新型组合式1553B数据总线耦合器的设计

莫剑冬，徐　鸿

(1. 上海航天设备制造总厂，上海，200245；2. 中航光电科技股份有限公司，河南洛阳，471000)



新型组合式1553B数据总线耦合器的设计

莫剑冬1，徐鸿2

(1. 上海航天设备制造总厂，上海，200245；2. 中航光电科技股份有限公司，河南洛阳，471000)

摘要：本文从现有数据总线耦合器结构入手，指出了它在需要返工时的缺点，分析了耦合器组成各元件的主要功能及结构原理，由此构想出新的组合式结构，并对比分析了两种结构的优缺点，指出该结构具有一定的推广意义。

关键词：耦合器； 耦合串路小单元； 总线盒；耦合放大器

1引言

耦合器是1553B数据总线耦合器的简称，按结构分为变压器耦合方式和直接耦合方式两类，本文只讨论变压器耦合方式的。它专用于各种1553B数据总线网络的建设，是总线网络的核心，是必不可少的一个单元。耦合器的作用主要有以下三点：

1) 信号耦合，就是把总线上传输的信号耦合到支线上，使得各种终端设备能够获得总线上的信息。

2) 信号隔离，就是把总线上的信号和短截线(俗称“子线”)上的信号隔离开，不使其直接相通，当某个终端设备出现故障时，不会引起总线产生故障，起到一定的故障隔离作用。

3) 信号抑制，变压器式耦合器，采用了线圈等元器件，具备抑制共模信号的作用。

2数据总线耦合器现状

数据总线耦合器是随着1553B数据总线网络发展起来的，主要分为线式和盒式(术语为“非连接器式”和“连接器式”)两种结构。其核心内容相同，主要区别在于是否带线及外形。目前，国内外耦合器均采用整体式结构，将耦合变压器、隔离电阻集成到一块印制板上，按用途分为总线(代号BUS)端和短截线(代号STUB)端两种接线端，线式耦合器在BUS和STUB端分别焊接一定长度线缆，然后用尺寸适中的两壳体扣合印制板，线缆屏蔽层焊接到壳体两端，壳体腔内灌胶充实，外部通过塑封或热缩管缩封等形式保护壳体，并增加产品美观，如图1所示。盒式耦合器是在BUS和STUB端接标准DK-621型或其他类型连接器作为接口。

图1　国内外线式耦合器代表产品

此种结构比较紧凑，外观小巧美观，性能优良，符合军用小型化高可靠的要求。但它也有两个缺点：

①GJB5186.7(耦合器、终止器、线缆的规范)规定的部分性能为过程性能，对于此种不易拆卸的结构无法验证，故GJB5186.5(总线规范)上有这么一句话“总线网络的设计验证测试，要求完成5.1所有的测试项目。总线网络的生产测试也要求尽可能完成5.1所有的测试，由于生产阶段实际中一般缺少物理测试点，所有允许5.1测试项中无法进行的项目可不测试，但要求至少完成5.1.9的测试(Page3)”，是什么原因让国军标都如此“无可奈何”？答案是不可拆卸的产品结构；

②产品若因单个零件损坏就得整体更换或返工维修，如其中一个变压器被击穿，无法耦合信号，导致某一根短截线信号不通，产品功能出现障碍，若要返工，则要拆开耦合器封装、壳体，并将腔内胶全挖掉，才能换掉失效元器件，再次经过灌胶、焊接、封装等工序才算返工完成。费时费力，成本也会相应增加，且返工周期一般较长，且在返工过程中易对其他元器件造成损害却不易被发现。

3组合式结构

归根结底，产品因为最初的应用比较简单，以单子线和双子线为主，所以，设计者将产品设计为整体式，即使返工，难度也并不大。但是，随着短截线数量的增加，产品变得更加复杂，失效率也会相对增加，虽一直沿用这种紧凑的结构，但我们不能忽视了它的两个缺点，而是需要从结构上来进行改进。只有先了解产品结构原理，才能在现有基础上进行改进或调整，以使产品更加完善。

首先，耦合器由耦合变压器、电阻、印制板、导热胶等组成。其中，耦合变压器作用是实现总线与短截线的信号耦合传递和物理隔离，既实现“连接”又保证“隔离”；电阻的作用是防止耦合变压器总线端短路而影响总线，同时保证阻抗的匹配；印制板作用是集成所有电子元器件，并提供内部电路走线；导热胶作用是填充耦合器，提高抗振、抗冲击能力、良好的导热性可以实现内部元器件发热后散热功能。

以单子线耦合器为例简单说明耦合器电路原理图，如图2所示。

图2　单子线耦合器电路原理图

从以上分析可以看出，现有结构只有在产品出现失效需要返工时才显现出它的不易拆除弊端，正常工作(不考虑是否测试过程性能)情况下是没有什么问题的。单纯的提高元器件的可靠性可以将出问题的概率降到最低。那么，这个方案可行吗？答案是不可行的。耦合器外壳体将所有元器件包裹住，从而实现小型化、集成化。一个耦合器有两个BUS端和n个STUB端，n可以取1～8(国外上限为6)。如图一条短截线对应一个耦合变压器和两个隔离电阻，随着n的增大，耦合变压器及隔离电阻数量也成倍增加。

先看一个新术语，将图2中隔离电阻和耦合变压器高匝数端串联后的电路作为耦合器STUB一部分，命名为耦合串路小单元。假设耦合串路小单元的可靠性为k(0

于是，围绕元器件这个核心内容，设想一种新结构，称之为组合式耦合器，即BUS和STUB可通过连接器随意连接与分离，这个点定在耦合串路小单元与BUS连接的位置。如图3所示。

图3　隔离电阻与耦合变压器串路小单元

设计成耦合串路小单元，虽不能减小产品串路失效的概率1-kn，但耦合器的STUB互相独立分开，这样可以减少单个耦合串路单元失效时产品返工的复杂性，不用整体拆卸，仅仅对失效的单个STUB进行返工即可。从图2可以看出，A1、A2、A3及B1、B2、B3分别处于相同势，地位平等，均可称为总线端，只是平时将接短截线的称为了短截线端。

按此构想，耦合器可分为两大部分，一部分为

总线盒，将总线端数量设计为3～10个(除去2个保留做总线端用于总线网络扩展外，其他用于连接1～8个短截线终端设备)，类似于图2所示的A1～A3和B1～B3。设置一高一低两个势，每个总线端采用同轴结构(或其他适用的)连接器作为标准接口，所有中心导体接高势，中间导体接低势。另一部分就是图3所示的耦合串路小单元，因其两端是通过耦合变压器而连接，具有耦合、放大的功能。因此，耦合串路小单元也可称为耦合放大器或耦合放大组件。其BUS端采用与总线盒所用同轴连接器配套使用的连接器端接，STUB端设计成现有1553B常用的接触件或连接器，如8#双同轴屏蔽接触件、DK-621连接器、J49142(PL75)等多种形式接口。两大部分组合，可以形成多种节点、多种接口形式的多样化产品，满足不同用户的不同需求。

两大部分结构示意见图4。其中，方框代表连接器，黑点代表线缆之间的连接点，其余未标黑点交叉处代表隔离，虚线框代表封装边界。

图4　总线盒(左)与耦合放大器(右)结构示意图

4对比分析

组合式耦合器在原有结构基础上，打破了常规思路，实现结构的创新，以可连接与分离的方式进一步降低产品的返工返修难度，具有现实生产意义。分别从产品加工到测试验收一直到交付用户使用等整个过程，以及产品成本等方面与现有结构进行对比分析：

4.1　产品加工过程

目前，耦合器主要是为1553B数据总线配套的，单独使用的情况较少，而目前的1553B数据总线图纸也是根据用户需求而生成，通用性几乎为零，只有先与用户沟通到位，等待设计出图，给出型号与具体图纸，才能开始下计划生产，生成订单后才能知晓订单配套是否缺件，缺多少，同时在执行生产订单时若因某个零件或部件在加工过程或装配过程报废或返修，整个产品只能等待新的零件到位才能继续装配。这是一体化装配的缺陷，也是很多产品面临的难题，产品加工周期较长。

而组合式耦合器分为了两个模块，单一的结构显得更加简单，需要的零部件相对变少，且通用性特别强，可以根据使用情况先进行预加工，一旦产生订单，只需领取对应数量的部件进行组装或散件供货，即使在加工耦合器时遇见原材料缺件，不足以配套整个产品时，也可根据缺件情况先进行部件的装配，不必等待原材料全部到位才开始执行。用户需求1553B数据总线新产品时，设计员只需出总的产品图，生产订单生成后选择库存部件进行简单的组装和整体测试，结果合格即可交付用户，时间相对少很多。相对现有结构，组合式因分开加工，而不可避免的会出现部件完工入库和配套出库等周转过程的情况。

3.1　产品测试过程

产品只有完成最终测试才能交付用户，GJB5186.7对耦合器规定了连续性、介质耐压、绝缘电阻基本电气性能，及满足GJB289A数据总线总规范所规定的特性测试：波形完整性、共模抑制及动态性能测试等项目。

前三项基本电气性能两种结构均可满足，均有过程检测和成品总检两大保险。而GJB5186.7规定波形完整性仅适用于单子线盒式耦合器，对于多子线耦合器或线式耦合器，耦合变压器和隔离电阻应作为单独的元器件，应在耦合器装成成品前进行测试，具体要求见GJB5186.7的5.1.4.2条规定，如图5所示。

图5　GJB5186.7中规定的波形完整性要求及图示

可以从规定中看出，对于现有结构的国内外产品，除单子线盒式耦合器外均不能测试此项目，而组合式耦合器的耦合串路小单元与GJB5186.7的规定有“异曲同工”之处。在图3所示的STUB端按图5要求串联360Ω及信号源就成了图5所示的结构，可以满足测试要求。增加测试项目可以评估产品的可靠性高低及品质的高低。

共模抑制与动态性能测试项目对两种结构影响不大，均可测试。值得一提的是，动态性能指标，短截线至主电缆信号测试项目要求测试主电缆输出波形的上升和下降时间，这条与波形完整性类似，仅适用于盒式耦合器，对线式耦合器应在装配成品前进行测试，可能是考虑到主电缆上线缆长度对波形有一定的影响，对现有结构线式耦合器来说不能准确的保证此条要求。因此，GJB5186.7编制人员才有此一说。组合式耦合器的耦合串路小单元未接线缆，可以满足该项测试的要求，这样也可以更加方便的测试。

4.2　产品交付用户

产品交付用户前应进行包装。目前，1553B数据总线产品为整体式结构，通过盘绕方式放入合适的纸箱。然而，产品较为复杂时，线缆一般较长、节点较多，用户使用时散开产品可能会出现交叉、散乱、打结等现象。组合式耦合器组装成总线时，只需通过普通的跳线(一条线缆两端接连接器而形成的组件)连接BUS端口即可，可以根据部件种类不同进行分类包装，再发往用户，用户使用时按产品包装物上标识进行简单的连接组合即可。

另外，若当用户发现某条短截线功能失效，不能正常工作了，只需将失效的短截线拆卸，返回生产商返工或重新订购，整个流程更加简单和方便。另外，对于组合式耦合器及总线产品，可以随意调换短截线的位置，这对于用户想调换终端设备在整个网络中的位置成为可能(对于整体式短截线长度一般小于3m，因此终端摆放位置范围狭隘，组合式结构可以实现短截线从一个耦合器移到另一个耦合器上)。另外，用户还可以增加设备。这是整体式结构所难以实现的。

4.3　产品成本对比

从两者的结构可以看出，因连接与分离的需要，组合式耦合器比整体式耦合器结构上多增加了一些连接器，相应的也增加了产品的成本，这是组合式耦合器不可避免的缺陷。前面提到的耦合器是用于1553B数据总线网络的建设，当1553B数据总线产品做成整体式，除了STUB端可端接终端设备外，一般是没有可自由拆卸的点。这样一来，从生产者和用户角度共同考虑，一旦产品出现功能障碍需要返工返修(或报废)时，带来的后果是需要整体带回公司拆卸返工，且返工(或重新加工)需要的周期一般较长，这段时间用户将不能使用1553B数据总线产品以及该产品所构建的整个网络。针对这种情况，目前的解决方案之一，也是国外常用的，设计成双裕度(或多裕度)的1553B数据总线，所连设备面板上设计成两个(或多个)接口并存，若发生当前1553B数据总线产品功能障碍，系统自动切换的其他的预留总线，再对问题产品进行返工等处理，这样也可以达到提高系统可靠性的目的。不过，随之而来的是双倍甚至多倍的成本，因此提出组合式结构可以给用户提供一个选择，备用部分的总线盒及耦合放大器也是可行的，成本较双裕度的总线要低得多。

5总结

对耦合器产品以及1553B数据总线产品来说，组合式结构的提出是一种全新的概念。从对比分析可以看出，优势多于劣势，尤其是在产品加工实现过程的库存部件和快速组装的思路，快速的交付产品会很大程度上增加用户的满意度。因此，该结构具有现实的生产意义。当然，更换需要人为来实现。所以，该结构也有其使用领域的局限性，如导弹、卫星、火箭发射控制、飞机等领域。这类无人环境，或可靠性要求极高不允许丝毫差错，或来不及更换的情况，依然推荐使用双裕度(或多裕度)整体式的1553B数据总线产品，但此类领域在前期的试验过程、设备布局调整过程，可以推荐组合式产品先进行布局的调整阶段，一旦确定下来之后，再做成整体式用于上述特殊环境。总体来说，组合式结构具有一定的推广意义。

参考文献：

[1]王世奎，黄永葵等. 数字式时分制指令/响应型多路传输数据总线测试方法 第5部分：系统测试方法. GJB 5186.5-2004.

[2]王世奎，黄永葵等. 数字式时分制指令/响应型多路传输数据总线测试方法 第7部分：数据总线耦合器、终止器、电缆测试方法.GJB 5186.7-2005.

工艺与材料

中图分类号：TN784

文献标识码：A

文章编号：1000-6133(2015)02-0020-05

Doi:10.3969/j.issn.1000-6133.2015.02.005

收稿日期：2015-02-17