劉士全,曹曉斌,蔡潔明,王 棟
(中國電子科技集團(tuán)第 58 研究所,江蘇 無錫 214035)
1553B 總線是美國軍用標(biāo)準(zhǔn) MIL-STD-1553B 總線的簡稱,它采用帶屏蔽的雙絞線作為串行數(shù)據(jù)總線,使用時(shí)分制指令/響應(yīng)型傳輸協(xié)議,其傳輸速率為1 Mb/s,傳輸方式為半雙工,其形式類似于一個(gè)局域網(wǎng)[1]。由于 1553B 總線的高可靠性和實(shí)時(shí)性[2],其在航空、航天等眾多型號(hào)單機(jī)系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。在航天領(lǐng)域里為了進(jìn)一步增加衛(wèi)星等設(shè)備的可靠性和使用壽命,一種冷備份的使用方法被提出,這種使用方法比較特殊,使用不當(dāng),可能造成1553B 總線通信網(wǎng)絡(luò)異常,并帶來負(fù)面影響,因此對(duì)冷備份使用情況下的1553B 總線通信研究很有必要。
航天用戶在使用 1553B 總線電路時(shí),設(shè)計(jì)了A、B 兩套完全一致的單機(jī)系統(tǒng),兩套單機(jī)系統(tǒng)總線輸出并聯(lián)在一起,互為備份使用[3]。 互為備份的 A、B單機(jī)系統(tǒng),正常工作時(shí)A、B 單機(jī)其中一個(gè)正常上電工作,另外一個(gè)斷電處于冷備份狀態(tài),當(dāng)正常使用的單機(jī)出現(xiàn)異常時(shí),通過指令控制單機(jī)斷電,并給另外一臺(tái)單機(jī)上電,進(jìn)行切換使用。 因?yàn)閭浞輪螜C(jī)未加電,因此稱為冷備份。在冷備份使用時(shí),要求正常使用的單機(jī)器件和斷電的單機(jī)器件不能相互影響,特別是輸出并聯(lián)在一起的端口,不能將正常輸出端口上的電信號(hào), 潛通到不加電的電路電源端,導(dǎo)致器件相互影響。
圖 1 所示為 1553B 總線冷備份連接示意圖,從圖中可以看出,在 A 機(jī)斷電 B 機(jī)上電或是B 機(jī)斷電A 機(jī)上電工作時(shí),只要總線上進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,電路端口上的信號(hào)是一直存在的[4],手冊(cè)上給出的總線信號(hào)幅度范圍是 6VPP~9VPP,實(shí)測值及典型值在 7VPP左右[5]。 對(duì)于斷電的單機(jī)系統(tǒng),總線上的電壓信號(hào)通過耦合變壓器、隔離變壓器施加在1553B 電路總線驅(qū)動(dòng)管腳上[6],本文重點(diǎn)分析施加在總線電路驅(qū)動(dòng)端口管腳上的電信號(hào)潛通到電源端的情況。
圖1 1553B 總線冷備份連接示意圖
1553B 電路在使用過程中, 總線差分信號(hào)通過隔離變壓器連接到收發(fā)器芯片的TXOUT 和NTX OUT 端,芯片內(nèi)部兩端采用了相同的端口結(jié)構(gòu)[7],端口結(jié)構(gòu)框圖如圖2 所示。
1553B 總線電路在斷電的情況下,電源電壓掉電后電壓接近 0 V,此時(shí)電源端電壓小于PMOS 管開啟閾值電壓(0.7 V),PMOS 管處于關(guān)閉狀態(tài)。 但是由于收發(fā)器總線端口正常工作時(shí),需要提供600 mA~700 mA 的電流來驅(qū)動(dòng)隔離變壓器進(jìn)行通信,因此收發(fā)器總線端口的 PMOS 管尺寸較大。 大的 PMOS管由于工藝結(jié)構(gòu)的特性,導(dǎo)致端口到電源存在一個(gè)寄生二極管[8],原因是大 PMOS 管襯底與電源直接相連,這樣源端與襯底NWELL 形成二極管的一端(N 端), 大 PMOS 管漏端形成二極管的另一端(P端),由于 PN 結(jié)的存在而形成一個(gè)寄生二極管,如圖 3 所示。
圖2 1553B 總線控制器總線端口功能框圖
當(dāng)收發(fā)器正常工作時(shí),寄生二極管處于反偏狀態(tài),不影響電路的正常使用。 另外該寄生二極管還可以對(duì)電路起到保護(hù)作用,當(dāng)總線端口遇到 ESD 靜電時(shí),該寄生二極管可以為ESD 靜電提供一個(gè)泄放通道[9],從而避免靜電電壓對(duì)電路內(nèi)部器件造成損傷。 然而當(dāng) 1553B 總線電路斷電處于冷備份狀態(tài)時(shí),1553B 總線上的電壓信號(hào)經(jīng)過耦合變壓器和隔離變壓器加載總線端口上,此時(shí)通過該二極管會(huì)把電壓信號(hào)潛通到電源端。
圖3 1553B 總線控制器總線端口寄生二極管示意圖
模擬用戶單機(jī)系統(tǒng)冷備份使用情況,1553B 總線電路+5 V Logic、+5 V VA、+5 V VB 三組電源并聯(lián),斷電后處于懸空狀態(tài),根據(jù)用戶使用的變壓器耦合方式,1553B 總線電路 A 通道總線接口通過隔離變壓器、耦合變壓器連接 1553B 通信總線,1553B 通信總線給幅度可調(diào)的6VPP~9VPP曼徹斯特編碼信號(hào)[10],該信號(hào)用戶實(shí)際使用時(shí)一般在7VPP左右,電源端串聯(lián)電流表1,電路總線管腳TX/RX-A 串聯(lián)電流表2,并采用直流檔位進(jìn)行測試,電路測試框圖如圖 4 所示。
首先 1553B 總線器件正常上電后,1553B 總線端口持續(xù)給信號(hào),在總線信號(hào)一直存在的情況下,斷開+5 V 供電電源,測試器件電源端的掉電情況,測試是否有電壓潛通到電源端[11]。
測試條件:
(1)測試器件:1553B 總線電路BU-65170S6-110K;
(2)電源電壓:正常上電給+5 V 電壓,穩(wěn)定后斷開;
(3)1553B 總線信號(hào):信號(hào)幅度7VPP,100%占空比;
(4)測試電阻:R1=10 kΩ;
(5)利用示波器觀察器件掉電情況。
測試結(jié)果如圖5 所示。
利用圖 4 測試框圖,在 1553B 總線上施加6VPP~9VPP曼徹斯特編碼信號(hào),電源端斷電,并在電源對(duì)地之間串接一個(gè)可調(diào)電阻[12],模擬單機(jī)板級(jí)負(fù)載。通過電壓表觀察測試電源端斷電情況下潛通電壓的變化情況[13]。
圖5 器件電源電壓掉電情況測試波形圖
測試條件:
(1)測試器件:DDC 公司 BU-65170S6-110K;
(2)電源電壓:電源斷電;
(3)1553B 總線信號(hào):信號(hào)幅度 6VPP、7VPP、8VPP、9VPP,100%占空比;
(4)測 試 電 阻 R1:500 Ω、1 kΩ、5 kΩ、10 kΩ、不接測試電阻;
(5)利用電壓表、電流表觀察測試器件潛通電壓、電流情況。
具體測試數(shù)據(jù)如表 1、表 2、表 3 所示。
利用圖 4 測試框圖,在 1553B 總線上施加 7VPP曼徹斯特編碼信號(hào),電源端斷電,并在電源對(duì)地之間串接一個(gè)可調(diào)電阻,模擬單機(jī)板級(jí)負(fù)載,改變1553B總線通信信號(hào)占空比。 通過電壓表和電流表觀察測試電源端斷電情況下潛通電壓、電流的變化情況[14]。
圖4 測試驗(yàn)證框圖
表1 總線施加100%占空比信號(hào)電源端潛通電壓
表2 總線施加100%占空比信號(hào)電源端潛通電流電流表1
表3 總線施加100%占空比信號(hào)總線管腳端潛通電流電流表2
測試條件:
(1)測試器件:BU-65170S6-110K;
(2)電源電壓:電源斷電;
(3)1553B 總線信號(hào)幅度:7VPP;
(4)1553B 總 線 信 號(hào) 占 空 比 :10% 、30% 、50% 、75%;
(5)測 試 電 阻 R1:500 Ω、1 kΩ、5 kΩ、10 kΩ、不接測試電阻;
(6)利用電壓表、電流表觀察測試器件潛通電壓、電流情況。
具體測試數(shù)據(jù)如表 4、表 5、表 6 所示。
表4 總線施加10%~75%占空比信號(hào)電源端潛通電壓
表5 總線施加10%~75%占空比信號(hào)電源端潛通電流電流表1
表6 總線施加10%~75%占空比信號(hào)總線管腳端潛通電流電流表2
經(jīng)過上述總線端口結(jié)構(gòu)分析和比對(duì)數(shù)據(jù)分析可以看出,在總線上持續(xù)給不同幅值、不同占空比信號(hào),并在電源端施加不同阻值負(fù)載的情況下[15],總線信號(hào)通過管腳潛通到電源端的電壓和電流都非常小,潛通電壓沒有超過MOS 管開啟閾值電壓(0.7 V),總線電壓潛通到管腳和電源端的漏電流也比較小,因此1553B 總線電路在冷備份使用環(huán)境下,主份電路和冷備份電路之間沒有相互影響,可正常工作使用。