CN102299824B - 一种1553b总线网络传输特性分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种1553B总线网络传输特性分析方法，包括确定分析起点获得等效电路的步骤；根据等效电路迭代计算发送端与目的终端间电压的步骤；根据获得的电压确定网络传输特性的步骤；利用网络的传输特性评价1553B总线网络拓扑结构的步骤。采用本发明避免了通过实物验证对1553B总线网络传输特性进行分析的不便，优化了1553B总线网络的设计过程。

Description

一种1553B总线网络传输特性分析方法

技术领域

本发明属于总线设计技术领域，涉及一种1553B总线网络传输特性分析方法。

背景技术

1553B总线作为实时控制总线，具有传输时间确定、传输数据可靠的特点，在航空、航天系统中有着广泛的应用。1553B总线信号以曼切斯特双相电平码(矩形波)形式在总线网络中传播。总线终端设备以其内部时钟采样网络通信信号，依据传输信号的上升沿和下降沿，判断信息内容。

1553B总线网络典型传输信号为1MHz，理想总线网络的典型特性阻抗为75Ω。总线网络拓扑结构的变化，引起输特性的变化。短截线的接入引起主总线特性阻抗的变化，引起波形的反射，总线衰减引起波形失真。

航天系统中应用的1553B总线有级间总线分离操作，将引起总线拓扑结构变化，进而影响总线传输特性。如果通过实物验证网络拓扑对总线网络性能的影响，周期长，费用高。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种1553B总线网络传输特性分析方法。采用本发明避免了通过实物验证对1553B总线网络传输特性进行分析的不便，优化了1553B总线网络的设计过程。

本发明的技术解决方案是：

一种1553B总线网络传输特性分析方法，通过以下步骤实现：

(1)以发送终端为起点，将发送终端与紧邻终端以及发送端与紧邻终端间的1553B总线转换为S域等效电路；所述发送终端为利用1553B总线电缆发送信号的BC或RT站点；所述紧邻终端为在1553B总线电缆上，在发送终端到信号目的接收终端方向上的下一个BC或RT站点；

(2)根据步骤(1)得出的等效电路求得发送端和紧邻终端的电压并存储；

(3)以紧邻终端为新的起点，依次重复进行步骤(1)(2)，直到获得所述紧邻终端为信号目的接收终端时的电压并存储；

(4)利用步骤(3)得到的信号目的接收终端电压以及发送终端的发送信号电压得到所述发送终端与所述接收终端间的网络传输特性；

(5)利用步骤(4)得到的网络传输特性对1553B总线网络的拓扑结构进行评价。

在所述步骤(1)中得到S域等效电路时，将1553B总线的总线电缆、短截线、耦合变压器、隔离电阻、端接电阻和终端所构成的电路等效为二端口网络。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1.本发明采用S域方法对1553B总线进行分析，根据S域分析方法的特点，能得精确的总线模型，便于对总线网络传输特性的分析，从而可获得对总线网络拓扑结构的精确评价。

2.在对1553B总线进行S域分析时，本发明将1553B总线上的总线电缆、短截线、耦合变压器、隔离电阻、端接电阻和终端所构成的电路等效为双端口网络级联，通过这样的等效处理可以使简单明确的对1553B总线结构模型。

3.利用1553B总线S域分析方法对网络的拓扑结构进行分析，涉及的计算量相对较小，减小了对复杂网络的仿真时间，便于计算机自动实现。

附图说明

图1为传输线模型示意图；

图2为s域网络级联示意图1；

图3为网络结构结构示意图；

图4为s域网络级联示意图2；

图5为本发明流程图；

图6为相邻耦合点间反射示意图；

图7为主电缆到终端间反射示意图；

图8为终端到主电缆间反射示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步介绍。

S域模型是把1553B总线的几个核心部件(总线电缆、短截线、耦合变压器、隔离电阻、端接电阻和终端所构成的电路)等效成二端口网络，进而使用二端口网络级联的方法，并用s域解法推导传输线网络上每一点的响应，直接用均匀传输线复频域的解法来描述源端和负载端的电压和电流。在每个耦合点(即1553B总线上的设备接入点)处，1553B总线网络会连接着两段传输线。对于1553B总线网络的分析主要是对耦合处反射，透射情况的分析。S域建模的要点是将一对耦合点之间的网络一个个级联起来，于是整个网络就相当于若干个这样的网络级联。

(1)传输线S频域模型介绍

图1是一段传输线的模型，设Z₁(S)是源端内阻，Z₂(S)是负载端内阻，Z_C是电缆的特征阻抗。则应用S域解负载Z2端的电压U(x，s)和电流I(x，s)的方程和边界条件如下所示。

$\left\{\begin{array}{c}U(x,s)=U^{+}\left(s\right)e^{-\mathrm{\γx}}+U^{-}\left(s\right)e^{\mathrm{\γx}}\\ I(x,s)=\frac{U^{+}\left(s\right)}{Z_c}{e}^{-\mathrm{\γx}}-\frac{U^{-}\left(s\right)}{Z_c}{e}^{\mathrm{\γx}}\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{c}{U}_1\left(s\right)=U(x,s){|}_{x=0}=E\left(s\right)-I_1\left(s\right)Z_1\left(s\right),I_1\left(s\right)=I(x,s){|}_{x=0}\\ U_2\left(s\right)=U(x,s){|}_{x=l}=I_2\left(s\right)Z_2\left(s\right),I_2\left(s\right)=I(x,s){|}_{x=l}\end{array}\right.$

其中，γ为传输线理论中的传播常数，e为自然常数。

解上述两个方程可得下式所示的均匀无耗传输线的复频域电压和电流解：

$\left\{\begin{array}{c}U(x,s)=\frac{E\left(s\right)Z_c[e^{-\mathrm{\γx}}+N_2\left(s\right)e^{-\mathrm{\γ}(2l-x)}]}{[Z_1\left(s\right)+Z_c][1-N_1\left(s\right)N_2\left(s\right)e^{-\mathrm{\γ}2l]}}\\ I(x,s)=\frac{E\left(s\right)[e^{-\mathrm{\γx}}-N_2\left(s\right)e^{-\mathrm{\γ}(2l-x)}]}{[Z_1\left(s\right)+Z_c][1-N_1\left(s\right)N_2\left(s\right)e^{-\mathrm{\γ}2l]}}\end{array}\right.$

(2)1553B总线网络模型的S域分析

1553B总线网络与经典传输线链联的不同之处在于，在每个耦合点处，1553B总线网络会连接着两段传输线。针对1553B总线网络中这样的结构，有三种情况讨论负载端电压的计算。

情况一：如图6所示，主电缆上两相邻耦合点之间的反射。反射系数N₁(S)与N₂(S)及源内阻Z₁(s)都是实数。

$[1-N1N2e^{-\mathrm{\γ}2l}]U(l,s)=\frac{Z_c}{Z1+\mathrm{Zc}}[1+N2]e^{-\mathrm{\γl}}E\left(s\right)$

其中，U(l，s)为据源段为l处s域的电压，l代表长度。

对应的时域差分方程：

$U(l,t)-N1N2e^{-\mathrm{real}\left(\mathrm{\γ}\right)2l}U(l,t-2\mathrm{\τ})=\frac{Z_c}{Z1+\mathrm{Zc}}[1+N2]e^{-\mathrm{real}\left(\mathrm{\γ}\right)l}E(t-\mathrm{\τ})$

其中，U(l，t)为l处的时域电压；-real(γ)l，为γ的实部与L的乘积；E(t-τ)为E(S)的时域表示。

情况二：如图7所示，主电缆到终端之间的反射，反射系数N1(s)＝0，Z1(s)＝Zc

$U(x,s)=\frac{E\left(s\right)Z_c}{[Z_1+Z_c]}[e^{-\mathrm{\γx}}+N_2\left(s\right)e^{-\mathrm{\γ}(2l-x)}]$

$U(l,s)=U(x,s){|}_{x=l,Z1=Z_c}=\frac{E\left(s\right)}{2}{e}^{-\mathrm{\γx}}[1+N_2\left(s\right)]$

$U(l,t)=e^{-1}\left[U\right(l,s]=e^{-1}[\frac{E\left(s\right)e^{-\mathrm{\γl}}}{2}]\⊗e^{-1}[1+N_2\left(s\right)]$

情况三：如图8所示，终端到主电缆之间的反射，反射系数N2(s)＝0，这种情况只有在发射端会出现，处理办法类似情况二。

对于1553B总线网络的分析主要是对耦合点的反射，透射情况进行分析，用S域解法建模的要点是将一对耦合点之间的网络(如图2)一个个级联起来，于是整个网络就相当于若干个这样的网络级联。

(3)分析步骤

下面结合图5所示的本发明流程图对分析步骤进行介绍。

a、以发送终端为起点，将发送终端与紧邻终端以及发送端与终端间的1553B总线转换为S域等效电路。其中，发送终端为利用1553B总线电缆发送信号的BC或RT站点；紧邻终端为在1553B总线电缆上，在发送终端到信号目的接收终端方向上的下一个BC或RT站点。

上述的发送终端与紧邻终端间的网络结构如图3所示，其中，将1553B总线的总线电缆、短截线、耦合变压器、隔离电阻、端接电阻和终端所构成的电路等效为二端口网络。得到的S域等效电路如图2所示中的线框内部分所示。

b、根据图2中的等效电路求得发送端和紧邻终端的电压并存储，此时在计算时间忽略后级的影响。后级的方向定义为将总线看成双端口网络级联，后级即分析波形传输方向上的下一个双端口网络。

c、以紧邻终端为新的起点，依次重复进行上述a、b的步骤进行迭代计算，直到获得紧邻终端为信号目的接收终端时的电压并存储。

重复继续迭代计算始端电压中由于多次反射引起的变化电压(总电压-初始入射电压)作为初始入射电压对始端“以左”电路的电压造成的影响如图4中的线框内所示。“以左”是指与发送终端到信号目的接收终端相反的方向。

图4中的线框表示先不考虑将网络中其他部分的影响，而只考虑源U0(s)，内阻为Z0(s)，负载为Z4(s)的情况下源端的电压和负载端电压表达式，这个表达式如

$\left\{\begin{array}{c}U(x,s)=\frac{E\left(s\right)Z_c[e^{-\mathrm{\γx}}+N_2\left(s\right)e^{-\mathrm{\γ}(2l-x)}]}{[Z_1\left(s\right)+Z_c][1-N_1\left(s\right)N_2\left(s\right)e^{-\mathrm{\γ}2l]}}\\ I(x,s)=\frac{E\left(s\right)[e^{-\mathrm{\γx}}-N_2\left(s\right)e^{-\mathrm{\γ}(2l-x)}]}{[Z_1\left(s\right)+Z_c][1-N_1\left(s\right)N_2\left(s\right)e^{-\mathrm{\γ}2l]}}\end{array}\right.$

这里

$\left\{\begin{array}{c}E\left(s\right)=U_0^{\′}\left(s\right),Z_1\left(s\right)=Z_0\left(s\right),Z_2\left(s\right)=Z_4\left(s\right)\\ N_1\left(s\right)=\frac{Z_0\left(s\right)-Z_c\left(s\right)}{Z_0\left(s\right)+Z_c\left(s\right)}\\ N_2\left(s\right)=\frac{Z_4\left(s\right)-Z_c\left(s\right)}{Z_4\left(s\right)+Z_c\left(s\right)}\end{array}\right.$

求得U4(s)＝U(1，s)，是为Z4阻抗上得到的电压，这个电压会作为后级传输线的初始入射电压。

而源端得到电压U(0，s)减去改点的初始入射电压得到的差电压将作为新的初始入射电压对右边的电路造成影响。

d、利用c步得到的信号目的接收终端电压以及发送终端的发送信号电压得到所述发送终端与所述接收终端间的网络传输特性。

综上所述，本发明的关键就是将后接多段不匹配传输线的网络复频域分析分解为多个一段传输线复频域分析的叠加，以紧邻终端得到的透射电压作为后级电路(传输线)的初始入射电压，发送终端所得到的电压减去该端的初始入射电压得到的差电压就是发送终端与信号目的接收终端之间电压多次反射所引起的变化，这个变化其实就是反射电压在发送终端形成的透射电压，这部分电压会作为发送终端的前级电路的初始入射电压。

e、利用得到的网络传输特性对1553B总线网络的拓扑结构进行评价；利用以上方法，分析总线网络上各站点依次做发送端，其它站点的接收到的波形，若所有波形，均满足1553B总线协议要求，则总线网络拓扑结构设计合理、可行；若有的站点波形，不满足协议要求，修改相应站点与其它站点间的间距进行，以及分支总线的长度，改善网络拓扑机构，进而改善网络传输特性，直至满足总线协议要求。

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (1)

1.一种1553B总线网络传输特性分析方法，其特征在于通过以下步骤实现：

(1)以发送终端为起点，将发送终端与紧邻终端以及发送终端与紧邻终端间的1553B总线转换为S域等效电路；所述发送终端为利用1553B总线电缆发送信号的BC或RT站点；所述紧邻终端为在1553B总线电缆上，在发送终端到信号目的接收终端方向上的下一个BC或RT站点；

(2)根据步骤(1)得出的等效电路求得发送终端和紧邻终端的电压并存储；

(3)以紧邻终端为新的起点，依次重复进行步骤(1)(2)，直到获得所述紧邻终端为信号目的接收终端时的电压并存储；

(4)利用步骤(3)得到的信号目的接收终端电压以及发送终端的发送信号电压得到所述发送终端与所述接收终端间的网络传输特性；发送终端与所述接收终端间的网络传输特性具体分析方法如下：

将1553B总线后接多段不匹配传输线的网络复频域分析分解为多段传输线复频域分析的叠加，即多个双端口网络的叠加，以紧邻终端得到的透射电压作为后级传输线的初始入射电压，以发迭终端得到的透射电压作为发送终端的前级传输线的初始入射电压；所述发送终端透射电压，为反射电压减去该端的初始入射电压得到的电压差；

(5)利用步骤(4)得到的网络传输特性对1553B总线网络的拓扑结构进行评价；

所述步骤(1)中得到S域等效电路时，将1553B总线的总线电缆、短截线、耦合变压器、隔离电阻、端接电阻和终端所构成的电路等效为双端口网络。