摘 要：本文分析了商业标准数据总线CSDB的协议,并基于LabVIEW软件建立了计算机与待测航空机载设备之间的CSDB总线通信,成功实现了基于CSDB总线的自动测试。
引言
商业标准数据总线(Commercial Standard Digital Bus,以下简称CSDB总线)是由罗克威尔公司柯林斯通用航空电子分部制定的航空电子设备间互连的串行总线标准,被广泛应用于客机、军用运输机等无线电设备之间的互联通信。其广泛应用为机载航空电子设备的可靠性提供了保障,却为机载电子设备的测试和维修带来了不便,维修或测试人员不能通过传统测试设备,如示波器、万用表等完成总线数据的测试,而必须借助相关产品联测才能完成某一UUT(Unit Under Test)的测试。本文基于此需求,分析和研究了CSDB总线的协议,并介绍了通过计算机的RS-232串口及相应电平转换电路,基于LabVIEW7.1软件开发平台实现的计算机与UUT的双向通信。其中,支持通信的软件实现是关键。
图1 CSDB总线结构
CSDB总线协议简介
CSDB总线体系结构的物理层规定了总线的机械特性和电气特性;数据链路层给出了数据帧的定义以及数据帧之间的定时要求,并对总线连接的各种航空设备的参数做出了详细的规定。
物理层
CSDB是单向广播式异步串行总线标准,它可以构成单信源、多接收器的传输系统。总线数据采用NRZ编码,全双工差分方式传输。CSDB信号的数据格式与RS-232-C标准完全相同,都为异步串行通信格式,即：一个起始位、八个数据位、一个奇偶校验位、一个停止位,其电气标准为RS-422-A。
数据链路层
CSDB总线是面向字节的传输协议,固定长度的字节组成消息块,再由一定长度的消息块组合成帧,封装在数据帧中的不同数据通过各自的地址字节加以区别,不同的数据帧之间通过同步消息块分割。CSDB总线数据结构如图1所示。
在图1中,消息块(Message Block)的第一个字节Byte 0称为标识 (或地址),消息块都是通过标识来区分的。消息块的长度是固定不变的,为6字节。CSDB采用的是异步串行传输方式,通过起始位和停止位完成字节的位同步,因此,在编码中不必带有时钟信息。帧同步通过识别同步消息块6个字节的十六进制“A5”来实现,同步消息块标识了每个数据帧的开始位置。
其中：t1=帧时间长=1/最大更新率
t2=消息块间隙时间长(无限制)
t3=总线空闲时间(最小11bit的时间)
t4=字节间隙时长(无限制)
CSDB总线信号测试
测试原理
对CSDB总线信号进行测试,是先将CSDB信号电平转换为和计算机适应的RS-232电平,再根据CSDB总线的规则,实现对控制信息的正确发送和实时反馈信息的正确接收,并根据需要,将有用信息提出送测试系统处理,完成对航空机载设备的自动化测试。具体步骤分为信号电气转换、通信同步、LabVIEW实现。
图2 CSDB总线信号通信原理框图
通信配置
(1)电气转换
CSDB总线信号经过电气转换芯片后直接与计算机进行串口通信。在进行RS-422-A到RS-232的电气标准转换时,使用MAX488全双工电平转换芯片。
(2)通信同步
CSDB总线为异步串行通信,按照串行数据传输的基本原理,实现正确通信的基本条件是保持接收和发送双方时钟一致,以避免发送与接收双方的数据位宽产生累积误差,造成不能正确检测到总线数据。在串行通信中,信息是按位传送的,传送速率用波特率表示,数据的发送和接收受各自的时钟控制,因此,发送方和接收方的波特率应保持一致。经对具体部品测试,CSDB数据总线数据波特率为12.5Kbit/s,为与此同步,要求计算机产生的波特率也应为12.5Kbit/s。
如图2所示,在计算机中负责串行通信的器件为8250异步通信适配器(UART),或其兼容元器件,程序通过对8250内部的寄存器读写来控制通信模式,8250使用频率为1.8432MHz的基准时钟输入信号作为主数据时钟,通过对8250内部寄存器置位来获得需要的波特率。在异步串行通信中,为防止由于信号畸形、不同步等原因造成对数据的误读,通信适配器规定每读取或发送1bit数据至少要用16个时钟脉冲来控制其波特率,实际应用中波特率时钟是主时钟的1/16或1/(16×N),对于要求的波特率,在写寄存器时用如下公式计算除数因子：
除数因子=(主数据时钟频率/16)/波特率=115200/波特率
在算出除数因子后,将相应数据写入8250内部的波特率设置寄存器,即可在串口得到相应波特率的数据。经计算,115200除以12500后不为整数,所以,受到计算机异步通信适配器8250的限制,在波特率设置上不能完全和12.5Kbit/s相同,经计算,当除数因子取9时对应的波特率为12.8Kbit/s,与CSDB总线要求的波特率最为接近,其每bit占据78?S,相对80?S/bit(12.5Kbit/s)误差为0.25％,小于串行通信波特率最大容许误差5％,理论上可实现通信同步,因此在程序上将通信的波特率设置为12.8Kbit/s。
基于LabVIEW7.1的总线通信
用LabVIEW7.1编程来实现总线通信时,用户不必对GPIB,RS-232,VXI等硬件有专门的了解,LabVIEW为用户提供了标准的I/O接口函数库,在Lab VIEW的Functions→All Functions→Instrument I/O中提供了GPIB、串口通信等各种函数模块,为实现串口通信提供了便捷的实现方法。软件流程如图3所示。
图3 串口通信软件流程图
软件设计中的关键问题及解决方法
(1) 发送数据帧结构多样化解决方法
通过对系统中不同部品的实际测试发现,由于其互联情况不同,相应部品控制码的帧结构也不尽相同,同步字后跟1～4个控制消息块不等,而在自动化测试系统中要求此通信软件具有通用性。为此,将发送程序中控制消息块接口设为最大(4个),当程序检测到某一接口有数据输入时就发送此数据,若没有,则以相等长度的延时替代。这样,在保证所有数据帧周期相同的情况下,满足了不同部品控制码的不同要求。
(2) 接收数据多重校验
数据接收程序中,LabVIEW要求设置接收数据缓冲长度,程序在接收此长度数据后才能进行后续处理。实际程序运行后发现,如缓冲长度仅为一帧(24×8bit),接收数据有可能误接收。为避免此情况,将缓冲长度设置为一帧字长的4～6倍,在接收到数据后,再根据同步字、标号等多重匹配原则进行验证后将数据取出,再将4～6组数据相比较,如相同,则认为数据可信,如不相同,则认为数据不可信。
结语
作CSDB总线数据测试时,可以方便通过界面改变需要发送的数据,接收的数据也可实时显示出来,便于测试分析。把此程序封装成一个子函数模块,可应用于某航空无线电自动测试系统中,基于对CSDB总线的收发控制,成功实现了VIR-32导航接收机、VHF-22 甚高频电台等相关产品的自动测试。■
