故障注入试验系统校准方法探讨

梁琼崇，丁翔，李升春

（工业和信息化部电子第五研究所，广东广州510610）

故障注入试验系统校准方法探讨

梁琼崇，丁翔，李升春

（工业和信息化部电子第五研究所，广东广州510610）

院1553B数据总线故障注入试验系统是验证总线设备的可靠性的重要设备遥提出一种能对试验系统的各种类型的故障参数进行校准的校准方法，阐述了校准原理尧步骤和框图，并给出了校准实例的数据遥此外，还对作者研制的校准转换器和总线信号产生与分析系统作了简单的说明遥

院数据总线曰故障注入试验系统曰校准曰总线信号产生与分析系统

0 引言

1553B总线抗干扰能力强尧可靠性高，是飞机上使用的最重要的总线[1]遥为了考核数据总线在恶劣环境中的工作能力，近年来相关研究人员开始了对总线可靠性试验方法的研究，主要有两个方向:工作环境仿真和模拟故障注入测试[2]遥仿真法效率高，可在前期对系统设计进行初步的评估曰故障注入试验的可信度高，可对样机或产品的可靠性进行考核，其可以产生各种总线故障，通过观察总线设备对所注入故障的反应，得到确切尧可靠的总线抗干扰能力的试验结果遥

本文的目的是研究故障注入系统的校准方法，尝试解决量值溯源问题遥

11553 B数据总线简介

1553B总线是美国军方专为飞机上的设备而制定的一种信息传输总线标准，另有多个国家及其企业也规定了自己的总线标准，我国的飞机也使用1553B（GJB 289A）总线进行数据传输，其是航空工业最重要的总线标准之一[3-5]遥1553B采用时分协议，有A尧B两个通道遥总线电缆采用带屏蔽的3轴同轴线，采用差分信号传输，总线拓扑结构如图1所示遥

图1 1553B数据总线拓扑结构图

2 总线故障注入试验系统简介

1553B总线故障注入试验系统由3个模块组成，分别是物理层处理模块尧电气层处理模块和协议层处理模块，其原理框图如图2所示遥

图2 1553B总线故障注入试验系统原理框图

a）物理层处理模块

模拟总线物理连接的开路尧短路故障遥

b）电气层处理模块

模拟总线所发送的信号波形受干扰引起的波形畸变故障遥这时总线信号从输入端馈入，试验系统对信号的波形进行故障模拟后，从输出端的数据总线中输出遥模拟的故障有:串联电阻改变尧并联电阻改变尧脉冲信号幅度改变尧占空比改变尧上升/下降沿改变尧毛刺叠加和总线延时改变等遥

c）协议层处理模块

模拟总线所传输的数据在放大尧处理和传输中受干扰引起的比特位（同步尧命令或消息）改变故障遥故障类型如表3所示遥

3 校准方法研究

3.1 并联/串联电阻设定值的校准

具体的操作步骤如下所述遥

a）仪器的连接如图3-4所示遥数字多用表通过1553B总线校准转换器与被校故障注入系统相连遥按不同的并联/串联电阻模式，把数字多用表的表笔H和表笔L接到总线的正尧负或地线上，如表1-2所示遥

b）在被校故障注入系统上，按需求设置并联/串联电阻值，启动电阻测量功能进行测量遥

表1 并行电阻校准的数字多用表接线表

表2 串行电阻校准的开关位置表

图3 并联电阻设定值的校准框图

图4 串联电阻设定值的校准框图

3.2 脉冲电压幅度设定值的校准

具体的操作步骤如下所述遥

a）仪器的连接方式如图5所示遥被校故障注入系统输入端与总线信号产生与分析系统（发端）通过变压耦合器相连，输出端通过总线校准转换器与示波器相连遥

b）在总线信号产生与分析系统上建立RT1到RT2的通信，传输数据为5555H（波形为方波）遥因为1553B采用曼彻斯特II型双相电平码，传输数据为5555H可得到方波信号，方便测量遥

c）在被校故障注入系统上，按需求设置脉冲幅度值曰在示波器上，激活通道A尧通道B和算法通道M，并且M=A-B，然后测量此量差分信号M的值遥

图5 脉冲电压幅度/斜率/占空比/毛刺校准框图

3.3 占空比设定值的校准

具体的操作步骤如下所述遥

a）仪器的连接方式如图5所示遥

b）按3.2节操作，获得M通道波形，用示波器占空比测量功能测量总线波形的占空比遥

3.4 上升沿斜率设定值的校准

具体的操作步骤如下所述遥

a）仪器的连接方式如图5所示遥

b）按3.2节操作，然后分别测量脉冲电压幅度和上升时间，按下式计算斜率:

式（1）中:SP要要要脉冲信号斜率，V/滋s曰

Vpp要要要脉冲信号电压幅度，V曰

tr要要要脉冲信号上升时间，滋s遥

3.5 信号延时设定值的校准

具体的操作步骤如下所述遥

a）仪器的连接方式如图6所示遥

b）在总线信号产生与分析系统上建立RT1到RT2的通信，传输数据为5555H遥

c）在被校故障注入系统上，按需求设置总线的延时值遥

d）在示波器上，激活通道A和通道B，触发设为正常，同步到通道A，然后测量两通道的延时时间遥

图6 总线延时的校准框图

3.6 毛刺宽度设定值的校准

由于同步信号对总线来说非常重要，所以毛刺模拟信号通常叠加到同步头的上升沿上，这使得毛刺模拟信号的校准测量变得非常困难遥作者采用求叠加后信号减去叠加前信号之差的方法，恢复毛刺波形，然后测量其宽度遥

具体的操作步骤如下所述遥

a）仪器的连接方式如图5所示遥

b）按3.3操作，在被校故障注入系统上，按需求设置毛刺宽度值遥

c）用示波器分别记录未加毛刺的波形和加毛刺后的波形，得到2个波形文件（后缀为.csv）遥

波形文件记录了所有采样点的电平值，采样序号乘以采样时间等于时间轴的值遥波形文件可以用Excel或Matlab软件打开遥用Excel软件打开后，用加毛刺波形数据减去未加毛刺波形数据可以得到毛刺信号曰然后，用折线图绘制成曲线图，所得的结果如图7-9所示，图中的横坐标为示波器的采用点序号遥

示波器显示一个完整的信号周期，包括命令字尧数据字和消息字遥为了测量位于上升沿的毛刺信号，有必要把上升沿中的部分数据截取出来遥截取的原则是应包含上升沿前后至少1个振铃遥图中截取的就是这个部分的数据遥

由于例子中的毛刺预冲较大，振铃时间较长，给确定半幅度点带来了困难，为此作者尝试采用以下两种方法予以解决:

1）不理会基线位置，以上峰值的一半作为半幅度点来确定毛刺的宽度曰

2）截取波形上半部分的数据（近似sinX/X），用Matlab软件进行最小二乘法拟合，并计算其半宽度曰

实验结果表明，两者之间的差异在2%以内，可以满足实用需求遥表3的实例数据为方法2的结果遥

图7 未加毛刺的信号上升沿段波形

图8 加毛刺后的信号上升沿段波形

图9 差信号（加毛刺-未加毛刺）波形

3.7 协议层故障模拟功能检查

协议层故障模拟是故障注入试验系统重要的功能，它能有效地评估1553B总线设备对故障协议的响应能力，校准步骤如下所述遥

a）仪器的连接方式如图10所示遥被校故障注入系统通过耦合器与总线信号产生与分析系统的RT1（发）相连遥

图10 协议层故障设定功能检查框图

b）在总线信号产生与分析系统上建立RT1到RT2的通信，并进行数据传输遥

c）在被校故障注入系统上，设置协议层故障遥对于故障系统的每个故障功能，总线信号产生与分析系统总线应能检测到相应的故障，否则判断被校故障注入系统功能不正常遥

41553 B总线信号产生与分析系统的研制

在校准设备中用到的总线校准转换器和总线信号产生与分析系统，都由作者研制遥

在校准电器层故障时，需要给被测故障注入系统加入总线信号曰在检查协议层故障功能时，不但要馈入总线信号，还要对协议故障进行分析遥根据此需求，作者研制了一套1553B总线信号产生与分析系统遥

总线信号产生与分析系统的硬件包括NI公司的1062Q型PCI-e虚拟仪器控制器尧ATI公司的1553B型板卡和个人计算机曰软件则由作者使用Labview软件编写，用于实现总线信号产生尧总线信号分析和故障注入功能遥

51553 B总线信号产生与分析系统操作界面

总线信号产生与分析系统分为4个功能模块，分别是:消息发送模块尧故障注入模块尧RT接收信息模块和BM检测信息模块，其操作界面如图11所示遥

图11 1553B总线信号产生与分析系统操作界面

使用时按以下操作步骤发送消息并监控总线故障:

a）在文件路径输入驱动控件中输入配置好的文件，图中是野D:1553B Insert Cal冶曰

b）选择控制通道（BC Channel），图中选择通道1作为控制通道曰

c）在发送数据中设置RT通道和需要发送的数据，图中选择了0通道发送，发送数据为5555H尧FFFFH尧ABCDH尧1234H和A1B2H曰

d）在发送字长中设定要发送的字数，图中选择了3，也就是只发送5555H尧FFFFH和ABCDH曰

e）点击野单次发送冶或野循环发送，野单次发送冶只发一次即停止，野循环发送冶则不停止曰

f）最后，按野开始冶，程序即开始执行，发送数据的同时，监测总线故障，即时告警显示遥

各种模块的工作界面如图12-15所示遥

图12 消息发送工作界面

图13 故障注入控制工作界面

图15BM监测信息显示工作界面

6 校准应用实例

表3中的数据是用本项目建立的系统对1553B总线故障注入试验系统进行校准的数据遥

1串行阻抗（指标:依（5%*设定值+2赘））

表3 校准结果的数据渊部分冤

2并行阻抗（指标:依（5%*设定值+2赘））

短路模式动作设定值（Z/赘）标准值（Z/赘）误差（Z/赘）允许误差（Z/赘）结论（P/F）U（k=2）（Z/赘）正-地正常/＞10 M赘/＞10 M赘P/执行01.54-1.54依2.00P0.011 12.56-1.56依2.05P0.011 17 435 17 42411依874P35正-外负-地负-外正-负17 435 17 435 17 435 17 435 17 423 17 424 17 423 17 423 12 11 12 12依874依874依874依874 PPPP 35 35 35 35

3脉冲电压幅度（指标:依（5%*设定值+0.1））

动作标称值（V/V）标准值（V/V）误差（V/V）允许误差（V/V）结论（P/F）U（k=2）（V/V）停止5.0004.4800.520//0.050执行1.0001.060-0.060依0.070P0.010 2.0002.018-0.018依0.120P0.020 5.0005.440-0.440依0.270P0.050

4脉冲占空比（指标:依（10%*设定值+2%））

动作标称值/%标准值/%误差/%允许误差/%结论（P/F）U（k=2）/%停止50.049.220.78//1.00执行37.035.161.84依5.70P0.74 73.064.838.17依9.30P1.46

5上升沿斜率（指标:依（30%*设定值+0.1））

动作标称值标准值误差允许误差结论U（k=2）（V/μs）（V/μs）（V/μs）（V/μs）（P/F）（V/μs）停止17.6017.580.02//0.35 SL033.2033.23-0.03依10.06P0.66 SL414.4014.43-0.03依4.42P0.29

6叠加的毛刺宽度（指标:依（10%*设定值+5 ns））

动作标称值/ns标准值/ns误差/ns允许误差/ns结论（P/F）U（k=2）/ns停止02.5-2.5依5.0P1.0 BS04037.2-2.8依9.0P1.8 BS1 BS2 60 80 56.4 74.2 -3.6 -5.8依11.0依13.0 PP 2.2 2.6

7总线信号延迟（指标:依（1.0滋s））

动作标称值/滋s标准值/滋s误差/滋s允许误差/滋s结论（P/F）U（k=2）/滋s停止0.000.001 2 0.001 2依1.000P0.010执行0.000.924-0.924依1.000P0.010 1.00 20.00 1.924 20.92 -0.924 -0.920依1.000依1.000 PP 0.011 0.080

8协议层故障

序号检查项目被检设备的设置检测响应结论1命令字奇偶校验故障（RT设备）停止/启动正常/故障符合2数据字奇偶校验故障（RT设备）停止/启动正常/故障符合3命令字同步头反响（RT设备）停止/启动正常/故障符合4数据字同步头反响（RT设备）停止/启动正常/故障符合5发送数据字计数故障停止/启动正常/故障符合6地址子地址消息替换（RT设备）停止/启动正常/故障符合7数据消息流替换（RT设备）停止/启动正常/故障符合8相应错误RT地址（BC设备）停止/启动正常/故障符合9状态字奇偶校验（BC设备）停止/启动正常/故障符合10数据字奇偶校验（BC设备）停止/启动正常/故障符合11状态字同步头反向（BC设备）停止/启动正常/故障符合12数据字同步头反向（BC设备）停止/启动正常/故障符合13特定数据流替换（BC设备）停止/启动正常/故障符合

7 结束语

经试验验证，本文提出的1553B总线故障注入试验系统校准方法可行，测量不确定度可以满足要求，有效地解决了故障注入试验系统的量值溯源问题遥对其他总线故障注入系统，如ARINC429尧RS-232/422/ 485等总线故障注入系统的校准有启示作用遥

院

[1]陈伟，蒋范明.基于1553B总线接口的星载机构驱动器设计[J].电子产品可靠性与环境试验，2016，34（5）:34-41.

[2]王青麾，王魁.基于Pspice的电路故障注入仿真分析方法研究[J].电子产品可靠性与环境试验，2011，29（2）:57-59.

[3]连盟，李学锋.1553B总线故障注入测试方法研究[J].航天控制，2012，30（2）:88-92.

[4]赵加凤.1553B总线故障模拟装置研制[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学，2012.

[5]张世兵，苗克坚.基于1553B总线的BU-61580芯片测试系统的设计与实现[J].电子设计工程，2013，21（3）:85-89.

Discussion on the Calibration Method of Fault Injection Test System

LIANG Qiongchong，DING Xiang，LI Shengchun
（CEPREI，Guangzhou 510610，China）

1553B data bus fault injection test system is an important device to verify the reliability of the bus equipment.A calibration method which can calibrate the various types of fault parameters of the test system is put forward.And the calibration principles，steps and block diagrams are described，and the data for the calibration examples are given.Besides，the calibration converter and bus signal generation and analysis system developed by the author are introduced briefly.

data bus曰fault injection test system曰calibration曰bus signal generation and analysis system

院TP 336

院A

院1672-5468（2017）03-0017-07

10.3969/j.issn.1672-5468.2017.03.004

院2016-10-09

院梁琼崇（1949-），男，海南海口人，工业和信息化部电子第五研究所计量检测中心高级工程师，主要从事高频阻抗、天线与场强、数字通讯、微波阻抗、微波功率和视频参数等计测技术的研究工作。