Анализ сигналов стандартов MIL-1553 и Arinc-429 с использованием осциллографов компании Rohde&Schwarz

Введение

Передача информации является крае-угольным камнем в современной электронике, в особенности в крупных радиосистемах. По широте распространения все стандарты передачи данных можно условно разделить на глобальные и локальные. Основные технические отличия стандартов этих категорий вытекают из их назначения. Как правило, стандарты глобального пользования, например Ethernet [1], предназначены для передачи больших объемов данных с высокими скоростями в сетях с сильно разветвленной структурой и большим количеством равноправных источников и потребителей информации. Такие сети, как правило, характеризуются универсальностью в части передаваемой информации, а также сравнительно невысоким уровнем ответственности.

Стандарты локального назначения обычно используются для построения малых, локализованных по месту размещения сетей передачи данных и предназначены, в частности, для управления производственной линией, для сбора информации с группы датчиков и т. д. Они обычно имеют унифицированный формат данных, в том числе в виде машинных слов с фиксированным количеством разрядов. Такие сети не предназначены для передачи информации на больших скоростях и предполагают использование ограниченного количества приемо-передающих устройств на одной шине, в которой не предусмотрено активных усилительных либо разветвляющих звеньев. Стандарты локального назначения отличаются существенно более узкой областью использования и весьма часто более высокой ответственностью передаваемых данных. Примерами являются протокол I²C [2], а также стандарты MIL‑1553 и Arinc‑429, о которых и пойдет речь далее.

Стандарт передачи данных MIL‑1553 распространяется на магистральный последовательный интерфейс с централизованным управлением, применяемый в системе электронных модулей. Изначально он разработан по заказу военного ведомства США для применения в бортовой авионике, но позднее спектр его использования существенно расширился, и он стал действовать и в гражданских системах. Аналогичный стандарт используется и в нашей стране, требования к нему устанавливает ГОСТ Р 52070-2003 [3].

Стандарт Arinc‑429 также разрабатывался для применения в авионике, но гражданского назначения. На сегодня это основной стандарт передачи данных в радиоэлектронных системах гражданских самолетов и вертолетов. В Российской Федерации также имеются аналогичные документы — ГОСТ 18977-79 [4] и специальное дополнение [5]. Далее будут описаны стандарты MIL‑1553 и Arinc‑429 в оригинальном виде как имеющие обще-мировое распространение.

Стандарты MIL‑1553 и Arinc‑429 целесо-образно рассматривать совместно, несмотря на наличие некоторых расхождений в протоколах передачи данных, поскольку они имеют сходные технические решения и назначение. Их применение в авионике подразумевает, что построенные на них локальные сети передачи данных обладают в первую очередь высокой надежностью и для ее обеспечения необходима тщательная отладка аппаратно-программных решений. Такие возможности, как показано ниже, предоставляют современные средства измерений.

Структурная схема технических средств с интерфейсами MIL‑1553 и Arinc‑429

Интерфейс MIL‑1553

Основная особенность интерфейса заключается в применении двух физических каналов передачи данных, каждый из которых можно рассматривать как работающий в горячем резерве [3]. Техническими средствами, подключаемыми к такой двухканальной шине, являются контроллер шины, абонентские (оконечные) устройства (ОУ) в количестве до 31 штуки, а при необходимости и монитор шины (рис. 1).

Рис. 1. Подключение устройств к шине передачи данных по стандарту MIL-1553

Основная функция контроллера — управление ОУ и координация процесса передачи данных в шине, в том числе по внешним командам от устройств более высокого уровня иерархии, а также устранение конфликтов между ОУ. Для такого управления контроллер использует команды из списка, размещаемого в своей внутренней памяти. Он обрабатывает запросы, выдаваемые оконечными устройствами, осуществляет мониторинг ошибок передачи данных и восстановление истинности. Если это предусмотрено, контроллер может вести специальный журнал регистрации ошибок, что упрощает отладку и диагностику устройств авионики.

Каждое оконечное устройство в составе шины не только принимает команды от контроллера шины, отвечает на запросы и исполняет его команды, но и обеспечивает организацию моста между двумя шинами. Такой подход позволяет сохранить передачу данных даже при физическом обрыве каждой шины. В отдельных случаях ОУ дублируют друг друга для повышения надежности передачи информации. Контроллер должен иметь два независимых дублирующих канала для подключения к шине.

Особым элементом системы передачи данных является монитор шины, который, по сути, представляет собой оконечное устройство без права выдачи сообщений в линию. Его роль заключается в записи всех передач, осуществляемых в шине, что также используется в диагностических и отладочных целях.

Физические соединения в шине реализуются парой линий передачи с волновым сопротивлением 70–85 Ом, например коаксиальных кабелей. Наиболее часто для этого используется коаксиальный кабель с двумя экранами: внешний из них заземляется и предназначается для экранирования от радиопомех, а внутренний — для протекания возвратного тока. Оконечные устройства подключаются к каждому каналу шины так, как показано на рис. 2, — с помощью высоко-частотной трансформаторной развязки, незадействованные подключения заглушаются аналогичной схемой для обеспечения согласования в шине. Такое подсоединение уменьшает влияние неисправности в виде короткого замыкания на стороне оконечного устройства и, что важнее, устраняет любые постоянные смещения, способные нарушить прием сигналов в манчестерском коде.

На практике к шине MIL‑1553 оконечные устройства могут подключаться с согласующим трансформатором (рис. 2 слева) или без него (рис. 2 справа).

Рис. 2. Подключение устройств к каналу шины передачи данных MIL-1553

Наличие согласующего трансформатора препятствует возникновению нежелательных эффектов в линии в форме отраженных волн, колебательных процессов и т. д.

На рис. 2 для каждой из схем отмечено так называемое контрольное сечение А, в котором определяют электрические и временные параметры ОУ. Например, стандарт [3] предусматривает исполнение команды на установку ОУ в исходное состояние за время не более 5 мс. Проверка выполнения этого требования осуществляется подключением контрольно-измерительного оборудования к точкам схемы в сечении А.

Поскольку используемый в стандартах манчестерский код является самосинхронизирующимся, то установлен допуск на долговременный и кратковременный дрейф скорости передачи данных, которые составляют соответственно 0,1 и 0,01% при номинальной скорости передачи 1 Мбит/с. Размах напряжения для всех подключенных к шине MIL‑1553 устройств в стандартном случае составляет 18–27 В.

С учетом названных особенностей интерфейса MIL‑1553 можно установить, что при отлаженной работе аппаратной части приемо-передающих устройств наиболее возможными причинами нарушения передачи данных будут искажения сигналов на ответвлениях, а также помехи и потенциально возможные программные ошибки.

Интерфейс Arinc‑429

Интерфейс строится на основе одной двухпроводной линии передачи [6]. Резервирование второй линией не предусмотрено. Выделяют два типа технических средств, подключаемых к шине, — передатчики и приемники, причем их количество должно быть не более 1 и 20 штук соответственно, и это определяет одностороннюю передачу данных в сети (симплекс). Для организации двухсторонней передачи данных стандарт [7] допускает присутствие двух и более разделенных шин.

Использование двух типов устройств предельно упрощает организацию передачи данных в шине (рис. 3), но существуют разные варианты соединения элементов сети [7].

Рис. 3. Схемы подключения устройств по стандарту Arinc-429:
а) «звезда»;
б) с общей шиной
в) с двумя связанными общими шинами

Наиболее широко распространенной считается топология «звезда», при которой каждый приемник подсоединяется к передатчику отдельным кабелем без ответвлений (рис. 3а). Альтернативный вариант — общая шина для всех устройств (рис. 3б). Если требуемое количество приемников более двадцати, возможно использование двух и более шин (рис. 3в), причем приемники соединяются линией связи, обеспечивающей дуплексное отправление данных для передачи подтверждения получения информации ведомыми передатчиками.

Функции приемников и передатчиков по стандарту Arinc‑429 значительно скромнее, чем в MIL‑1553. Передатчик может передавать данные одному или нескольким приемникам одновременно, причем приемники не подтверждают их получение. В приложениях, требующих подтверждения передачи данных, обязательно применение дополнительной сети. Приемник способен только принимать машинные слова.

Физические соединения в шине выполняются экранированной витой парой с волновым сопротивлением 78 Ом. Экран витой пары заземляют во всех точках подключения устройств к шине. Выходной импеданс передатчика составляет (75 ±5) Ом по каждому проводнику витой пары. Приемники должны иметь входной импеданс не менее 8 кОм. Предельная длина шины зависит от количества приемников на ней, но гарантированно превосходит 40 м, и этого достаточно для подавляющего большинства гражданских и транспортных воздушных судов. Существует только один вариант подключения приемников к общей шине — с помощью несогласованного ответвления (рис. 4). При измерениях контроль электрических параметров выполняют непосредственно в точках подключения устройств к шине. На рис. 4 показано соответствующее контрольное сечение.

Рис. 4. Подключение устройств к шине передачи данных Arinc-429

Для передачи данных предусмотрено использование одной из двух битовых скоростей — 12,5 или 100 кбит/с. На предельную скорость передачи установлен допуск ±1% для обеспечения синхронизации. Стандарт [7] предусматривает использование импульсных сигналов, фиксированные логические уровни которых соответствуют +9…+11 В; –0,5…+0,5 В, –11…–9 В на выходе передатчика и +6,5…+13 В; –2,5…+2,5 В; –13…–6,5 В на входе приемника (высокий, нулевой и низкий уровень). Простота подсоединения аппаратных средств интерфейса Arinc‑429 к шине и низкие скорости передачи практически исключают влияние соединений на качество передачи сигналов. Основной причиной нарушения передачи данных в данном случае становятся программные ошибки.

Анализ функций и принципов соединения технических средств стандартов MIL‑1553 и Arinc‑429 позволяет сделать вывод о достаточной надежности используемых технических решений, однако высокая ответственность в области их применения, а также сложность бортовых авиационных систем не только не отменяют необходимость их отладки в процессе производства, но и еще больше ее актуализируют. Для определения приемлемых инструментальных методов анализа соответствующих сигналов рассмотрим структуру передачи информации по этим стандартам.

Структура передачи информации по стандартам MIL‑1553 и Arinc‑429

Интерфейс MIL‑1553

В схеме на рис. 1 обычно один из каналов шины является основным, и подключенная к нему часть контроллера шины иници-ирует обмен информацией и управляет ее отправлением. Для передачи информации в шине используется манчестерский самосинхронизирующийся код с фиксированной скоростью передачи. Сигнал биполярный и статистически не содержит постоянной составляющей. Последовательность переходов от одной полярности к другой поясняется на рис. 5.

Рис. 5. Принцип формирования сигналов стандарта MIL-1553 в манчестерском коде и стандарта Arinc-429 в RZ-коде

Логическая единица передается импульсным переходом от высокого уровня к низкому, логический ноль — за счет обратных переходов, осуществляемых в середине интервала передачи бита. Синхронизация реализуется благодаря частым переходам между высоким и низким уровнями сигнала, что помогает поддерживать стабильную тактовую частоту при обработке машинных слов в подключенных к шине устройствах. Стандартная длительность передачи 1 бит составляет τ = 1 мкс.

Передача информации по рассматриваемому протоколу предполагает работу физических шин в полудуплексном режиме, при котором передача каждого машинного слова от контроллера к любому абоненту сопровождается подтверждением его получения. В стандарте MIL‑1553 любая информация передается в виде машинных слов длиной 20 бит. Различают командные слова (КС), слова данных (СД) и ответные слова (ОС) оконечных устройств. Разные типы слов отличаются по своей структуре.

Общим у всех слов является содержание одинакового синхросигнала в разрядах 1–3 бит контроля четности в разряде 20. Синхросигнал состоит их двух временных участков длительностью по 3τ/2 каждый, на первом из них напряжение в шине имеет высокий уровень, а на втором — низкий. Сигналы для передачи последующих разрядов формируются в соответствии с рис. 5. Разряд контроля четности должен принимать такое значение, чтобы сумма 17 информационных разрядов в любом слове была нечетной.

Далее дадим краткие пояснения по структуре слов разного вида. В командном слове поле «Адрес оконечного устройства» может быть заполнено любой комбинацией, соответствующей адресу ОУ, причем адрес «11111» используется для рассылки всем абонентам шины. Разряд К предназначен для сообщения ОУ действия над словом данных в виде передачи («1») или приема («0»). Битовая комбинация в полях 10–14 указывает на подадрес передачи команды внутри ОУ или на режим ее исполнения (например, тестирование ОУ, прием определенного количества СД и т. п.). Следующие 5 бит кодируют количество передаваемых СД, которые должны быть переданы или приняты ОУ в соответствии с данным КС. Максимальное количество СД — 32 штуки. Другой возможностью использования 15–19 бит в КС является непосредственное кодирование команды управления, подлежащей исполнению ОУ. Подробно такие команды рассмотрены в [3].

В состав слова данных входят 16 информационных бит, поле адресации отсутствует. Поэтому СД не передаются без КС. Как показано на рис. 6, ответное слово содержит адрес ОУ, а также характеристику результата обработки КС и/или СД.

Рис. 6. Битовые диаграммы машинных слов стандарта MIL-1553

В случае недостоверности принятого сообщения (КС или СД) в 9‑м разряде устанавливается логическая единица. В 10‑м разряде всегда устанавливается логический ноль. Если ОУ отправляет запрос на обслуживание, то в 11‑м разряде передается логическая единица. Разряды 12–14 зарезервированы для дальнейшего развития стандарта, в них могут передаваться произвольные биты. Прием групповой команды, передаваемой одновременно нескольким ОУ, подтверждается логической единицей в 15‑м разряде. Если абонент занят и не имеет возможности по запросу контроллера шины передавать СД, то в 16‑м разряде устанавливается логическая единица. В случае выявления по результатам самодиагностики неисправности абонента, подключенного к ОУ, либо самого ОУ в 17‑м или 19‑м разряде передается логическая единица. Если ОУ приняло на себя управление интерфейсом, по сути став контроллером шины, то в 18‑м разряде передается логическая единица. Последовательность передачи машинных слов разного назначения в шине определяется алгоритмом работы ОУ и характером передаваемых данных.

Таким образом, стандарт MIL‑1553 обеспечивает надежную передачу команд и данных с подтверждением получения, как того и требует область его использования.

Интерфейс Arinc‑429

Ни одно из подключаемых к шине устройств не управляет процессом передачи данных, которая осуществляется при помощи так называемого RZ-кода (Return to Zero). Принцип его формирования пояснен на рис. 5. Важно подчеркнуть, что передаваемое логическое состояние определяется разностью сигналов в дифференциальной линии, поэтому у передатчика сигналов можно выделить инвертирующий и неинвертирующий выход. На рис. 5 показано формирование сигналов на неинвертирующем выходе. Фронты и спады импульсов могут иметь длительность до 0,075τ. Значение  τ составляет 80 или 10 мкс для скоростей 12,5 и 100 кбит/с соответственно. Логическая единица передается импульсным переходом от нулевого к высокому уровню с последующим возвратом к нулевому через 0,5τ, логический ноль — аналогично, но с использованием низкого уровня. Синхронизация осуществляется за счет того, что передача любого бита завершается интервалом с нулевым уровнем напряжения.

Передача информации физической шины в симплексном режиме

Стандарт Arinc‑429 ориентирован только на передачу данных, которые могут быть двоичными или буквенно-цифровыми в двоичном коде, однако на распределение полей в машинном слове это влияния не оказывает. Машинные слова имеют длину 32 бит (рис. 7) и включают метку (разряды 1–8), идентификатор источника информации/адресата (разряды 9–10), данные (разряды 11–29), определитель назначения/формата данных (разряды 30–31), бит контроля четности (разряд 32). Обязательны в структуре машинного слова только метка и бит контроля четности, поэтому в одном слове может передаваться до 23 бит данных. Изменение длины передаваемого слова не допускается, бит контроля четности устанавливается таким, чтобы сумма всех бит в слове была нечетной. Старшим битом при передаче машинного слова является бит четности, поэтому оно передается в обратной последовательности относительно нумерации по разрядной сетке. Причем в любом поле младший бит передается первым.

Рис. 7. Битовая диаграмма машинного слова по стандарту Arinc-429

Метка машинного слова может содержать указание типа передаваемой информации, а также элементы для командного управления. Идентификатор источника информации/адресата не обязателен к использованию, однако на основе этих данных приемник принимает решение об обработке или отклонении передаваемых данных. Определитель назначения/формата данных служит для определения способа обработки данных.

Как следует из рассмотренного выше, стандарт Arinc‑429 отличается простотой передачи данных и не предусматривает подтверждения их получения. Подключенные к шинам приемники сами принимают решение об использовании и способе обработки полученных данных. Команды как таковые в данном стандарте не предусмотрены. Отсутствие обратной связи между приемниками и передатчиками не является критическим недостатком интерфейса, поскольку в шине обычно передаются однотипные данные, и в случае однократной их потери информация на приемном устройстве обновится в следующем цикле успешной передачи. Поэтому для своей области применения стандарт Arinc‑429 достаточно надежен.

Из представленного описания следует, что стандарты MIL‑1553 и Arinc‑429 имеют значительные различия по характеристикам, основные из которых для удобного сопоставления сведены в таблицу.

Способы анализа протоколов передачи данных

Исходя из описанных особенностей передачи данных по стандартам MIL‑1553 и Arinc‑429, рассмотрим возможные способы инструментального анализа соответствующих сигналов, применимые при отладке и сервисном обслуживании авионики. Очевидно, что предпочтительным является анализ сигналов во временной области с помощью универсальных измерительных средств.

Для проверки соответствия сигналов установленным допускам на амплитудно-временные характеристики следует проводить их непосредственное осциллографическое наблюдение, которое, однако, затрудняется непериодичностью манчестерского и RZ-кода. Для достижения синхронизации можно использовать однократный запуск развертки, например по условию, соответствующему синхросигналу MIL‑1553. В таком случае на экране осциллографа могут быть получены все биты одного или нескольких машинных слов, а увеличение разрешения по времени позволяет детально рассмотреть фронты и спады импульсов. Такой анализ, выполняемый на физическом уровне, рекомендуется для диагностики аппаратной части.

Существенные требования по рабочей полосе частот к пробникам для анализа сигналов стандарта MIL‑1553 и Arinc‑429 не предъявляются, однако важно, чтобы их подключение не нарушало условия согласования. Спектр импульсных сигналов, передаваемых в шинах, простирается на десятки мегагерц, а сами шины весьма часто являются симметричными, поскольку возвратный ток не передается по проводнику заземления. По этой причине следует использовать дифференциальные пробники с полосой не менее 100 МГц и полным сопротивлением не менее 1 МОм. Если пробник активный, то нужно учесть, что контролируемое дифференциальное напряжение может составлять до 30 В.

Одна из основных задач при отладке устройств с интерфейсами MIL‑1553 и Arinc‑429 — проверка битовых последовательностей в составе машинных слов. Наиболее простым, но неудобным в реализации считается их просмотр по битам непосредственно на осциллографе. В этом случае после обнаружения начала машинного слова надо по кодам определить последовательность единиц и нулей, затем сопоставить ее с разрядной сеткой и определить правильность структуры машинного слова. Ясно, что при тестировании шин с двумя десятками абонентов количество анализируемых машинных слов превысит сотню, поэтому такой подход непригоден при большом объеме измерений.

Важной чертой стандартов MIL‑1553 и Arinc‑429 является четкая установка интервалов напряжений используемых импульсных сигналов, а также кодовых скоростей и типов кодирования. Это определяет возможность автоматизации измерений с комплексной обработкой бит в составе кодовых слов, при которой определяются:

• события, определяющие начало машинного слова, что служит сигналом к запуску развертки осциллографа;
• содержание различных полей машинного слова с переводом его в шестнадцатеричное исчисление, наиболее часто применяемое в микропрограммах;
• амплитудно-временные характеристики сигналов (вплоть до накопления статистики);
• любые ошибки кодирования;
• заданные пользователем условия, позволяющие захватывать и обрабатывать машинные слова с конкретными особенностями.
• Таким образом, автоматизация анализа сигналов стандартов MIL‑1553 и Arinc‑429 существенно облегчает и ускоряет отладку технических средств за счет декодирования передаваемой информации. Как правило, в современных осциллографах такой анализ реализуется опционально. Например, в осциллографах серии RTM3000 производства компании Rohde & Schwarz для анализа сигналов стандартов MIL‑1553 и Arinc‑429 предназначены опции RTM-K6 и RTM-K7 соответственно. Рассмотрим кратко их функциональные особенности.

Краткая характеристика опций RTM—K6 и RTM—K7 для анализа сигналов стандартов MIL‑1553 и Arinc‑429

Опция RTM-K6 предполагает широкую настройку параметров декодирования сигналов стандарта MIL‑1553, включая установку порогов высокого и низкого уровня, максимального времени ожидания ответного машинного слова, максимальной паузы между словами. Для функционирования опции требуется специальный режим развертки — по сигналам последовательной шины передачи данных. Опция предусматривает запуск анализа по специальным условиям — по заданной команде в машинном слове, по заданному состоянию, по адресу ОУ, а также по сочетанию команды и данных определенного вида. Поскольку в шине могут передаваться машинные слова разного вида, то настройки предполагают и выбор типа слова.

Проверка сигналов на наличие ошибок облегчается за счет конкретизации их типа — имеется возможность установки запуска по ошибкам протокола, включая проверку четности, манчестерского кодирования, временных интервалов, разделяющих машинные слова. Для этого же используется опция побитного сравнения машинного слова, а также содержания отдельных полей с эталоном, заданным пользователем.

Отдельного внимания заслуживает отображение информации. Для визуализации применяется цветовое кодирование различных полей машинных слов и ошибок, есть возможность масштабирования отображения. Результаты анализа машинного слова отображаются в виде таблицы, куда внесено время начала слова относительно точки запуска, тип слова, адрес ОУ, характеристика приема/передачи, подадрес, количество бит данных и временной интервал между словами, а также заключение о соответствии кодового слова стандарту MIL‑1553.

Опция RTM-K7 предполагает установку тех же базовых параметров для декодирования машинных слов стандарта Arinc‑429. Принципиальным отличием является необходимость указания структуры машинного слова, которое может содержать или не содержать идентификатор источника информации/адресата и/или определитель назначения/формата данных. Дополнительно нужно указать битовую скорость. Опция работает при синхронизации по сигналам последовательной шины передачи данных. Запуск анализа осуществляется по началу и концу слова, по комбинации ошибок в протоколе, по метке или ее сочетанию с указанными данными.

При проверке протокола определяется наличие ошибок контроля четности, временной паузы между машинными словами, RZ-кодирования, имеется возможность сличения различных полей машинного слова с заданным пользователем эталоном. Для визуализации также используется цветовое кодирование различных полей машинных слов и ошибок. Результаты анализа сводятся в таблицу, содержащую время начала и конца слова относительно точки запуска, значения всех полей машинного слова и заключение о соответствии кодового слова стандарту Arinc‑429.

Таким образом, опции RTM-K6 и RTM-K7 предоставляют исчерпывающие возможности по проверке данных, передаваемых по стандарту MIL‑1553 и Arinc‑429. Аналогичные опции используются и в других осциллографах компании R&S, например серии RTO2000.

Пример анализа сигналов стандартов MIL‑1553 и Arinc‑429 с использованием осциллографа серии R&S RTM3000

Для выполнения измерений следует использовать специальный источник сигналов, который формирует машинные слова рассматриваемых протоколов. Поскольку найти в доступности подходящее для эксперимента устройство авионики оказалось невозможно, то в качестве источника сигналов применялись встроенный демонстрационный генератор, имеющийся в осциллографах серии R&S RTM3000, а также модуль R&S RT-ZB1, чья функциональность программируется через USB-интерфейс с осциллографов R&S RTO под конкретную задачу. Важно отметить, что последний из названных источников формирует машинные слова как с ошибками, так и без них. Сигналы, создаваемые этими источниками, имели отличные от стандартных амплитудные характеристики, что было учтено в настройках декодирования.

Схемы выполнения измерений приведены на рис. 8а,б.

Рис. 8. Схемы измерительной установки: а) при использовании демонстрационного генератора; б) при использовании модуля R&S RT-ZB1; в) при анализе влияния аддитивных импульсных помех на возможность декодирования сигналов

В их состав входил осциллограф R&S RTM3004 с четырьмя каналами и рабочей полосой до 1 ГГц, подключение источников сигналов к нему выполнялось с помощью:

• пробника R&S RT-ZP10 с рабочей полосой до 500 МГц и входным сопротивлением 10 МОм при использовании встроенного демонстрационного генератора осциллографа R&S RTM3004;
• дифференциального пробника R&S RT-ZD30 с рабочей полосой до 3 ГГц и входным сопротивлением 1 МОм при использовании модуля R&S RT-ZB1.

Внешний вид измерительной установки одной из конфигураций приведен на рис. 9а.

Рис. 9. Измерительная установка: а) для демонстрации декодирования сигналов стандартов MIL-1553 и Arinc-429; б) для анализа влияния аддитивных импульсных помех на возможность такого декодирования

Перед началом измерений по каждому из протоколов для каждой конфигурации измерительной установки выполнялись необходимые настройки в соответствии с приведенным выше описанием опций для анализа сигналов стандартов MIL‑1553 и Arinc‑429. Результат анализа сигналов стандарта MIL‑1553 показан на рис. 10.

Рис. 10. Результат декодирования сигналов стандарта MIL-1553 на осциллографе R&S RTM3004 при помощи опции R&S RTM-K6: а) в отсутствие ошибок; б) при наличии ошибок

При использовании демонстрационного генератора все поля машинных слов декодируются без ошибок (рис. 10а). Во втором случае, когда сигнал подается с модуля R&S RT-ZB1, опция R&S RTM-K6 автоматически определяет ошибки в словах. Как видно из таблицы, представленной на рис. 10б, их сущность состоит в нарушении четности. Цветовая маркировка отмечает разные поля машинных слов и их декодированное содержимое непосредственно на осциллограмме, единая временная шкала позволяет соотносить взаимное расположение машинных слов. Аналогичные результаты анализа сигналов стандарта Arinc‑429 приведены на рис. 11. В данном случае зарегистрированы ошибка интервала между машинными словами и ошибка кодирования.

Рис. 11. Результат декодирования сигналов стандарта Arinc-429 на осциллографе R&S RTM3004 при помощи опции R&S RTM-K7: а) в отсутствие ошибок; б) при наличии ошибок

Таким образом, опции RTM-K6 и RTM-K7 позволяют выполнять проверку сигналов на соответствие стандартам MIL‑1553 и Arinc‑429 фактически в автоматическом режиме с извлечением информации из полей машинных слов.

Пример анализа влияния аддитивных импульсов на возможность декодирования сигналов стандартов MIL‑1553 и Arinc‑429 с использованием осциллографа серии R&S RTO2000

Возникновение аддитивных импульсов в шинах, передающих сигналы стандартов MIL‑1553 и Arinc‑429, может быть вызвано емкостной связью, возникающей при нарушении экранирования линий передачи за счет близкого их расположения в корпусе самолета. Вероятность такого нарушения целостности сигналов увеличивается еще больше, если учесть, что на борту самолета кабели прокладываются в специальных каналах и хотя фиксируются во избежание взаимного перетирания от вибраций, но далеко не всегда снабжаются специальной оболочкой, гарантирующей защиту от таких повреждений.

При проектировании конкретных бортовых сетей может возникнуть необходимость определить амплитуду аддитивных импульсов, при которой устройства, подключенные к шине, перестанут правильно обрабатывать сигналы рассматриваемых стандартов. Для этого можно использовать методы математического моделирования или предлагаемый ниже подход.

Для решения указанной задачи возьмем схему измерений, изображенную на рис. 8в. Она включает осциллограф R&S RTO2044 (4 канала, рабочая полоса до 4 ГГц) с опцией RTO-B6, реализованной в виде двух-канального ARB-генератора, формирующего в числе прочих сигналов прямоугольные импульсы. Для анализа целесообразно выбирать такую их длительность и период, чтобы они обладали эффективным «поражающим» действием. С учетом того, что в машинных словах стандартов MIL‑1553 и Arinc‑429 применен контроль четности, достаточно нарушения кодирования хотя бы одного бита для принятия решения о недостоверности слова в целом. Стандарт MIL‑1553 имеет скорость передачи 1 Мбит/с при длине машинного слова 20 бит, Arinc‑429 — 12,5 либо 100 кбит/с при длине машинного слова 32 бит. Соответственно, для первого стандарта следует использовать импульсы с длительностью 1 мкс и периодом 20 мкс, для второго — с длительностью 80 либо 10 мкс и периодом 2560 либо 320 мкс. Формирование названных сигналов на ARB-генераторе удобно и упрощает схему измерений.

Особенность осциллографов серии R&S RTO2000 заключена в возможности анализа суммы сигналов, поступающих на разные осциллографические каналы. Это позволяет полностью развязать источники сигналов и тем самым не допустить искажений и перегрузок при их формировании. Для анализа сигналов стандартов MIL‑1553 и Arinc‑429 использовались опции R&S RTO-K6 и R&S RTO-K7 в режиме автоматической настройки пороговых уровней. Для создания сигналов по стандартам MIL‑1553 и Arinc‑429 применялся модуль R&S RT-ZB1, подключаемый к осциллографу дифференциальным пробником R&S RT-ZD30 и выдающий машинные слова как с ошибками, так и без них.

В ходе эксперимента анализировались сигналы с канала 1, а также сумма сигналов с каналов 1 и 2. Полученный результат для сигналов стандарта MIL‑1553 приведен на рис. 12. Здесь левая таблица на каждом из рисунков относится к декодированию сигнала с канала 1, а правая — к декодированию суммарного сигнала. При постоянном смещении –1,7 В и амплитуде импульсов 3,4 В мешающее действие аддитивных импульсов не наблюдается (рис. 12а), при смещении –1,9 и амплитуде 3,8 В они вызывают ошибки манчестерского кодирования (рис. 12б).

Рис. 12. Результат декодирования сигналов стандарта MIL-1553 на осциллографе R&S RTO2044 при помощи опции R&S RTO-K6:
а) мешающее действие аддитивных импульсов не наблюдается;
б) аддитивные импульсы вызывают ошибки при декодировании машинных слов

Аналогичные результаты получены и для декодирования сигналов стандарта Arinc‑429. В данном случае при постоянном смещении –1 В и амплитуде импульсов 2 В мешающее действие аддитивных импульсов не наблюдается (рис. 13а), при смещении –1,2 и амплитуде 2,4 В они вызывают ошибки кодирования (рис. 13б).

Рис. 13. Результат декодирования сигналов стандарта Arinc-429 на осциллографе R&S RTO2044 при помощи опции R&S RTO-K7: а) мешающее действие аддитивных импульсов не наблюдается; б) аддитивные импульсы вызывают ошибки при декодировании машинных слов

Таким образом, изменяя параметры импульсного сигнала, всегда удается найти его пограничные характеристики, превышение которых сделает невозможным декодирование сигналов. Такую информацию можно и нужно учитывать при анализе помехо-защищенности бортовых сетей передачи данных.

Заключение

Задачу инструментального анализа сигналов стандартов MIL‑1553 и Arinc‑429 следует рассматривать как важную составляющую в обеспечении надежности функционирования авионики. Она должна решаться с применением современных средств измерений. Практическое использование опций для анализа сигналов стандартов MIL‑1553 и Arinc‑429 позволяет декодировать поля в составе машинных слов в автоматическом режиме, что значительно облегчает поиск и локализацию аппаратно-программных нарушений при отладке и сервисном обслуживании бортовой электроники самолетов и вертолетов.

Функциональность опций для анализа сигналов названных стандартов, продемонстрированная на примере осциллографов серии R&S RTM3000, является у данного производителя типовой для приборов среднего и высшего классов. Математическая обработка, необходимая для оценки влияния посторонних сигналов аддитивного характера на возможность правильного декодирования машинных слов стандартов MIL‑1553 и Arinc‑429, наиболее полно реализована в осциллографах серии R&S RTO2000, относящихся к измерительным средствам высшего класса.