GJB289A總線網(wǎng)絡(luò)電氣特性仿真及故障分析

鄭敬杭，江志東，霍立平，張弟

（1.海軍航空大學(xué)青島校區(qū)航空電子工程與指揮系，青島 266041）

（2.中國(guó)人民解放軍92975部隊(duì)，寧波 315000）

0 引言

GJB289A總線是第三代戰(zhàn)機(jī)航空電子系統(tǒng)的“神經(jīng)”和“骨架”，它實(shí)現(xiàn)了各類航空電子設(shè)備之間的物理連接，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)其信息融合和功能綜合。GJB289A總線網(wǎng)絡(luò)的可靠性直接影響整個(gè)航電系統(tǒng)的正常運(yùn)行，如何對(duì)總線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行全面有效的檢測(cè)是長(zhǎng)期以來(lái)的一個(gè)重要課題。

GJB289A總線網(wǎng)絡(luò)由總線連接組件和總線接口板組成，總線連接組件包括屏蔽雙絞電纜、耦合器、終端電阻和連接器等。通常通過(guò)自檢測(cè)和串件可發(fā)現(xiàn)和定位總線接口板的故障。由于制作工藝、使用維護(hù)和可靠性等原因，GJB289A總線連接組件電氣故障造成的問(wèn)題日益突出。在外場(chǎng)環(huán)境下若不能快速、準(zhǔn)確定位網(wǎng)絡(luò)電氣故障，將嚴(yán)重影響飛機(jī)再次出動(dòng)的效率。

根據(jù)信號(hào)完整性理論對(duì)總線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行電氣特性仿真分析，可為檢測(cè)設(shè)備的研制和優(yōu)化提供技術(shù)支撐。尋建暉、昶旭曦通過(guò)建立總線網(wǎng)絡(luò)模型完成電氣參數(shù)和誤碼率的分析，旨在為高速GJB289A總線規(guī)范的制定提供理論依據(jù)；G.L.Fehlhaber系統(tǒng)研 究 了1553B總 線 組 件 的 電 氣 特性；MIL-HDBK-1553A標(biāo) 準(zhǔn)中 明 確 了1553總線的測(cè)試要點(diǎn)和通過(guò)準(zhǔn)則；李文娟等介紹了飛行器健康管理系統(tǒng)（IVHMS）技術(shù)在提高飛行器的安全性、降低飛行成本等方面的重要作用及其關(guān)鍵技術(shù)。從總線網(wǎng)絡(luò)健康管理的需求看，應(yīng)開展全壽命周期內(nèi)總線網(wǎng)絡(luò)的預(yù)防性檢測(cè)工作，而目前均是在出現(xiàn)故障后才開展檢測(cè)。此外，系統(tǒng)梳理GJB289A總線網(wǎng)絡(luò)典型電氣故障特征參數(shù)，開展電氣故障診斷的研究也未見報(bào)道。

本文在分析典型總線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和理論推導(dǎo)的基礎(chǔ)上，根據(jù)總線網(wǎng)絡(luò)分立元件（變壓器、電阻、屏蔽雙絞電纜）分布參數(shù)建立仿真模型，實(shí)現(xiàn)兩端口典型網(wǎng)絡(luò)下的GJB289A總線仿真，完成典型電氣故障模擬，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)室環(huán)境搭建的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實(shí)測(cè)對(duì)比分析。通過(guò)仿真和實(shí)測(cè)對(duì)比驗(yàn)證的方式，分析GJB289A總線網(wǎng)絡(luò)中總線連接組件出現(xiàn)典型電氣故障時(shí)的特征波形和特征參數(shù)，以期為外場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)電氣故障的快速診斷及GJB289A總線檢查設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1 GJB289A總線典型網(wǎng)絡(luò)理論分析

根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，“某個(gè)支路的故障不影響整個(gè)系統(tǒng)”及耦合變壓器特性，本文在仿真與實(shí)測(cè)時(shí)均采用典型的一發(fā)一收兩端口總線網(wǎng)絡(luò)。

典型兩端口總線網(wǎng)絡(luò)電氣結(jié)構(gòu)如圖1所示，包含終端匹配電阻、故障隔離電阻、耦合變壓器、收發(fā)端等基本組成要素。其中終端匹配電阻阻值為Z，故障隔離電阻R=0.75Z。

圖1 典型兩端口總線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of typical two-port bus network

耦合變壓器的繞組匝數(shù)比為1∶1.41。在子線端口的負(fù)載、線纜傳輸損耗以及網(wǎng)絡(luò)上其他耦合器的影響可忽略不計(jì)的情況下，典型總線網(wǎng)絡(luò)電氣結(jié)構(gòu)等效電路如圖2所示。

圖2 典型兩端口總線網(wǎng)絡(luò)等效電路Fig.2 Typical equivalent circuit of two-port bus network

圖1中的G與H端的負(fù)載為高阻抗時(shí)，可根據(jù)電路推導(dǎo)公式（式（1）～式（2））計(jì)算得出V與V的關(guān)系：

測(cè)量?jī)山M子線間的插入損耗（IL），通過(guò)分析插入損耗等相關(guān)電氣性能參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)總線網(wǎng)絡(luò)物理層面性能測(cè)試和電氣故障診斷。插入損耗計(jì)算公式為

根據(jù)上述推導(dǎo)，可以計(jì)算典型總線網(wǎng)絡(luò)兩端口間的插入損耗IL=-12.04 dB，該值是在不考慮線纜傳輸損耗等因素的理想狀態(tài)下的標(biāo)稱值。

同理，當(dāng)終端一端電阻開路時(shí)，經(jīng)等效電路推導(dǎo)得到此時(shí)V=2V/5，V比總線網(wǎng)絡(luò)正常通信情況下高0.15V，這將導(dǎo)致接收端收到的電壓比正常值高。可以計(jì)算得出該情況下插入損耗理論值IL=-7.96 dB，該值是在不考慮線纜傳輸損耗等因素的理想狀態(tài)下的標(biāo)稱值。

以上給出典型總線網(wǎng)絡(luò)正常情況與終端一端開路情況下的插入損耗理論推導(dǎo)，其他情況的推導(dǎo)原理相同，在此不作贅述。

2 GJB289A總線仿真模型搭建與驗(yàn)證

GJB289A總線網(wǎng)絡(luò)的基本組件包括耦合器終端電阻和屏蔽雙絞電纜。耦合器是耦合變壓器的簡(jiǎn)稱，是GJB289A總線網(wǎng)絡(luò)的重要組件，實(shí)現(xiàn)主總線和短截線之間的信號(hào)傳輸，起到故障隔離的作用，其內(nèi)部核心器件為變壓器和隔離電阻。終端電阻用來(lái)實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，防止信號(hào)反射。屏蔽雙絞電纜作為傳輸媒介，根據(jù)所處位置，分為主總線電纜和短截線電纜。其中主總線用于連接耦合器，短截線用于連接耦合器和子系統(tǒng)。

根據(jù)文獻(xiàn)［8］，考慮電纜的分布參數(shù)效應(yīng)，分布電阻、電感和電容等的影響，主總線電纜分布參數(shù)如表1所示。

表1 主總線電纜分布參數(shù)Table 1 Distribution parameters of main bus cable

2.1 分布參數(shù)模型搭建

典型總線網(wǎng)絡(luò)分布參數(shù)仿真示意圖如圖3所示，其中一個(gè)終端作為發(fā)送端Tx，另外一個(gè)終端作為接收方Rx。主電纜模型采用ADS（Advanced Design System）仿真環(huán)境下實(shí)例化庫(kù)中的CLINP（有損耦合傳輸線）模型并根據(jù)表1中數(shù)據(jù)配置參數(shù)。發(fā)送端添加頻率為1 MHz的脈沖波作為激勵(lì)信號(hào)。在分布參數(shù)模型的各個(gè)位置添加測(cè)試點(diǎn)，如V、A、B、C、D、E、F、V等，便于后續(xù)導(dǎo)出用于波形完整性分析。

圖3 典型總線網(wǎng)絡(luò)分布參數(shù)仿真示意圖Fig.3 Simulation diagram of distribution parameters of typical bus network

2.2 分布參數(shù)模型驗(yàn)證

將ADS環(huán)境下仿真結(jié)果與實(shí)際測(cè)量結(jié)果對(duì)比，以檢驗(yàn)仿真模型的有效性。在確定仿真模型有效性的基礎(chǔ)上，通過(guò)調(diào)整參數(shù)模擬典型故障來(lái)分析總線網(wǎng)絡(luò)的電氣特性。根據(jù)GJB289A協(xié)議的波形完整性要求，以發(fā)送/接收端口短截線的線與線間電壓的峰—峰值V和V作為比較的對(duì)象。仿真與實(shí)測(cè)發(fā)送端和接收端短截線上的特征波形和電壓峰值如圖4所示，參數(shù)對(duì)比如表2所示。

圖4 典型兩端口網(wǎng)絡(luò)發(fā)送端和接收端電壓波形Fig.4 Voltage waveforms at transmitter and receiver of typical two-port network

表2 ADS仿真與實(shí)測(cè)接收端特征參數(shù)對(duì)比Table 2 Comparison of characteristic parameters at receiver between ADS simulation and measurement

從圖4和表2可以看出：仿真得到的波形與實(shí)測(cè)的波形吻合，表征波形特征的數(shù)據(jù)也很接近，說(shuō)明該模型滿足要求。

3 典型電氣故障研究

依托兩端口網(wǎng)絡(luò)分布參數(shù)模型，在ADS軟件中分別模擬終端電阻超差、耦合器故障和電纜故障，分析電氣故障的特征波形和特征參數(shù)，以期為外場(chǎng)環(huán)境下根據(jù)GJB289A網(wǎng)絡(luò)實(shí)測(cè)波形及特征參數(shù)快速判斷故障類型提供依據(jù)。

3.1 終端電阻超差故障

終端電阻的阻值超差故障表現(xiàn)為主總線電纜上的匹配電阻阻值異常。極端情況為一個(gè)未連接（開路或故障）、兩個(gè)均未連接（開路或故障）或出現(xiàn)短路的情況。一個(gè)匹配電阻未連接（開路或故障）的情況可以等效為在總線上跨接了一個(gè)阻值為無(wú)窮大的電阻，根據(jù)等效電路圖（圖2）推導(dǎo)可知：V=0.4V。這將導(dǎo)致接收端接收到的電壓比正常值偏高。

仿真與實(shí)測(cè)發(fā)送端和接收端短截線上的特征波形和電壓峰值如圖5所示，特征參數(shù)如表3所示。

圖5 網(wǎng)絡(luò)一側(cè)開路故障時(shí)發(fā)送端和接收端電壓波形Fig.5 Voltage waveforms at transmitter and receiver in case of open-circuit fault on one side of the network

表3 仿真和實(shí)測(cè)參數(shù)比較（網(wǎng)絡(luò)一側(cè)開路故障）Table 3 Comparison of simulated and measured parameters（open-circuit fault on one side of the network）

當(dāng)兩個(gè)匹配電阻均未連接（開路或故障）時(shí)，同理可知該情況可等效為收發(fā)兩端的短截線直接通過(guò)總線線纜連接在一起。因?yàn)榻邮斩藶楦咦杩?，此時(shí)隔離電阻R=0.75Z，相對(duì)較小，耦合器輸出的電壓絕大部分被分壓到總線上，主總線電纜上的電壓幾乎與V相等，此時(shí)接收端的接收電壓V≈V，為正常情況下接收端電壓的4倍。

仿真與實(shí)測(cè)發(fā)送端和接收端短截線上的特征波形和電壓峰值如圖6所示，參數(shù)比較如表4所示。

圖6 網(wǎng)絡(luò)兩側(cè)開路故障時(shí)發(fā)送端和接收端電壓波形Fig.6 Voltage waveforms at transmitter and receiver in case of open-circuit fault on both sides of the network

表4 仿真和實(shí)測(cè)參數(shù)比較（網(wǎng)絡(luò)兩側(cè)開路故障）Table 4 Comparison of simulated and measured parameters（open-circuit fault on both sides of the network）

3.2 耦合器故障

當(dāng)總線網(wǎng)絡(luò)耦合器的收發(fā)端未連接或出現(xiàn)故障時(shí)，相當(dāng)于短截線直接連接。由于信號(hào)的反射、振蕩，在總線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信時(shí)，收發(fā)信號(hào)將產(chǎn)生過(guò)沖，仿真系統(tǒng)和實(shí)測(cè)得到的特征波形如圖7所示。

圖7 耦合器故障時(shí)發(fā)送端和接收端電壓波形Fig.7 Voltage waveforms at transmitter and receiver in case of coupler failure

3.3 電纜故障

總線網(wǎng)絡(luò)的電纜故障通常是指總線或子線網(wǎng)絡(luò)中相關(guān)的信號(hào)線高低端之間發(fā)生開路、短路、錯(cuò)接或信號(hào)線與屏蔽層之間發(fā)生的短路。其中開路故障類型包括接觸不良、內(nèi)阻增大等異?，F(xiàn)象；短路故障類型包括因使用磨損等情況導(dǎo)致的電纜絕緣電阻降低、錯(cuò)接等異?，F(xiàn)象。

屏蔽雙絞電纜是GJB289A總線網(wǎng)絡(luò)物理組成的重要連接組件，占比最大，在外場(chǎng)環(huán)境下，電纜故障率高、故障查找困難。為研究電纜故障類型導(dǎo)致的接收端波形特征變化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)典型電氣故障的快速診斷，設(shè)計(jì)制作錯(cuò)接（信號(hào)線Hi與Lo接反）、短路（信號(hào)線Hi與屏蔽層短接、信號(hào)線Lo與屏蔽層短接）等故障模擬件，如圖8所示。

圖8 典型電氣故障模擬件Fig.8 Typical electrical fault simulator

在仿真軟件中，通過(guò)調(diào)整分布參數(shù)進(jìn)行上述故障情況模擬，并將以上故障模擬件串入到典型兩端口總線網(wǎng)絡(luò)，觀察得波形如下。

（1）模擬故障件信號(hào)線Lo與屏蔽層短路故障時(shí)，得到收發(fā)端波形如圖9所示。

圖9 信號(hào)線Lo與屏蔽層短路時(shí)發(fā)送端和接收端電壓波形Fig.9 Voltage waveforms at transmitter and receiver in case of signal line Lo shorted with the shielding layer

根據(jù)差分信號(hào)傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，其信號(hào)值是作用在雙絞線兩條導(dǎo)體上的電壓差，作用在雙絞線兩導(dǎo)體上兩個(gè)信號(hào)的振幅相等，相位相差180°，極性相反。從圖9可以看出：當(dāng)Lo與屏蔽層短路時(shí)，最明顯的變化為接收端信號(hào)幅值變?yōu)檎Ｇ闆r下接收幅值的約1/2，利用該特點(diǎn)可以進(jìn)行故障區(qū)分。

（2）模擬信號(hào)線Hi與屏蔽層短路故障時(shí)，得到收發(fā)端波形如圖10所示，可以看出：此時(shí)接收端出現(xiàn)明顯的spike尖峰脈沖信號(hào)。

圖10 信號(hào)線Hi與屏蔽短路時(shí)發(fā)送端和接收端電壓波形Fig.10 Voltage waveforms at transmitter and receiver in case of signal line Hi shorted with the shielding layer

（3）模擬信號(hào)線Lo與Hi錯(cuò)接故障時(shí)，得到收發(fā)端波形如圖11所示。

圖11 信號(hào)線Lo與Hi錯(cuò)接時(shí)發(fā)送端和接收端電壓波形Fig.11 Voltage waveforms at transmitter and receiver in case of misconnection between signal line Lo and Hi fault

由于雙絞線Hi與Lo定義的原因，當(dāng)出現(xiàn)信號(hào)線高低端錯(cuò)接故障時(shí)，會(huì)導(dǎo)致接收端信號(hào)接收出現(xiàn)相位顛倒。

綜合以上三類故障模擬情況分析可知：

（1）信號(hào)線Hi/Lo與屏蔽層短路故障時(shí)，兩者波形存在明顯區(qū)別：信號(hào)線Lo與屏蔽層短路時(shí)，接收端可以接收到類似波形，但是接收波形的幅值約為正常情況下的1/2；信號(hào)線Hi與屏蔽層短路時(shí)，接收端收不到通信波形，但會(huì)出現(xiàn)尖峰現(xiàn)象，此時(shí)總線網(wǎng)絡(luò)無(wú)法正常通信。

（2）當(dāng)信號(hào)線Hi、Lo錯(cuò)接時(shí)，接收端與發(fā)送端會(huì)出現(xiàn)反相現(xiàn)象。在現(xiàn)實(shí)中，此類問(wèn)題常出現(xiàn)在對(duì)現(xiàn)役戰(zhàn)機(jī)進(jìn)行加改裝時(shí)，對(duì)總線網(wǎng)絡(luò)線纜拼接出現(xiàn)高低端錯(cuò)接。

（3）主總線和短截線過(guò)長(zhǎng)也可能引起錯(cuò)誤，某些情況下可以使用，但并不能保證可以正常工作；屏蔽雙絞電纜的屏蔽性能、接地情況或其他標(biāo)準(zhǔn)要求未達(dá)到時(shí)，實(shí)際工作時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)間歇性通信錯(cuò)誤。

4 典型電氣故障特征分析

依托兩端口網(wǎng)絡(luò)分布參數(shù)模型對(duì)典型電氣故障進(jìn)行仿真，梳理典型電氣故障的特征波形和參數(shù)，構(gòu)建典型電氣故障特征參數(shù)檢查表，如表5所示。

表5 典型電氣故障特征參數(shù)檢查表Table 5 Check list of characteristic parameters for typical electrical faults

表5可以作為兩端口網(wǎng)絡(luò)的典型電氣故障的唯一性判斷，為實(shí)際總線網(wǎng)絡(luò)故障的檢測(cè)技術(shù)升級(jí)與設(shè)備的改進(jìn)提供一定參考。

需要注意的是：表5所示內(nèi)容是基于典型的兩端口盒式耦合器總線網(wǎng)絡(luò)，未考慮實(shí)際線纜長(zhǎng)度對(duì)特征波形和特征參數(shù)的影響。此外，實(shí)際機(jī)載總線網(wǎng)絡(luò)采用的是線式耦合器，不具有可分割性?；诜植紖?shù)的仿真方法相對(duì)于實(shí)測(cè)方法更方便。當(dāng)兩個(gè)耦合變壓器之間線纜長(zhǎng)度或其他因素發(fā)生變化時(shí)，表5中的特征波形與參數(shù)均會(huì)發(fā)生一定變化，因此該方法在實(shí)際使用中需要考慮不同機(jī)載、車載或星載等平臺(tái)的總線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、物理尺寸與分布參數(shù)，以獲得精確的波形和特征參數(shù)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)健康管理和故障的精確定位判斷。

5 結(jié)論

（1）根據(jù)GJB289A總線網(wǎng)絡(luò)中變壓器、終端電阻分布參數(shù)、有損耦合傳輸線模型，在ADS軟件中構(gòu)建了包含兩個(gè)耦合變壓器的兩端口GJB289A總線網(wǎng)絡(luò)模型，通過(guò)理論推導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)室實(shí)測(cè)對(duì)比分析，驗(yàn)證了基于分布參數(shù)仿真模型的有效性。

（2）利用GJB289A總線網(wǎng)絡(luò)兩端口分布參數(shù)模型進(jìn)行典型電氣故障的仿真，并與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比，分析梳理典型電氣故障類型的特征波形和參數(shù)，構(gòu)建了故障判斷檢查表，可以實(shí)現(xiàn)兩端口GJB289A總線網(wǎng)絡(luò)典型電氣故障的唯一性判斷。

（3）結(jié)合實(shí)裝GJB289A總線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、物理尺寸和分布參數(shù)，利用本文方法可仿真獲取實(shí)裝GJB289A總線網(wǎng)絡(luò)測(cè)試端口精確波形和典型電氣故障的特征參數(shù)，為總線檢測(cè)設(shè)備的優(yōu)化改進(jìn)和總線網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)健康管理提供數(shù)據(jù)支撐。