多通道數據采集和信號生成的模塊化儀器如何重構飛機電子可靠性測試體系？

飛機的核心電子系統包括發電與配電系統，飛機內部所有設備和系統之間的內部數據通信系統，以及用于外部通信的射頻設備。其他所有航空電子元件都依賴這些關鍵總線進行電力傳輸或數據通信。在本文中，我們將了解模塊化儀器（無論是PCIe、PXIe還是LXI）如何提供測試和排查這些系統所需的多通道數據采集和信號生成能力。

一、飛機數據通信總線

飛機中使用兩種標準化數據總線。ARINC 429是一種主要用于商用飛機的標準總線，而MIL-STD 1553通常用于軍用飛機和航天器。這兩種總線都采用差分信號傳輸，以提高抗噪聲能力和信號完整性。

（1）ARINC 429

ARINC 429是一種更簡單、成本更低的總線，使用78Ω雙絞線，傳輸平衡差分信號。發射器輸出的信號峰峰值為10V。單個發射器或信號源可以連接1到20個接收器或信號匯。傳輸是單向的，從發射器到接收器，雙向傳輸需要兩個總線通道。

總線結構采用星形或總線（分支）拓撲。在星形拓撲中，網絡中的每個獨立部件都連接到一個中央集線器或交換機，連接從發射器呈放射狀延伸到每個接收器。在總線拓撲中，所有設備都通過分支線連接到一根電纜上。因此，每個接收器都連接到一條公共總線，該總線在發射器處終止。

ARINC429差分信號

圖1：使用1MHz采集時鐘采集的ARINC429差分信號的兩秒記錄，顯示在頂部網格中。底部網格中水平放大的視圖展示了雙極性歸零格式，并標注了具體數據。

從信號源到航線可更換單元（LRU）的傳輸由32位字組成，其中包含一個24位的數據字段（包含實際信息）和一個8位的標簽（用于描述數據本身）。LRU使用設備識別號，可將設備分組為系統，從而簡化系統管理。

連續的字之間至少間隔4個位時間的零電壓或空電平。這個空閑間隔使得無需單獨的時鐘信號。ARINC429有兩種時鐘速率，分別12.5kHz和100kHz。

數據以三電平雙極性、歸零格式傳輸。10V的傳輸信號表示高電平狀態，0V信號表示空閑狀態，-10V信號表示低電平狀態。

圖1展示了使用德思特Spectrum的TS-M2p.5968-x4數字化儀在接收器端采集的ARINC 429信號，并通過其SBench 6交互式測量軟件進行顯示。TS-M2p.5968-x4是一款模塊化PCIe卡（半尺寸），可安裝在大多數PC或外部擴展機箱中。該卡的輸入配置為真差分信號模式，兩個通道在內部組合，測量兩條線路之間的差值（與系統接地無關），并作為單個波形呈現。

ARINC 429信號通常很長。例如，上圖中的軌跡顯示了兩秒的采集。TS-M2p.5968-x4卡具有512MS的內存，采樣信號的速率范圍從1kS/s到125MS/s。因此，以1MS/s的速率進行單通道采集，使用全部512MS的內存，采集持續時間最長可達512秒。

ARINC429信號測量

圖2：使用SBench6軟件對采集到的波形進行物理層測量

底部網格中水平擴展的視圖展示了三電平歸零數據結構。網格底部的彩色線條是為了標記與單個消息相關的數據字段而添加的。從左邊開始是標簽（紅線），接著是金色的源 / 目標標識符（SDI）。SDI字段用于識別數據的接收方。SDI字段右邊是淺藍色標記的數據字段。符號 / 狀態字段（SSM）用綠色標記，SSM字段信息表示硬件狀態、操作模式或數據內容的有效性。最后一個字段是深藍色的奇偶校驗位，ARINC傳輸采用奇校驗。可以使用SBench6軟件對采集到的波形進行物理層測量，如圖2所示。

測量整個波形的峰峰值幅度、最大值和最小值，以及紅色和藍色光標之間脈沖的上升時間和下降時間。ARINC 429規范要求，對于100kHz的時鐘速率，上升和下降時間應為1.5±0.5微秒。測量值在這些限制范圍內。

數字化儀是測量電壓電平和定時等物理層屬性的理想儀器。然而，數據內容的解碼和解釋通常需要額外的計算能力。這里使用的模塊化數字化儀具有高數據傳輸速率，能夠將長波形快速傳輸到計算機進行解釋。例如，TS-M2p.5968-x4通過PCIe總線的傳輸速度為700MB/s，可以在FIFO模式下將數據流直接傳輸到CPU和GPU進行處理。由于該數字化儀系列支持常見計算機編程語言的驅動程序和示例，因此可以創建定制測試程序，包括C/C++、VB.NET、C#、J#、Java、Julia和Python，以及IVI、LabVIEW和MATLAB。

2）MIL-STD 1553C

MIL-STD 1553C是當前用于飛機、航天器和作戰車輛的軍用數據總線版本。它是一種雙向、雙冗余總線，采用差分信號傳輸，時鐘速率為1Mbit/s，支持多達31個遠程終端設備。可以連接三種類型的設備：總線控制器、遠程終端（RT）或總線監視器。總線上的單個總線控制器發起對遠程終端的命令和響應，總線監視器可以觀察和記錄總線活動。

MIL-STD 1553信號

圖3：一段時長50毫秒的MIL-STD 1553信號采集，以及單個總線事務的放大視圖，該視圖展示了曼徹斯特編碼

在正常運行時，所有設備通過兩條獨立的總線相互連接。通常僅使用主總線，但如果主總線發生故障，備用總線可供使用。總線布線采用70 - 80Ω的屏蔽雙絞線。每個設備可以直接連接到總線，或者最常見的是通過變壓器耦合連接到總線。

MIL-STD 1553使用曼徹斯特編碼對數據進行編碼。圖3展示了一個MIL-?? STD 1553采集示例。

曼徹斯特編碼采用雙極性信號，每個比特單元的中心會發生過零跳變。從負電壓到正電壓的跳變表示邏輯0，而從正電壓到負電壓的跳變表示邏輯1。

MIL-STD 1553總線事件

圖4：典型的MIL-STD 1553總線事件分解

有三種類型的字：命令字、數據字和狀態字。每個字長20位。圖4詳細說明了一個典型的總線事件。

每次傳輸都以同步脈沖開始。同步脈沖持續時間為三個位時間（3微秒），前半部分為正脈沖，后半部分轉換為負電平。命令字用于尋址遠程終端及其31個子地址中的任意一個，并指示被尋址的遠程終端進行接收，命令字以奇偶校驗位結束。MIL-STD 1553也使用奇校驗。數據字緊隨命令字之后，它以同步信號開始，包含傳輸到遠程終端的數據和一個奇偶校驗位。最后一個字是來自遠程終端的狀態字，用于指示傳輸狀態。數據字和狀態字之間的間隔是遠程終端的響應時間。

與ARINC 429總線一樣，可以測量MIL-STD 1553總線物理層的信號特性，或者將數據傳輸到計算機進行解碼和詳細分析。

二、功率分析

飛機電源系統因飛機的尺寸和復雜程度不同而有很大差異。航空電氣系統通常是多電壓系統，結合使用交流和直流總線為各種飛機部件供電。主發電通常是交流電，通過交流發電機產生，一個或多個變壓器整流單元（TRU）進行整流和濾波，為需要直流電的設備提供直流電壓。輔助動力單元（APU）產生的二次交流電通常在地面發動機怠速時使用，以及在機載設備發生故障時作為備用電源。可靠性是關鍵問題，重要的交流和直流組件連接到特定的總線，并且采取特殊措施以確保在幾乎所有故障情況下這些總線都能獲得電力。如果所有交流發電都中斷，系統中會配備靜態逆變器，以便從飛機電池為重要的交流總線供電。圖5展示了一個典型的飛機電源系統示意圖。

飛機電源系統

圖5：典型的飛機電力系統同時提供交流和直流電源。開關 / 斷路器（S/B）用于控制和引導電力流向。

模塊化數字化儀非常適合進行交流和直流電源完整性測量，因為它可以監測多個電壓和電流。像TS-M2p.5968-x4這樣的數字化儀具有進行差分測量的能力，這在測量電流時有助于實現接地隔離。常見的測量項目包括電壓、電流、功率、效率、紋波電壓、負載調整率、輸入調整率、諧波含量、上電和斷電順序等。

28V電源總線測量

圖6：28V電源總線的測量。左圖顯示了在30V滿量程范圍內的基本采集。右上格是垂直放大視圖，展示了紋波。右下格是紋波電壓的快速傅里葉變換

作為一項常見的電源完整性測量示例，我們來看圖6中所示的28V直流總線上的紋波電壓測量。

左圖網格中采集到的波形以30V滿量程顯示了直流電壓。信息面板中顯示的波形平均值為27.969V。右上格是垂直放大視圖，通過光標測量得出紋波頻率為 4807Hz。信息面板中測量并顯示的紋波峰峰值為 140.991mV。右下格包含紋波電壓的快速傅里葉變換（FFT），顯示基頻為4800Hz，還有多個諧波以及一些雜散頻率。

交流電壓源大多是三相400Hz的，模塊化數字化儀能夠測量相電壓和相電流、線電壓和線電流、功率、頻率以及諧波含量。圖7是一個三相電壓、電流和功率測量的示例。

120V總線的三相電壓（A、B和C）疊加在一個公共網格上，顯示出它們之間120°的相位差。每相的有效電壓和峰峰值電壓測量值記錄在左側的信息面板中。有效電壓或均方根（RMS）電壓標稱值為120V，峰峰值電壓為340V。相電流也顯示在一個公共網格上，彼此之間具有相同的相位關系。負載的功率因數會導致電壓和電流波形之間出現相位差。在本實驗中使用的是純電阻負載，因此相位差為0°。

每相功率通過每相電壓和電流的乘積來計算。總功率則是各相功率之和。這些只是可以在飛機電源總線上進行的眾多測量中的一部分。

三、射頻測量

120V三相總線測量

圖7：這是對120V三相總線的全面測量，信息窗格中的測量數據展示了有效（均方根，RMS）電壓、峰峰值電壓與電流，還有每相功率及總功率。

飛機還使用多種基于射頻（RF）的設備，包括無線電通信設備、高度計、導航輔助設備以及雷達。射頻測量需要帶寬更大的模塊化儀器，德思特Spectrum的TS-M4i.2230-x8型號就是一個例子。這是一款基于 PCIe 接口的單通道8位數字化儀，帶寬為1.5GHz，最大采樣率為5GS/s。該帶寬和采樣率與甚高頻（VHF）及較低頻段超高頻（UHF）設備的直接采集，以及許多更高頻率設備的中頻采集兼容。這款數字化儀配備4GS的采集內存。以5GS/s的最大采樣率，4GS的內存可以采集800毫秒的數據。這在長時間采集過程中能提供良好的時間分辨率，有助于解讀相位調制或頻率調制信號。

舉個簡單的例子，如圖8所示，測量一個1GHz雷達的脈沖重復頻率（PRF）。

雷達信號FFT

圖8：啁啾雷達脈沖的快速傅里葉變換（FFT）展示了 1GHz 載波的頻率偏移情況。

雷達信號以5GS/s的采樣率采集500微秒，使用2.5MS的采集內存。采集到的信號通過平方運算進行幅度解調，然后對平方后的信號進行低通濾波，這樣就可以輕松測量檢測到的幅度包絡。左側的信息面板顯示脈沖重復頻率為10kHz，脈沖寬度為9.955微秒，占空比為9.955%。

FFT可用于展示調頻啁啾雷達脈沖的頻域視圖，如圖8所示。

雷達的射頻載波通過線性斜坡進行頻率調制，FFT顯示了頻率偏移范圍。在9.95微秒的脈沖持續時間內，載波頻率從998MHz偏移到1002MHz。

這些是使用模塊化數字化儀可以進行的一些常見射頻測量。通過將采集到的波形傳輸到計算機進行進一步分析，可以完成更復雜的處理和測量。

四、便攜式或固定式模塊化儀器系統

模塊化測試系統

圖9：模塊化測試系統可配置為大量測量通道或用于便攜式應用

測試飛機系統需要測試系統架構具備一定的靈活性。模塊化儀器在封裝方面具有很大的靈活性。圖9展示了一個用于多通道和固定應用的高容量模塊化測試系統，以及一個便攜式系統。

在這兩個示例之間還有許多其他選擇。用戶可以根據測量需求和使用場景配置測試系統。模塊化數字化儀非常適合模擬信號采集，也能與其他模塊化儀器很好地配合使用，如用于模擬信號生成的任意波形發生器（AWG），以及可以采集或生成高速數字信號的數字I/O卡。這使得為各種核心飛機電子系統創建定制測試系統甚至仿真平臺成為可能。