卫星通信总线接口选择

测试工程师普遍认同：工欲善其事，必先利其器。 因为使用错误的工具会浪费时间，损害质量，而正确的工具可在短时间内快速取得成效。

在构建电子地面支持设备(EGSE)或专业检验STE（SCOS，STE即专业测试设备）以进行集成、检验和大规模制造相关的测试时，主要的工具是测量和激励仪表。这些仪器包括一些众所周知的产品，如数字万用表(DMM)、示波器和波形发生器，以及各种全新且不断变化的产品类别，如矢量信号收发仪和一体式示波器。但是，选择合适的工具知易行难，当涉及较多权衡问题的把控和评估时尤其如此。商品化仪器和专业仪器也同样如此，但卫星通信总线接口往往没有得到如此严格的考量。

当考虑应该在EGSE中使用哪些仪表进行验证或集成测试时，测试工程师习惯对照他们的测试计划，然后对市场上的仪表进行评估，以确保安装合适的仪器，从而提供全面的测量范围，满足测试计划的要求。

通常情况下，特定待测设备(DUT)的测试计划需要制定额外的步骤，使DUT进入某个特定状态，或向其发送一个命令，听取预期的响应，这一情况尤其适用于飞行和系统控制器测试。这些步骤可能涉及运行质量保证检查，在航空航天总线上运行部分设计验证步骤，或者记录响应以便进行后续分析或回放。为了确保将上述功能内置于EGSE中，测试工程师通常需要考虑DUT使用哪种（哪些）协议进行通信，并寻找适合其需求的商用现成(COTS)仪器。

根据测试资产平台与特定DUT的组合，特定航空航天总线接口仪器的选择五花八门。如果考虑采用常见协议，如MIL-STD-1553、ARINC-429和SpaceWire，市面上有几家仪器供应商可提供能满足上述需求的现成产品。然而，如果考虑采用高速或主干总线，如光纤通道（尤其是SpaceFibre）、串行RapidIO (SRIO)、AFDX、高速数据总线(HSDB)和IEEE-1394b，或者考虑特定于应用的总线，如ARINC-708、ARINC-717或ARINC-818，选择就变得更加复杂，需要考量更多因素。 

许多总线接口（如SpaceWire）已得到广泛应用，因此接口仪器已实现商品化。对于测试设备供应商来说，将物理层、数据链路层和网络层集成到功能固定的设备中是一种更具成本效益的做法。例如，STAR-Dundee提供了多个PXI模块，可用于连接和切换SpaceWire总线信号。像支持GPIB等其他泛用通信协议的仪器一样，来自不同供应商的此类仪器在硬件层结构上通常是相似的，且符合特定标准。 

如果测试设备供应商想让自己的产品有别于其他产品，可能会从开放系统互联(OSI)模型的更高数据层入手，添加特定的特性或功能，以支持协议实现。这些特性或功能包括错误检测、调度灵活性、时间戳、数据记录和故障插入等。某些制造商还支持访问每个单独OSI层的数据，以进行监测或调试。对于系统级的验证和集成测试要求，许多较为细微的功能往往对应用的成功来说无足轻重，所以工程师往往会根据自己的喜好做出决定。

图1.ARINC-664p7/AFDX的OSI层简化视图

如果测试系统需要高速/主干或特定于应用的协议接口，曾经简单的选择决策会变得更具挑战性。测试工程师常常会忽略将这些协议集成到测试系统中的复杂程度。这些性能更出色的协议所带来的主要挑战之一是从并行到串行数据传输的转变。 

由于并行总线时钟速率的物理限制在1 GHz到2 GHz左右，因而串行标准的应用日益广泛；在更快的速率下，单个时钟和数据线造成的偏差会导致比特误差。相反，高速串行总线会在一个或多个差分信号中发送包含数据和时钟信息的编码信息，规避了并行总线的速度限制。此外，使用具有时钟恢复、预加重和均衡等高级功能的专用高速串行硬件收发仪可进一步凸显这些优势。 

高速串行协议接口的设计可以使其很好地基于全新FPGA技术运行。例如，基于全新Xilinx FPGA的多千兆位收发器能够以超过30 Gb/s的速度运行，是作为通信协议数据处理器的理想选择。除了这些仪器复杂的硬件设计之外，协议IP本身也比商品仪器更加复杂，因为协议往往功能更全面，而且由于处理数据速率的数量级增加会有一定的复杂性，对数据的要求也更为严格。 

在将特定的高速/主干或特定于应用的协议接口集成到EGSE中时，工程师往往面临着几种选择。

• 选择1：寻找COTS市场，并找到提供相关接口的供应商。同样，由于硬件设计和IP十分复杂，工程师通常必须与两个供应商合作：一个提供高速串行硬件，一个提供协议IP核。

• 选择2：利用内部验证团队对相关DUT的设计，将IP核与自定义或现成FPGA评估板卡相结合，并将其集成到EGSE中。虽然利用内部自定义设计似乎很有吸引力，但往往存在难以察觉的风险，随着时间的推移会大大增加支持负担。

图2.内部开发测试系统的生命周期管理

为了阐释这一点，图2展示了测试系统生命周期的范例，以及随着时间的推移会影响该系统维护成本的事件。EGSE设计完成后，要考虑自定义板卡上组件的生命周期何时终止(EOL)。毕竟这是很有可能出现的，因为半导体技术更新周期往往反映了商业市场的情况。如果采纳的是验证团队的设计，可能尤其需要考虑这点，因为他们的设计要求中很有可能未涉及生命周期问题。 

在这种情况下，要么终身购买组件并管理备件，要么寻找替代组件并重新验证硬件设计，基本上只有这两种选择。也可以考虑操作系统升级授权（例如Windows版本变更），或转为使用Linux。但之后，必须重写驱动程序并重新验证软件设计。如果测试系统的要求随着时间发生变化，或者需要添加新功能，该怎么办？这时可能需要重新设计固件或软件，甚至可能需要重新设计物理层，具体要视DUT的要求而定。最后，FPGA生命周期终止时呢？这些组件的升级途径都不简单，因此通常需要彻底重新设计。 

对于测试系统来说，这些问题非常现实，在航空航天和国防领域，这样的情况将会持续数十年。很多时候，当出现这些报废问题时，设计最初EGSE以及在EGSE上运行的测试软件程序的人员已无迹可寻，无法帮助执行任何维护工作。到最后，前期设计成本只占该测试系统整个生命周期成本的一小部分

因此，只要有可能，工程师都应考虑第1种选择：基于COTS的解决方案，特别是设计用于测试和测量应用的解决方案。即使内部有能力设计和管理与卫星通信协议连接所需的复杂软件IP，定制硬件的额外维护负担依旧很重，因此COTS方法将减少测试的总成本。 

几十年来，航空航天和国防业广泛采用NI的模块化仪表和应用软件来降低产品测试和支持相关的整体成本和风险。在这段时间里，NI率先推出了PXI平台，此后又推出了600多个不同的PXI模块，从直流到毫米波都有涵盖。除了传统的仪表之外，NI与其合作伙伴联盟以及提供PXI平台要素的70多个PXISA成员（如STAR-Dundee）还提供了集成、检验和大规模制造相关的测试解决方案，在全面覆盖基于PXI的总线接口的同时，还可灵活地选择合适的工具。

用于制造和基地测试的数字化航空航天接口

通用接口：

• MIL-STD-1553 
• RS-232/422/485 
• ARINC-429 
• CAN总线 

高速/主干接口：

• 光纤通道（尤其是SpaceFibre）
• 串行RapidIO 
• ARINC-664p7/AFDX 
• 1394b FireWire 
• 以太网（高达40 GigE） 

特定于应用的接口：

• ARINC-708 
• ARINC-717 
• ARINC-818 
• SpaceWire 
• DVI

在有些情况下，测试工程师可能会认为COTS方法不可行，需要进行自定义设计。较常见的范例是测试通过自定义版本的特定协议进行通信的DUT。然而，即使在这些情况下，也建议避免采用自定义设计，以降低测试EGSE的进度风险和未来的维护负担。如需详细了解如何构建完整的航天电子测试系统，包括将COTS通信总线接口硬件集成到测试系统中以应对自定义设计挑战，请阅读相关的应用指南。