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(1. 上海航天設(shè)備制造總廠，上海，200245；2. 中航光電科技股份有限公司，河南洛陽，471000)

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新型組合式1553B數(shù)據(jù)總線耦合器的設(shè)計(jì)

莫?jiǎng)Χ?，徐鴻2

(1. 上海航天設(shè)備制造總廠，上海，200245；2. 中航光電科技股份有限公司，河南洛陽，471000)

摘要：本文從現(xiàn)有數(shù)據(jù)總線耦合器結(jié)構(gòu)入手，指出了它在需要返工時(shí)的缺點(diǎn)，分析了耦合器組成各元件的主要功能及結(jié)構(gòu)原理，由此構(gòu)想出新的組合式結(jié)構(gòu)，并對(duì)比分析了兩種結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，指出該結(jié)構(gòu)具有一定的推廣意義。

關(guān)鍵詞：耦合器； 耦合串路小單元； 總線盒；耦合放大器

1引言

耦合器是1553B數(shù)據(jù)總線耦合器的簡稱，按結(jié)構(gòu)分為變壓器耦合方式和直接耦合方式兩類，本文只討論變壓器耦合方式的。它專用于各種1553B數(shù)據(jù)總線網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，是總線網(wǎng)絡(luò)的核心，是必不可少的一個(gè)單元。耦合器的作用主要有以下三點(diǎn)：

1) 信號(hào)耦合，就是把總線上傳輸?shù)男盘?hào)耦合到支線上，使得各種終端設(shè)備能夠獲得總線上的信息。

2) 信號(hào)隔離，就是把總線上的信號(hào)和短截線(俗稱“子線”)上的信號(hào)隔離開，不使其直接相通，當(dāng)某個(gè)終端設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，不會(huì)引起總線產(chǎn)生故障，起到一定的故障隔離作用。

3) 信號(hào)抑制，變壓器式耦合器，采用了線圈等元器件，具備抑制共模信號(hào)的作用。

2數(shù)據(jù)總線耦合器現(xiàn)狀

數(shù)據(jù)總線耦合器是隨著1553B數(shù)據(jù)總線網(wǎng)絡(luò)發(fā)展起來的，主要分為線式和盒式(術(shù)語為“非連接器式”和“連接器式”)兩種結(jié)構(gòu)。其核心內(nèi)容相同，主要區(qū)別在于是否帶線及外形。目前，國內(nèi)外耦合器均采用整體式結(jié)構(gòu)，將耦合變壓器、隔離電阻集成到一塊印制板上，按用途分為總線(代號(hào)BUS)端和短截線(代號(hào)STUB)端兩種接線端，線式耦合器在BUS和STUB端分別焊接一定長度線纜，然后用尺寸適中的兩殼體扣合印制板，線纜屏蔽層焊接到殼體兩端，殼體腔內(nèi)灌膠充實(shí)，外部通過塑封或熱縮管縮封等形式保護(hù)殼體，并增加產(chǎn)品美觀，如圖1所示。盒式耦合器是在BUS和STUB端接標(biāo)準(zhǔn)DK-621型或其他類型連接器作為接口。

圖1　國內(nèi)外線式耦合器代表產(chǎn)品

此種結(jié)構(gòu)比較緊湊，外觀小巧美觀，性能優(yōu)良，符合軍用小型化高可靠的要求。但它也有兩個(gè)缺點(diǎn)：

①GJB5186.7(耦合器、終止器、線纜的規(guī)范)規(guī)定的部分性能為過程性能，對(duì)于此種不易拆卸的結(jié)構(gòu)無法驗(yàn)證，故GJB5186.5(總線規(guī)范)上有這么一句話“總線網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)驗(yàn)證測(cè)試，要求完成5.1所有的測(cè)試項(xiàng)目?？偩€網(wǎng)絡(luò)的生產(chǎn)測(cè)試也要求盡可能完成5.1所有的測(cè)試，由于生產(chǎn)階段實(shí)際中一般缺少物理測(cè)試點(diǎn)，所有允許5.1測(cè)試項(xiàng)中無法進(jìn)行的項(xiàng)目可不測(cè)試，但要求至少完成5.1.9的測(cè)試(Page3)”，是什么原因讓國軍標(biāo)都如此“無可奈何”？答案是不可拆卸的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)；

②產(chǎn)品若因單個(gè)零件損壞就得整體更換或返工維修，如其中一個(gè)變壓器被擊穿，無法耦合信號(hào)，導(dǎo)致某一根短截線信號(hào)不通，產(chǎn)品功能出現(xiàn)障礙，若要返工，則要拆開耦合器封裝、殼體，并將腔內(nèi)膠全挖掉，才能換掉失效元器件，再次經(jīng)過灌膠、焊接、封裝等工序才算返工完成。費(fèi)時(shí)費(fèi)力，成本也會(huì)相應(yīng)增加，且返工周期一般較長，且在返工過程中易對(duì)其他元器件造成損害卻不易被發(fā)現(xiàn)。

3組合式結(jié)構(gòu)

歸根結(jié)底，產(chǎn)品因?yàn)樽畛醯膽?yīng)用比較簡單，以單子線和雙子線為主，所以，設(shè)計(jì)者將產(chǎn)品設(shè)計(jì)為整體式，即使返工，難度也并不大。但是，隨著短截線數(shù)量的增加，產(chǎn)品變得更加復(fù)雜，失效率也會(huì)相對(duì)增加，雖一直沿用這種緊湊的結(jié)構(gòu)，但我們不能忽視了它的兩個(gè)缺點(diǎn)，而是需要從結(jié)構(gòu)上來進(jìn)行改進(jìn)。只有先了解產(chǎn)品結(jié)構(gòu)原理，才能在現(xiàn)有基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)或調(diào)整，以使產(chǎn)品更加完善。

首先，耦合器由耦合變壓器、電阻、印制板、導(dǎo)熱膠等組成。其中，耦合變壓器作用是實(shí)現(xiàn)總線與短截線的信號(hào)耦合傳遞和物理隔離，既實(shí)現(xiàn)“連接”又保證“隔離”；電阻的作用是防止耦合變壓器總線端短路而影響總線，同時(shí)保證阻抗的匹配；印制板作用是集成所有電子元器件，并提供內(nèi)部電路走線；導(dǎo)熱膠作用是填充耦合器，提高抗振、抗沖擊能力、良好的導(dǎo)熱性可以實(shí)現(xiàn)內(nèi)部元器件發(fā)熱后散熱功能。

以單子線耦合器為例簡單說明耦合器電路原理圖，如圖2所示。

圖2　單子線耦合器電路原理圖

從以上分析可以看出，現(xiàn)有結(jié)構(gòu)只有在產(chǎn)品出現(xiàn)失效需要返工時(shí)才顯現(xiàn)出它的不易拆除弊端，正常工作(不考慮是否測(cè)試過程性能)情況下是沒有什么問題的。單純的提高元器件的可靠性可以將出問題的概率降到最低。那么，這個(gè)方案可行嗎？答案是不可行的。耦合器外殼體將所有元器件包裹住，從而實(shí)現(xiàn)小型化、集成化。一個(gè)耦合器有兩個(gè)BUS端和n個(gè)STUB端，n可以取1～8(國外上限為6)。如圖一條短截線對(duì)應(yīng)一個(gè)耦合變壓器和兩個(gè)隔離電阻，隨著n的增大，耦合變壓器及隔離電阻數(shù)量也成倍增加。

先看一個(gè)新術(shù)語，將圖2中隔離電阻和耦合變壓器高匝數(shù)端串聯(lián)后的電路作為耦合器STUB一部分，命名為耦合串路小單元。假設(shè)耦合串路小單元的可靠性為k(0

于是，圍繞元器件這個(gè)核心內(nèi)容，設(shè)想一種新結(jié)構(gòu)，稱之為組合式耦合器，即BUS和STUB可通過連接器隨意連接與分離，這個(gè)點(diǎn)定在耦合串路小單元與BUS連接的位置。如圖3所示。

圖3　隔離電阻與耦合變壓器串路小單元

設(shè)計(jì)成耦合串路小單元，雖不能減小產(chǎn)品串路失效的概率1-kn，但耦合器的STUB互相獨(dú)立分開，這樣可以減少單個(gè)耦合串路單元失效時(shí)產(chǎn)品返工的復(fù)雜性，不用整體拆卸，僅僅對(duì)失效的單個(gè)STUB進(jìn)行返工即可。從圖2可以看出，A1、A2、A3及B1、B2、B3分別處于相同勢(shì)，地位平等，均可稱為總線端，只是平時(shí)將接短截線的稱為了短截線端。

按此構(gòu)想，耦合器可分為兩大部分，一部分為

總線盒，將總線端數(shù)量設(shè)計(jì)為3～10個(gè)(除去2個(gè)保留做總線端用于總線網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展外，其他用于連接1～8個(gè)短截線終端設(shè)備)，類似于圖2所示的A1～A3和B1～B3。設(shè)置一高一低兩個(gè)勢(shì)，每個(gè)總線端采用同軸結(jié)構(gòu)(或其他適用的)連接器作為標(biāo)準(zhǔn)接口，所有中心導(dǎo)體接高勢(shì)，中間導(dǎo)體接低勢(shì)。另一部分就是圖3所示的耦合串路小單元，因其兩端是通過耦合變壓器而連接，具有耦合、放大的功能。因此，耦合串路小單元也可稱為耦合放大器或耦合放大組件。其BUS端采用與總線盒所用同軸連接器配套使用的連接器端接，STUB端設(shè)計(jì)成現(xiàn)有1553B常用的接觸件或連接器，如8#雙同軸屏蔽接觸件、DK-621連接器、J49142(PL75)等多種形式接口。兩大部分組合，可以形成多種節(jié)點(diǎn)、多種接口形式的多樣化產(chǎn)品，滿足不同用戶的不同需求。

兩大部分結(jié)構(gòu)示意見圖4。其中，方框代表連接器，黑點(diǎn)代表線纜之間的連接點(diǎn)，其余未標(biāo)黑點(diǎn)交叉處代表隔離，虛線框代表封裝邊界。

圖4　總線盒(左)與耦合放大器(右)結(jié)構(gòu)示意圖

4對(duì)比分析

組合式耦合器在原有結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，打破了常規(guī)思路，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新，以可連接與分離的方式進(jìn)一步降低產(chǎn)品的返工返修難度，具有現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)意義。分別從產(chǎn)品加工到測(cè)試驗(yàn)收一直到交付用戶使用等整個(gè)過程，以及產(chǎn)品成本等方面與現(xiàn)有結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比分析：

4.1　產(chǎn)品加工過程

目前，耦合器主要是為1553B數(shù)據(jù)總線配套的，單獨(dú)使用的情況較少，而目前的1553B數(shù)據(jù)總線圖紙也是根據(jù)用戶需求而生成，通用性幾乎為零，只有先與用戶溝通到位，等待設(shè)計(jì)出圖，給出型號(hào)與具體圖紙，才能開始下計(jì)劃生產(chǎn)，生成訂單后才能知曉訂單配套是否缺件，缺多少，同時(shí)在執(zhí)行生產(chǎn)訂單時(shí)若因某個(gè)零件或部件在加工過程或裝配過程報(bào)廢或返修，整個(gè)產(chǎn)品只能等待新的零件到位才能繼續(xù)裝配。這是一體化裝配的缺陷，也是很多產(chǎn)品面臨的難題，產(chǎn)品加工周期較長。

而組合式耦合器分為了兩個(gè)模塊，單一的結(jié)構(gòu)顯得更加簡單，需要的零部件相對(duì)變少，且通用性特別強(qiáng)，可以根據(jù)使用情況先進(jìn)行預(yù)加工，一旦產(chǎn)生訂單，只需領(lǐng)取對(duì)應(yīng)數(shù)量的部件進(jìn)行組裝或散件供貨，即使在加工耦合器時(shí)遇見原材料缺件，不足以配套整個(gè)產(chǎn)品時(shí)，也可根據(jù)缺件情況先進(jìn)行部件的裝配，不必等待原材料全部到位才開始執(zhí)行。用戶需求1553B數(shù)據(jù)總線新產(chǎn)品時(shí)，設(shè)計(jì)員只需出總的產(chǎn)品圖，生產(chǎn)訂單生成后選擇庫存部件進(jìn)行簡單的組裝和整體測(cè)試，結(jié)果合格即可交付用戶，時(shí)間相對(duì)少很多。相對(duì)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)，組合式因分開加工，而不可避免的會(huì)出現(xiàn)部件完工入庫和配套出庫等周轉(zhuǎn)過程的情況。

3.1　產(chǎn)品測(cè)試過程

產(chǎn)品只有完成最終測(cè)試才能交付用戶，GJB5186.7對(duì)耦合器規(guī)定了連續(xù)性、介質(zhì)耐壓、絕緣電阻基本電氣性能，及滿足GJB289A數(shù)據(jù)總線總規(guī)范所規(guī)定的特性測(cè)試：波形完整性、共模抑制及動(dòng)態(tài)性能測(cè)試等項(xiàng)目。

前三項(xiàng)基本電氣性能兩種結(jié)構(gòu)均可滿足，均有過程檢測(cè)和成品總檢兩大保險(xiǎn)。而GJB5186.7規(guī)定波形完整性僅適用于單子線盒式耦合器，對(duì)于多子線耦合器或線式耦合器，耦合變壓器和隔離電阻應(yīng)作為單獨(dú)的元器件，應(yīng)在耦合器裝成成品前進(jìn)行測(cè)試，具體要求見GJB5186.7的5.1.4.2條規(guī)定，如圖5所示。

圖5　GJB5186.7中規(guī)定的波形完整性要求及圖示

可以從規(guī)定中看出，對(duì)于現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的國內(nèi)外產(chǎn)品，除單子線盒式耦合器外均不能測(cè)試此項(xiàng)目，而組合式耦合器的耦合串路小單元與GJB5186.7的規(guī)定有“異曲同工”之處。在圖3所示的STUB端按圖5要求串聯(lián)360Ω及信號(hào)源就成了圖5所示的結(jié)構(gòu)，可以滿足測(cè)試要求。增加測(cè)試項(xiàng)目可以評(píng)估產(chǎn)品的可靠性高低及品質(zhì)的高低。

共模抑制與動(dòng)態(tài)性能測(cè)試項(xiàng)目對(duì)兩種結(jié)構(gòu)影響不大，均可測(cè)試。值得一提的是，動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，短截線至主電纜信號(hào)測(cè)試項(xiàng)目要求測(cè)試主電纜輸出波形的上升和下降時(shí)間，這條與波形完整性類似，僅適用于盒式耦合器，對(duì)線式耦合器應(yīng)在裝配成品前進(jìn)行測(cè)試，可能是考慮到主電纜上線纜長度對(duì)波形有一定的影響，對(duì)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)線式耦合器來說不能準(zhǔn)確的保證此條要求。因此，GJB5186.7編制人員才有此一說。組合式耦合器的耦合串路小單元未接線纜，可以滿足該項(xiàng)測(cè)試的要求，這樣也可以更加方便的測(cè)試。

4.2　產(chǎn)品交付用戶

產(chǎn)品交付用戶前應(yīng)進(jìn)行包裝。目前，1553B數(shù)據(jù)總線產(chǎn)品為整體式結(jié)構(gòu)，通過盤繞方式放入合適的紙箱。然而，產(chǎn)品較為復(fù)雜時(shí)，線纜一般較長、節(jié)點(diǎn)較多，用戶使用時(shí)散開產(chǎn)品可能會(huì)出現(xiàn)交叉、散亂、打結(jié)等現(xiàn)象。組合式耦合器組裝成總線時(shí)，只需通過普通的跳線(一條線纜兩端接連接器而形成的組件)連接BUS端口即可，可以根據(jù)部件種類不同進(jìn)行分類包裝，再發(fā)往用戶，用戶使用時(shí)按產(chǎn)品包裝物上標(biāo)識(shí)進(jìn)行簡單的連接組合即可。

另外，若當(dāng)用戶發(fā)現(xiàn)某條短截線功能失效，不能正常工作了，只需將失效的短截線拆卸，返回生產(chǎn)商返工或重新訂購，整個(gè)流程更加簡單和方便。另外，對(duì)于組合式耦合器及總線產(chǎn)品，可以隨意調(diào)換短截線的位置，這對(duì)于用戶想調(diào)換終端設(shè)備在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的位置成為可能(對(duì)于整體式短截線長度一般小于3m，因此終端擺放位置范圍狹隘，組合式結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)短截線從一個(gè)耦合器移到另一個(gè)耦合器上)。另外，用戶還可以增加設(shè)備。這是整體式結(jié)構(gòu)所難以實(shí)現(xiàn)的。

4.3　產(chǎn)品成本對(duì)比

從兩者的結(jié)構(gòu)可以看出，因連接與分離的需要，組合式耦合器比整體式耦合器結(jié)構(gòu)上多增加了一些連接器，相應(yīng)的也增加了產(chǎn)品的成本，這是組合式耦合器不可避免的缺陷。前面提到的耦合器是用于1553B數(shù)據(jù)總線網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，當(dāng)1553B數(shù)據(jù)總線產(chǎn)品做成整體式，除了STUB端可端接終端設(shè)備外，一般是沒有可自由拆卸的點(diǎn)。這樣一來，從生產(chǎn)者和用戶角度共同考慮，一旦產(chǎn)品出現(xiàn)功能障礙需要返工返修(或報(bào)廢)時(shí)，帶來的后果是需要整體帶回公司拆卸返工，且返工(或重新加工)需要的周期一般較長，這段時(shí)間用戶將不能使用1553B數(shù)據(jù)總線產(chǎn)品以及該產(chǎn)品所構(gòu)建的整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。針對(duì)這種情況，目前的解決方案之一，也是國外常用的，設(shè)計(jì)成雙裕度(或多裕度)的1553B數(shù)據(jù)總線，所連設(shè)備面板上設(shè)計(jì)成兩個(gè)(或多個(gè))接口并存，若發(fā)生當(dāng)前1553B數(shù)據(jù)總線產(chǎn)品功能障礙，系統(tǒng)自動(dòng)切換的其他的預(yù)留總線，再對(duì)問題產(chǎn)品進(jìn)行返工等處理，這樣也可以達(dá)到提高系統(tǒng)可靠性的目的。不過，隨之而來的是雙倍甚至多倍的成本，因此提出組合式結(jié)構(gòu)可以給用戶提供一個(gè)選擇，備用部分的總線盒及耦合放大器也是可行的，成本較雙裕度的總線要低得多。

5總結(jié)

對(duì)耦合器產(chǎn)品以及1553B數(shù)據(jù)總線產(chǎn)品來說，組合式結(jié)構(gòu)的提出是一種全新的概念。從對(duì)比分析可以看出，優(yōu)勢(shì)多于劣勢(shì)，尤其是在產(chǎn)品加工實(shí)現(xiàn)過程的庫存部件和快速組裝的思路，快速的交付產(chǎn)品會(huì)很大程度上增加用戶的滿意度。因此，該結(jié)構(gòu)具有現(xiàn)實(shí)的生產(chǎn)意義。當(dāng)然，更換需要人為來實(shí)現(xiàn)。所以，該結(jié)構(gòu)也有其使用領(lǐng)域的局限性，如導(dǎo)彈、衛(wèi)星、火箭發(fā)射控制、飛機(jī)等領(lǐng)域。這類無人環(huán)境，或可靠性要求極高不允許絲毫差錯(cuò)，或來不及更換的情況，依然推薦使用雙裕度(或多裕度)整體式的1553B數(shù)據(jù)總線產(chǎn)品，但此類領(lǐng)域在前期的試驗(yàn)過程、設(shè)備布局調(diào)整過程，可以推薦組合式產(chǎn)品先進(jìn)行布局的調(diào)整階段，一旦確定下來之后，再做成整體式用于上述特殊環(huán)境?？傮w來說，組合式結(jié)構(gòu)具有一定的推廣意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]王世奎，黃永葵等. 數(shù)字式時(shí)分制指令/響應(yīng)型多路傳輸數(shù)據(jù)總線測(cè)試方法 第5部分：系統(tǒng)測(cè)試方法. GJB 5186.5-2004.

[2]王世奎，黃永葵等. 數(shù)字式時(shí)分制指令/響應(yīng)型多路傳輸數(shù)據(jù)總線測(cè)試方法 第7部分：數(shù)據(jù)總線耦合器、終止器、電纜測(cè)試方法.GJB 5186.7-2005.

工藝與材料

中圖分類號(hào)：TN784

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1000-6133(2015)02-0020-05

Doi:10.3969/j.issn.1000-6133.2015.02.005

收稿日期：2015-02-17