GJB289A總線網絡電氣特性仿真及故障分析

鄭敬杭，江志東，霍立平，張弟

（1.海軍航空大學青島校區航空電子工程與指揮系，青島 266041）

（2.中國人民解放軍92975部隊，寧波 315000）

0 引言

GJB289A總線是第三代戰機航空電子系統的“神經”和“骨架”，它實現了各類航空電子設備之間的物理連接，進而實現其信息融合和功能綜合。GJB289A總線網絡的可靠性直接影響整個航電系統的正常運行，如何對總線網絡進行全面有效的檢測是長期以來的一個重要課題。

GJB289A總線網絡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。通常通過自檢測和串件可發現和定位總線接口板的故障。由于制作工藝、使用維護和可靠性等原因，GJB289A總線連接組件電氣故障造成的問題日益突出。在外場環境下若不能快速、準確定位網絡電氣故障，將嚴重影響飛機再次出動的效率。

根據信號完整性理論對總線網絡進行電氣特性仿真分析，可為檢測設備的研制和優化提供技術支撐。尋建暉、昶旭曦通過建立總線網絡模型完成電氣參數和誤碼率的分析，旨在為高速GJB289A總線規范的制定提供理論依據；G.L.Fehlhaber系統研 究 了1553B總 線 組 件 的 電 氣 特性；MIL-HDBK-1553A標 準中 明 確 了1553總線的測試要點和通過準則；李文娟等介紹了飛行器健康管理系統（IVHMS）技術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鍵技術。從總線網絡健康管理的需求看，應開展全壽命周期內總線網絡的預防性檢測工作，而目前均是在出現故障后才開展檢測。此外，系統梳理GJB289A總線網絡典型電氣故障特征參數，開展電氣故障診斷的研究也未見報道。

本文在分析典型總線網絡拓撲結構和理論推導的基礎上，根據總線網絡分立元件（變壓器、電阻、屏蔽雙絞電纜）分布參數建立仿真模型，實現兩端口典型網絡下的GJB289A總線仿真，完成典型電氣故障模擬，并結合實驗室環境搭建的網絡進行實測對比分析。通過仿真和實測對比驗證的方式，分析GJB289A總線網絡中總線連接組件出現典型電氣故障時的特征波形和特征參數，以期為外場總線網絡電氣故障的快速診斷及GJB289A總線檢查設備的優化設計提供參考依據。

1 GJB289A總線典型網絡理論分析

根據相關標準，“某個支路的故障不影響整個系統”及耦合變壓器特性，本文在仿真與實測時均采用典型的一發一收兩端口總線網絡。

典型兩端口總線網絡電氣結構如圖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 典型兩端口總線網絡結構示意圖Fig.1 Structure diagram of typical two-port bus network

耦合變壓器的繞組匝數比為1∶1.41。在子線端口的負載、線纜傳輸損耗以及網絡上其他耦合器的影響可忽略不計的情況下，典型總線網絡電氣結構等效電路如圖2所示。

圖2 典型兩端口總線網絡等效電路Fig.2 Typical equivalent circuit of two-port bus network

圖1中的G與H端的負載為高阻抗時，可根據電路推導公式（式（1）～式（2））計算得出V與V的關系：

測量兩組子線間的插入損耗（IL），通過分析插入損耗等相關電氣性能參數，可實現總線網絡物理層面性能測試和電氣故障診斷。插入損耗計算公式為

根據上述推導，可以計算典型總線網絡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下的標稱值。

同理，當終端一端電阻開路時，經等效電路推導得到此時V=2V/5，V比總線網絡正常通信情況下高0.15V，這將導致接收端收到的電壓比正常值高。可以計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下的標稱值。

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

2 GJB289A總線仿真模型搭建與驗證

GJB289A總線網絡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稱，是GJB289A總線網絡的重要組件，實現主總線和短截線之間的信號傳輸，起到故障隔離的作用，其內部核心器件為變壓器和隔離電阻。終端電阻用來實現阻抗匹配，防止信號反射。屏蔽雙絞電纜作為傳輸媒介，根據所處位置，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。

根據文獻［8］，考慮電纜的分布參數效應，分布電阻、電感和電容等的影響，主總線電纜分布參數如表1所示。

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

2.1 分布參數模型搭建

典型總線網絡分布參數仿真示意圖如圖3所示，其中一個終端作為發送端Tx，另外一個終端作為接收方Rx。主電纜模型采用ADS（Advanced Design System）仿真環境下實例化庫中的CLINP（有損耦合傳輸線）模型并根據表1中數據配置參數。發送端添加頻率為1 MHz的脈沖波作為激勵信號。在分布參數模型的各個位置添加測試點，如V、A、B、C、D、E、F、V等，便于后續導出用于波形完整性分析。

圖3 典型總線網絡分布參數仿真示意圖Fig.3 Simulation diagram of distribution parameters of typical bus network

2.2 分布參數模型驗證

將ADS環境下仿真結果與實際測量結果對比，以檢驗仿真模型的有效性。在確定仿真模型有效性的基礎上，通過調整參數模擬典型故障來分析總線網絡的電氣特性。根據GJB289A協議的波形完整性要求，以發送/接收端口短截線的線與線間電壓的峰—峰值V和V作為比較的對象。仿真與實測發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，參數對比如表2所示。

圖4 典型兩端口網絡發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仿真與實測接收端特征參數對比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測的波形吻合，表征波形特征的數據也很接近，說明該模型滿足要求。

3 典型電氣故障研究

依托兩端口網絡分布參數模型，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，以期為外場環境下根據GJB289A網絡實測波形及特征參數快速判斷故障類型提供依據。

3.1 終端電阻超差故障

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

仿真與實測發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，特征參數如表3所示。

圖5 網絡一側開路故障時發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 仿真和實測參數比較（網絡一側開路故障）Table 3 Comparison of simulated and measured parameters（open-circuit fault on one side of the network）

當兩個匹配電阻均未連接（開路或故障）時，同理可知該情況可等效為收發兩端的短截線直接通過總線線纜連接在一起。因為接收端為高阻抗，此時隔離電阻R=0.75Z，相對較小，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。

仿真與實測發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，參數比較如表4所示。

圖6 網絡兩側開路故障時發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 仿真和實測參數比較（網絡兩側開路故障）Table 4 Comparison of simulated and measured parameters（open-circuit fault on both sides of the network）

3.2 耦合器故障

當總線網絡耦合器的收發端未連接或出現故障時，相當于短截線直接連接。由于信號的反射、振蕩，在總線網絡進行通信時，收發信號將產生過沖，仿真系統和實測得到的特征波形如圖7所示。

圖7 耦合器故障時發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

總線網絡的電纜故障通常是指總線或子線網絡中相關的信號線高低端之間發生開路、短路、錯接或信號線與屏蔽層之間發生的短路。其中開路故障類型包括接觸不良、內阻增大等異常現象；短路故障類型包括因使用磨損等情況導致的電纜絕緣電阻降低、錯接等異常現象。

屏蔽雙絞電纜是GJB289A總線網絡物理組成的重要連接組件，占比最大，在外場環境下，電纜故障率高、故障查找困難。為研究電纜故障類型導致的接收端波形特征變化，進而實現典型電氣故障的快速診斷，設計制作錯接（信號線Hi與Lo接反）、短路（信號線Hi與屏蔽層短接、信號線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，通過調整分布參數進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絡，觀察得波形如下。

（1）模擬故障件信號線Lo與屏蔽層短路故障時，得到收發端波形如圖9所示。

圖9 信號線Lo與屏蔽層短路時發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

根據差分信號傳輸的特點，其信號值是作用在雙絞線兩條導體上的電壓差，作用在雙絞線兩導體上兩個信號的振幅相等，相位相差180°，極性相反。從圖9可以看出：當Lo與屏蔽層短路時，最明顯的變化為接收端信號幅值變為正常情況下接收幅值的約1/2，利用該特點可以進行故障區分。

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

圖10 信號線Hi與屏蔽短路時發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）模擬信號線Lo與Hi錯接故障時，得到收發端波形如圖11所示。

圖11 信號線Lo與Hi錯接時發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，當出現信號線高低端錯接故障時，會導致接收端信號接收出現相位顛倒。

綜合以上三類故障模擬情況分析可知：

（1）信號線Hi/Lo與屏蔽層短路故障時，兩者波形存在明顯區別：信號線Lo與屏蔽層短路時，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；信號線Hi與屏蔽層短路時，接收端收不到通信波形，但會出現尖峰現象，此時總線網絡無法正常通信。

（2）當信號線Hi、Lo錯接時，接收端與發送端會出現反相現象。在現實中，此類問題常出現在對現役戰機進行加改裝時，對總線網絡線纜拼接出現高低端錯接。

（3）主總線和短截線過長也可能引起錯誤，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、接地情況或其他標準要求未達到時，實際工作時可能會出現間歇性通信錯誤。

4 典型電氣故障特征分析

依托兩端口網絡分布參數模型對典型電氣故障進行仿真，梳理典型電氣故障的特征波形和參數，構建典型電氣故障特征參數檢查表，如表5所示。

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

表5可以作為兩端口網絡的典型電氣故障的唯一性判斷，為實際總線網絡故障的檢測技術升級與設備的改進提供一定參考。

需要注意的是：表5所示內容是基于典型的兩端口盒式耦合器總線網絡，未考慮實際線纜長度對特征波形和特征參數的影響。此外，實際機載總線網絡采用的是線式耦合器，不具有可分割性。基于分布參數的仿真方法相對于實測方法更方便。當兩個耦合變壓器之間線纜長度或其他因素發生變化時，表5中的特征波形與參數均會發生一定變化，因此該方法在實際使用中需要考慮不同機載、車載或星載等平臺的總線網絡拓撲結構、物理尺寸與分布參數，以獲得精確的波形和特征參數，實現網絡狀態健康管理和故障的精確定位判斷。

5 結論

（1）根據GJB289A總線網絡中變壓器、終端電阻分布參數、有損耦合傳輸線模型，在ADS軟件中構建了包含兩個耦合變壓器的兩端口GJB289A總線網絡模型，通過理論推導和實驗室實測對比分析，驗證了基于分布參數仿真模型的有效性。

（2）利用GJB289A總線網絡兩端口分布參數模型進行典型電氣故障的仿真，并與實測結果對比，分析梳理典型電氣故障類型的特征波形和參數，構建了故障判斷檢查表，可以實現兩端口GJB289A總線網絡典型電氣故障的唯一性判斷。

（3）結合實裝GJB289A總線網絡拓撲結構、物理尺寸和分布參數，利用本文方法可仿真獲取實裝GJB289A總線網絡測試端口精確波形和典型電氣故障的特征參數，為總線檢測設備的優化改進和總線網絡狀態健康管理提供數據支撐。