 带宽分配间隔校准

带宽分配间隔BAG为两个连续的数据帧之间的时间间隔，可设定为 (1～128)ms之间为2的整数次幂的任一数值［3］，校准结果应在±0.5 ms范围内，不确定度优于0.1%。

带宽分配间隔的校准可以采用两种方法，一是示波器直接测量法：10 Mbit/s数据信号波形频率为20 MHz，为保证波形不失真，设定示波器采样为200 MSa/s，并保证测量两个完整的数据帧，按最小数据帧(84 byte，67.2μs)计算，则测量128 ms的最大带宽分配间隔时，测量时长为128.1344 ms，所需存储深度应不小于25.63 Mpts，对示波器的存储深度要求较高。

另一种方法是采用间接测量法，采用AM26LS32差分转单端信号处理芯片，将一个完整的10 Mbit/s数据帧处理成一个单脉冲周期信号，当循环发送同一数据帧时，输出端产生一个以BAG为周期的单脉冲信号，直接测量处理后的信号周期即为带宽分配间隔。

“我最清楚的记忆来自6岁那年的遭遇。那是一个礼拜天，母亲陪着我们兄弟俩走下公寓的台阶。我们正准备去教堂。正沿着走廊走向大门口时，我们听见巨大的撞击声，混杂着尖叫声和呼救声。三辆载着家人的轿车发生了事故。不知怎的，混乱中，我松开了抓着母亲的手。我站在路边，看见有什么东西从一辆翻转的车里滚落出来。它停在我所站的马路牙子边。那是一个小女孩的头。我弯下腰，想去触摸那张脸，和她说话——但在碰到她之前，我就被什么人拽走了。”

2.2 端接特性校准

2.2.1 接收端共模抑制校准

共模抑制是评价AFDX总线仿真器接收端抗共模干扰的能力，校准原理如图7所示。

图7中：R1=71.5Ω，R2=148Ω，误差要求±1%［2］。共模干扰信号Ecm-r为频率范围0.1 Hz～500 kHz、峰峰值幅度小于25 V的方波。正常数据信号源ES可以采用经过电气特性校准的AFDX仿真器发送端或其他符合ARINC664协议的AFDX数据信号发生器，校准过程中叠加符合上述要求不同频率、不同幅度的干扰信号，应不影响正常数据的接收。

2.2.2 回波损耗校准

回波损耗，又称反射损耗，是端口反射功率与入射功率的比值，用分贝 (dB)表示。对于一个理想的阻抗匹配端口，没有能量被反射回来，回波损耗就是无穷大。AFDX仿真器10 Mbps接口使用双向信令的方式，同时双向传输，芯片的管脚在发射数据信号的同时也接收数据信号。如果回波损耗低的话，信号会在差分传输线上形成多重反射，影响信号完整性，是非常关键的校准项目。

AFDX仿真器回波损耗的校准应对发送端和接收端分别进行校准。校准原理如图8、图9所示。

图中的不平衡变压器起信号隔离耦合作用。AFDX总线仿真器的信号发送端、接收端均为平衡信号，其负端与地参考是分开的；而网络分析仪的输入、输出端口是不平衡信号，其负端是地参考端，不平衡变压器实现两种信号的隔离耦合。选用3dB带宽为20 MHz的不平衡变压器，网络分析仪扫描频率范围5～10 MHz，校准结果应不小于15 dB，不确定度优于10%。

3 校准试验验证

校准试验验证过程中标准设备采用DSO90604A型数字存储示波器+1134A差分探头和E5071C网络分析仪，校准对象采用美国EXCalibur公司生产的Exc-ARINC664-PCIe型AFDX总线仿真器，校准结果见表1。

从校准结果可以看出，本文所述校准方法是可行的，校准结果符合ARINC664标准的要求。不确定度包含了标准设备、校准接口适配器和重复性等影响，且受标准设备精度及系统带宽影响较大，仅代表本次测量结果的不确定度。

4 结论

对于AFDX总线仿真器进行校准，可以将总线数据端口的量值通过示波器、网络分析仪等通用测量设备溯源至国家基标准，从而确保AFDX总线参数量值统一；为AFDX总线仿真器新设备的验收、周期校准提供方法依据。

［1］ARINC664 Aircraft data network［S］.Aeronautical Radio，INC.2006.

［2］IEEE Std 802.3，Carrier sense multiple access with collision detection(CSMA/CD)accessmethod and physical layer specifications［S］.The Institute of Electricaland Electronics Engineers，Inc.，2002.

［3］AFDX/ARINC 664 Tutorial(1500-049)［Z］.Condor Engineering，Inc.，2005.