多通道数据采集和信号生成的模块化仪器如何重构飞机电子可靠性测试体系？

飞机的核心电子系统包括发电与配电系统，飞机内部所有设备和系统之间的内部数据通信系统，以及用于外部通信的射频设备。其他所有航空电子元件都依赖这些关键总线进行电力传输或数据通信。在本文中，我们将了解模块化仪器（无论是PCIe、PXIe还是LXI）如何提供测试和排查这些系统所需的多通道数据采集和信号生成能力。

一、飞机数据通信总线

飞机中使用两种标准化数据总线。ARINC 429是一种主要用于商用飞机的标准总线，而MIL-STD 1553通常用于军用飞机和航天器。这两种总线都采用差分信号传输，以提高抗噪声能力和信号完整性。

（1）ARINC 429

ARINC 429是一种更简单、成本更低的总线，使用78Ω双绞线，传输平衡差分信号。发射器输出的信号峰峰值为10V。单个发射器或信号源可以连接1到20个接收器或信号汇。传输是单向的，从发射器到接收器，双向传输需要两个总线通道。

总线结构采用星形或总线（分支）拓扑。在星形拓扑中，网络中的每个独立部件都连接到一个中央集线器或交换机，连接从发射器呈放射状延伸到每个接收器。在总线拓扑中，所有设备都通过分支线连接到一根电缆上。因此，每个接收器都连接到一条公共总线，该总线在发射器处终止。

ARINC429差分信号

图1：使用1MHz采集时钟采集的ARINC429差分信号的两秒记录，显示在顶部网格中。底部网格中水平放大的视图展示了双极性归零格式，并标注了具体数据。

从信号源到航线可更换单元（LRU）的传输由32位字组成，其中包含一个24位的数据字段（包含实际信息）和一个8位的标签（用于描述数据本身）。LRU使用设备识别号，可将设备分组为系统，从而简化系统管理。

连续的字之间至少间隔4个位时间的零电压或空电平。这个空闲间隔使得无需单独的时钟信号。ARINC429有两种时钟速率，分别12.5kHz和100kHz。

数据以三电平双极性、归零格式传输。10V的传输信号表示高电平状态，0V信号表示空闲状态，-10V信号表示低电平状态。

图1展示了使用德思特Spectrum的TS-M2p.5968-x4数字化仪在接收器端采集的ARINC 429信号，并通过其SBench 6交互式测量软件进行显示。TS-M2p.5968-x4是一款模块化PCIe卡（半尺寸），可安装在大多数PC或外部扩展机箱中。该卡的输入配置为真差分信号模式，两个通道在内部组合，测量两条线路之间的差值（与系统接地无关），并作为单个波形呈现。

ARINC 429信号通常很长。例如，上图中的轨迹显示了两秒的采集。TS-M2p.5968-x4卡具有512MS的内存，采样信号的速率范围从1kS/s到125MS/s。因此，以1MS/s的速率进行单通道采集，使用全部512MS的内存，采集持续时间最长可达512秒。

ARINC429信号测量

图2：使用SBench6软件对采集到的波形进行物理层测量

底部网格中水平扩展的视图展示了三电平归零数据结构。网格底部的彩色线条是为了标记与单个消息相关的数据字段而添加的。从左边开始是标签（红线），接着是金色的源 / 目标标识符（SDI）。SDI字段用于识别数据的接收方。SDI字段右边是浅蓝色标记的数据字段。符号 / 状态字段（SSM）用绿色标记，SSM字段信息表示硬件状态、操作模式或数据内容的有效性。最后一个字段是深蓝色的奇偶校验位，ARINC传输采用奇校验。可以使用SBench6软件对采集到的波形进行物理层测量，如图2所示。

测量整个波形的峰峰值幅度、最大值和最小值，以及红色和蓝色光标之间脉冲的上升时间和下降时间。ARINC 429规范要求，对于100kHz的时钟速率，上升和下降时间应为1.5±0.5微秒。测量值在这些限制范围内。

数字化仪是测量电压电平和定时等物理层属性的理想仪器。然而，数据内容的解码和解释通常需要额外的计算能力。这里使用的模块化数字化仪具有高数据传输速率，能够将长波形快速传输到计算机进行解释。例如，TS-M2p.5968-x4通过PCIe总线的传输速度为700MB/s，可以在FIFO模式下将数据流直接传输到CPU和GPU进行处理。由于该数字化仪系列支持常见计算机编程语言的驱动程序和示例，因此可以创建定制测试程序，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是当前用于飞机、航天器和作战车辆的军用数据总线版本。它是一种双向、双冗余总线，采用差分信号传输，时钟速率为1Mbit/s，支持多达31个远程终端设备。可以连接三种类型的设备：总线控制器、远程终端（RT）或总线监视器。总线上的单个总线控制器发起对远程终端的命令和响应，总线监视器可以观察和记录总线活动。

MIL-STD 1553信号

图3：一段时长50毫秒的MIL-STD 1553信号采集，以及单个总线事务的放大视图，该视图展示了曼彻斯特编码

在正常运行时，所有设备通过两条独立的总线相互连接。通常仅使用主总线，但如果主总线发生故障，备用总线可供使用。总线布线采用70 - 80Ω的屏蔽双绞线。每个设备可以直接连接到总线，或者最常见的是通过变压器耦合连接到总线。

MIL-STD 1553使用曼彻斯特编码对数据进行编码。图3展示了一个MIL- STD 1553采集示例。

曼彻斯特编码采用双极性信号，每个比特单元的中心会发生过零跳变。从负电压到正电压的跳变表示逻辑0，而从正电压到负电压的跳变表示逻辑1。

MIL-STD 1553总线事件

图4：典型的MIL-STD 1553总线事件分解

有三种类型的字：命令字、数据字和状态字。每个字长20位。图4详细说明了一个典型的总线事件。

每次传输都以同步脉冲开始。同步脉冲持续时间为三个位时间（3微秒），前半部分为正脉冲，后半部分转换为负电平。命令字用于寻址远程终端及其31个子地址中的任意一个，并指示被寻址的远程终端进行接收，命令字以奇偶校验位结束。MIL-STD 1553也使用奇校验。数据字紧随命令字之后，它以同步信号开始，包含传输到远程终端的数据和一个奇偶校验位。最后一个字是来自远程终端的状态字，用于指示传输状态。数据字和状态字之间的间隔是远程终端的响应时间。

与ARINC 429总线一样，可以测量MIL-STD 1553总线物理层的信号特性，或者将数据传输到计算机进行解码和详细分析。

二、功率分析

飞机电源系统因飞机的尺寸和复杂程度不同而有很大差异。航空电气系统通常是多电压系统，结合使用交流和直流总线为各种飞机部件供电。主发电通常是交流电，通过交流发电机产生，一个或多个变压器整流单元（TRU）进行整流和滤波，为需要直流电的设备提供直流电压。辅助动力单元（APU）产生的二次交流电通常在地面发动机怠速时使用，以及在机载设备发生故障时作为备用电源。可靠性是关键问题，重要的交流和直流组件连接到特定的总线，并且采取特殊措施以确保在几乎所有故障情况下这些总线都能获得电力。如果所有交流发电都中断，系统中会配备静态逆变器，以便从飞机电池为重要的交流总线供电。图5展示了一个典型的飞机电源系统示意图。

飞机电源系统

图5：典型的飞机电力系统同时提供交流和直流电源。开关 / 断路器（S/B）用于控制和引导电力流向。

模块化数字化仪非常适合进行交流和直流电源完整性测量，因为它可以监测多个电压和电流。像TS-M2p.5968-x4这样的数字化仪具有进行差分测量的能力，这在测量电流时有助于实现接地隔离。常见的测量项目包括电压、电流、功率、效率、纹波电压、负载调整率、输入调整率、谐波含量、上电和断电顺序等。

28V电源总线测量

图6：28V电源总线的测量。左图显示了在30V满量程范围内的基本采集。右上格是垂直放大视图，展示了纹波。右下格是纹波电压的快速傅里叶变换

作为一项常见的电源完整性测量示例，我们来看图6中所示的28V直流总线上的纹波电压测量。

左图网格中采集到的波形以30V满量程显示了直流电压。信息面板中显示的波形平均值为27.969V。右上格是垂直放大视图，通过光标测量得出纹波频率为 4807Hz。信息面板中测量并显示的纹波峰峰值为 140.991mV。右下格包含纹波电压的快速傅里叶变换（FFT），显示基频为4800Hz，还有多个谐波以及一些杂散频率。

交流电压源大多是三相400Hz的，模块化数字化仪能够测量相电压和相电流、线电压和线电流、功率、频率以及谐波含量。图7是一个三相电压、电流和功率测量的示例。

120V总线的三相电压（A、B和C）叠加在一个公共网格上，显示出它们之间120°的相位差。每相的有效电压和峰峰值电压测量值记录在左侧的信息面板中。有效电压或均方根（RMS）电压标称值为120V，峰峰值电压为340V。相电流也显示在一个公共网格上，彼此之间具有相同的相位关系。负载的功率因数会导致电压和电流波形之间出现相位差。在本实验中使用的是纯电阻负载，因此相位差为0°。

每相功率通过每相电压和电流的乘积来计算。总功率则是各相功率之和。这些只是可以在飞机电源总线上进行的众多测量中的一部分。

三、射频测量

120V三相总线测量

图7：这是对120V三相总线的全面测量，信息窗格中的测量数据展示了有效（均方根，RMS）电压、峰峰值电压与电流，还有每相功率及总功率。

飞机还使用多种基于射频（RF）的设备，包括无线电通信设备、高度计、导航辅助设备以及雷达。射频测量需要带宽更大的模块化仪器，德思特Spectrum的TS-M4i.2230-x8型号就是一个例子。这是一款基于 PCIe 接口的单通道8位数字化仪，带宽为1.5GHz，最大采样率为5GS/s。该带宽和采样率与甚高频（VHF）及较低频段超高频（UHF）设备的直接采集，以及许多更高频率设备的中频采集兼容。这款数字化仪配备4GS的采集内存。以5GS/s的最大采样率，4GS的内存可以采集800毫秒的数据。这在长时间采集过程中能提供良好的时间分辨率，有助于解读相位调制或频率调制信号。

举个简单的例子，如图8所示，测量一个1GHz雷达的脉冲重复频率（PRF）。

雷达信号FFT

图8：啁啾雷达脉冲的快速傅里叶变换（FFT）展示了 1GHz 载波的频率偏移情况。

雷达信号以5GS/s的采样率采集500微秒，使用2.5MS的采集内存。采集到的信号通过平方运算进行幅度解调，然后对平方后的信号进行低通滤波，这样就可以轻松测量检测到的幅度包络。左侧的信息面板显示脉冲重复频率为10kHz，脉冲宽度为9.955微秒，占空比为9.955%。

FFT可用于展示调频啁啾雷达脉冲的频域视图，如图8所示。

雷达的射频载波通过线性斜坡进行频率调制，FFT显示了频率偏移范围。在9.95微秒的脉冲持续时间内，载波频率从998MHz偏移到1002MHz。

这些是使用模块化数字化仪可以进行的一些常见射频测量。通过将采集到的波形传输到计算机进行进一步分析，可以完成更复杂的处理和测量。

四、便携式或固定式模块化仪器系统

模块化测试系统

图9：模块化测试系统可配置为大量测量通道或用于便携式应用

测试飞机系统需要测试系统架构具备一定的灵活性。模块化仪器在封装方面具有很大的灵活性。图9展示了一个用于多通道和固定应用的高容量模块化测试系统，以及一个便携式系统。

在这两个示例之间还有许多其他选择。用户可以根据测量需求和使用场景配置测试系统。模块化数字化仪非常适合模拟信号采集，也能与其他模块化仪器很好地配合使用，如用于模拟信号生成的任意波形发生器（AWG），以及可以采集或生成高速数字信号的数字I/O卡。这使得为各种核心飞机电子系统创建定制测试系统甚至仿真平台成为可能。