GJB289A总线典型网络理论分析

news2024/12/27 12:39:03

1.GJB289A总线典型网络理论分析

根据相关标准，“某个支路的故障不影响整个系统”及耦合变压器特性，本文在仿真与实测时均采用典型的一发一收两端口总线网络。

典型两端口总线网络电气结构如图1所示，包含终端匹配电阻、故障隔离电阻、耦合变压器、收发端等基本组成要素。其中终端匹配电阻阻值为Z0，故障隔离电阻R=0.75Z0。

耦合变压器的绕组匝数比为1∶1.41。在子线端口的负载、线缆传输损耗以及网络上其他耦合器的影响可忽略不计的情况下，典型总线网络电气结构等效电路如图2所示。

根据上述推导，可以计算典型总线网络两端口间的插入损耗IL（理论）=-12.04dB，该值是在不考虑线缆传输损耗等因素的理想状态下的标称值。

同理，当终端一端电阻开路时，经等效电路推导得到此时VGH=2Vin/5，VGH比总线网络正常通信情况下高0.15Vin，这将导致接收端收到的电压比正常值高。可以计算得出该情况下插入损耗理论值IL（理论）=-7.96dB，该值是在不考虑线缆传输损耗等因素的理想状态下的标称值。

以上给出典型总线网络正常情况与终端一端开路情况下的插入损耗理论推导，其他情况的推导原理相同，在此不作赘述。

2.GJB289A总线仿真模型搭建与验证

GJB289A总线网络的基本组件包括耦合器终端电阻和屏蔽双绞电缆。耦合器是耦合变压器的简称，是GJB289A总线网络的重要组件，实现主总线和短截线之间的信号传输，起到故障隔离的作用，其内部核心器件为变压器和隔离电阻。终端电阻用来实现阻抗匹配，防止信号反射。屏蔽双绞电缆作为传输媒介，根据所处位置，分为主总线电缆和短截线电缆。其中主总线用于连接耦合器，短截线用于连接耦合器和子系统。

根据文献，考虑电缆的分布参数效应，分布电阻、电感和电容等的影响，主总线电缆分布参数如表1所示。

2.1 分布参数模型搭建

典型总线网络分布参数仿真示意图如图3所示，其中一个终端作为发送端Tx，另外一个终端作为接收方Rx。主电缆模型采用ADS（AdvancedDesignSystem）仿真环境下实例化库中的CLINP（有损耦合传输线）模型并根据表1中数据配置参数。发送端添加频率为1MHz的脉冲波作为激励信号。在分布参数模型的各个位置添加测试点，如Vin、A、B、C、D、E、F、Vout等，便于后续导出用于波形完整性分析。

2.2 分布参数模型验证

将ADS环境下仿真结果与实际测量结果对比，以检验仿真模型的有效性。在确定仿真模型有效性的基础上，通过调整参数模拟典型故障来分析总线网络的电气特性。根据GJB289A协议的波形完整性要求，以发送/接收端口短截线的线与线间电压的峰—峰值Vin和Vout作为比较的对象。

仿真与实测发送端和接收端短截线上的特征波形和电压峰值如图4所示，参数对比如表2所示。

从图4和表2可以看出：仿真得到的波形与实测的波形吻合，表征波形特征的数据也很接近，说明该模型满足要求。

3.典型电气故障研究

依托两端口网络分布参数模型，在ADS软件中分别模拟终端电阻超差、耦合器故障和电缆故障，分析电气故障的特征波形和特征参数，以期为外场环境下根据GJB289A网络实测波形及特征参数快速判断故障类型提供依据。

3.1 终端电阻超差故障

终端电阻的阻值超差故障表现为主总线电缆上的匹配电阻阻值异常。极端情况为一个未连接（开路或故障）、两个均未连接（开路或故障）或出现短路的情况。一个匹配电阻未连接（开路或故障）的情况可以等效为在总线上跨接了一个阻值为无穷大的电阻［15］，根据等效电路图（图2）推导可知：Vout=0.4Vin。这将导致接收端接收到的电压比正常值偏高。

仿真与实测发送端和接收端短截线上的特征波形和电压峰值如图5所示，特征参数如表3所示。

当两个匹配电阻均未连接（开路或故障）时，同理可知该情况可等效为收发两端的短截线直接通过总线线缆连接在一起。因为接收端为高阻抗，此时隔离电阻R=0.75Z0，相对较小，耦合器输出的电压绝大部分被分压到总线上，主总线电缆上的电压几乎与Vin相等，此时接收端的接收电压Vout≈Vin，为正常情况下接收端电压的4倍。

仿真与实测发送端和接收端短截线上的特征波形和电压峰值如图6所示，参数比较如表4所示。

3.2耦合器故障

当总线网络耦合器的收发端未连接或出现故障时，相当于短截线直接连接。由于信号的反射、振荡，在总线网络进行通信时，收发信号将产生过冲，仿真系统和实测得到的特征波形如图7所示。

3.3 电缆故障

总线网络的电缆故障通常是指总线或子线网络中相关的信号线高低端之间发生开路、短路、错接或信号线与屏蔽层之间发生的短路。其中开路故障类型包括接触不良、内阻增大等异常现象；短路故障类型包括因使用磨损等情况导致的电缆绝缘电阻降低、错接等异常现象。

屏蔽双绞电缆是GJB289A总线网络物理组成的重要连接组件，占比最大，在外场环境下，电缆故障率高、故障查找困难。为研究电缆故障类型导致的接收端波形特征变化，进而实现典型电气故障的快速诊断，设计制作错接（信号线Hi与Lo接反）、短路（信号线Hi与屏蔽层短接、信号线Lo与屏蔽层短接）等故障模拟件，如图8所示。