Datenbusse im Flugzeug Digitizer-Messkarten untersuchen ARINC-429, MIL-STD 1553C und Stromversorgungen

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Modulare Messinstrumente bieten über 100 synchrone Messkanäle, lange Erfassungszeiten, Einzel- und Differenzeingänge sowie passende Abtastraten und Bandbreiten. Sie sind außerdem kompakt und eignen sich daher zum Messen in Flugzeugen.

In modernen Flugzeugen, vom kleinen Privatmaschinen bis hin zu großen Jets, sind aufwendige elektronische Systeme verbaut. Zu den elementaren Baugruppen gehören die Stromerzeugung und Stromverteilung, die Systeme für die interne Datenkommunikation zwischen allen Geräten innerhalb des Flugzeugs sowie HF-Equipment für die externe Kommunikation und Navigation. Alle anderen Komponenten hängen von diesen wesentlichen Bussen für die Energieversorgung und Datenkommunikation ab.

Mit modularen Instrumenten, wie PC-Karten für PCIe oder PXIe oder LXI/Ethernet-Systeme, welche die notwendigen mehrkanaligen Datenerfassungs- und Signalerzeugungsfunktionen bereitstellen, lassen sich die genannten Systeme testen und Fehler suchen.

Zwei standardisierte Datenbusse für den Einsatz in Flugzeugen

In Flugzeugen werden zwei standardisierte Datenbusse verwendet. ARINC 429 wird hauptsächlich in Verkehrsflugzeugen verwendet. Der Standard MIL-STD 1553 hingegen kommt häufig in Militärflugzeugen und Raumfahrzeugen zum Einsatz. Beide Busse verwenden differentielle Signale, um die Störfestigkeit und Signalintegrität zu verbessern. ARINC 429 ist ein einfacher und kostengünstiger Bus mit 78-Ohm-Twisted-Pair-Verkabelung und symmetrischen Differenzsignalen. Der Signalpegel beträgt 10 V_SS am Senderausgang. Ein einzelner Sender oder eine einzelne Quelle kann mit 1 bis 20 Empfängern verbunden werden. Die Übertragung ist unidirektional (Simplex), vom Sender zum Empfänger, daher sind für bidirektionale Übertragungen zwei Buskanäle erforderlich.

Sender und Empfänger sind entweder als Stern oder als Reihe angeordnet. In der Sterntopologie ist jedes Teil des Netzwerks mit einem zentralen Hub oder Switch verbunden, und die Verbindungen laufen radial vom Sender zu jedem Empfänger. In der Reihenanordnung sind alle Geräte über Stichleitungen mit einem einzigen Bus verbunden. Dieser gemeinsame Bus beginnt beim Sender. Die Empfänger sind grundsätzlich Line-Replaceable-Units (LRUs), die bei Wartungsarbeiten komplett getauscht werden können.

Beim ARINC 429 findet die Übertragung von der Quelle zu den Line-Replaceable-Units in 32 Bit-Wortbreite statt. Es werden 24 Bit-Datenblöcke für die eigentlichen Informationen verwendet, sowie ein 8 Bit-Block, der den Inhalt der Daten beschreibt (Label). Die Line-Replaceable-Units verwenden Identifikationsnummern, die die Gruppierung von Geräten innerhalb des Systems ermöglicht, denn dies vereinfacht die Systemadministration. Aufeinanderfolgende Datenblöcke werden durch mindestens 4 Bits mit Null-Zustand (Nullspannung) voneinander getrennt. Dieses Nullintervall macht ein separates Taktsignal überflüssig. Es gibt zwei Taktraten für den ARINC 429: entweder 12,5 kHz oder 100 kHz.

Daten werden in einem dreistufigen bipolaren Return-to-Zero-Format übertragen. Ein Sendesignal von 10 V ist ein High-Zustand, ein Signal mit 0 V entsprechend ein Null-Zustand und ein Signal mit -10 V ist ein Low-Zustand.

Digitizer-Karte erfasst ein Signal des Typs ARINC-429

Das Bild 1 zeigt ein ARINC-429-Signal, das am Empfänger mit einer Digitizerkarte M2p.5968-x4 von Spectrum In­strumentation erfasst wird, wobei die Messsoftware SBench 6 den Digitizer und die Anzeige der Messergebnisse steuert. Die PCIe-Karte ist ein modularer Digitizer mit einer Auflösung von 16 Bit, einer Erfassungsrate von maximal 125 MS/s und einer Länge von 168 mm (halbe PCIe-Länge), so dass die Karte in fast jeden PC eingebaut werden kann. Die acht Eingänge der Karte wurden für Messungen im echten Differenzsignalmodus konfiguriert, bei dem zwei Eingänge intern kombiniert werden. Dabei wird die Differenz zwischen den beiden Kanälen ohne Rücksicht auf die Systemmasse gemessen und als einzelne Wellenform dargestellt.

ARINC-429-Signale sind im Allgemeinen lang. Die Wellenform im oberen Display zeigt beispielsweise eine Erfassung von zwei Sekunden. Die Karte verfügt über einen internen Speicher von 512 MS und kann Signale mit Raten von 1 MS/s bis 125 MS/s abtasten. Somit kann eine Einzelkanalerfassung mit 1 MS/s unter Verwendung des kompletten Speichers eine Dauer von 512 Sekunden haben.

Die horizontal gezoomte Ansicht im unteren Display zeigt die dreistufige Return-to-Zero-Datenstruktur. Die farbigen Linien am unteren Rand des Displays wurden hinzugefügt, um die Datenblöcke zu markieren, aus denen eine einzelne Nachricht besteht. Die Nachricht beginnt links mit dem Label, markiert mithilfe der roten Linie. Darauf folgt der gelb markierte sogenannte SDI (Source/Destination Identifier).

Der SDI-Block dient zur Identifizierung des Empfängers, für den die Daten bestimmt sind. Danach folgt das hellblau markierte Datenfeld. Daran schließt sich die SSM (Sign/Status Message) an, grün markiert, welche Angaben über den Hardwarestatus, den Betriebsmodus oder die Gültigkeit des Dateninhalts enthält. Der letzte Block ist das Paritätsbit in dunkelblau. ARINC-Übertragungen verwenden eine ungerade Parität. Messungen des physikalischen Layers der erfassten Signale lassen sich mit SBench 6 durchführen (Bild 2).

Messen und überprüfen von Wellenformen mit einem Digitizer

Die Spitze-Spitze-Amplitude sowie Maxima und Minima der gesamten Wellenform werden ebenso angezeigt wie die Anstiegszeit und Abfallzeit des Pulses zwischen dem roten und blauen Marker. Die ARINC-429-Spezifikation fordert Anstiegs- und Abfallzeiten von 1,5 (± 0,5) µs für die Taktrate von 100 kHz. Die gemessenen Werte liegen innerhalb dieser Grenzen. Digitizer sind ideale In­stru­mente zum Messen und Überprüfen einer Wellenform und ihrer Merkmale wie Spannungspegel und Frequenz.

Die Dekodierung und Analyse der Dateninhalte erfordert jedoch meist zusätzliche Rechenleistung. Modulare Digitizer, wie die hier verwendete PC-Karte, bieten hohe Datenübertragungsraten, so dass lange Wellenformen schnell zur Verarbeitung an einen Computer übertragen werden können. Beispielsweise kann der Digitizer M2p.5968-x4 die erfassten Daten über den PCIe-Bus mit einer Geschwindigkeit von 700 MByte/s weiterleiten.

Dabei können die Daten auch im FIFO-Modus direkt an CPUs und GPUs zur Verarbeitung gestreamt werden. Das Erstellen von kundenspezifischen Testprogrammen ist möglich, da für diese Digitizer-Familie Treiber und Beispiele für viele gängige Computerprogrammiersprachen vorhanden sind, dazu gehören C/C++, VB.NET, C#, J#, Java, Julia und Python sowie IVI, LabVIEW und Matlab.

Die Besonderheiten des Datenbusses MIL-STD 1553C

MIL-STD 1553C ist die aktuelle Version eines militärischen Datenbusses, der in Flugzeugen, Raumfahrzeugen und Kampffahrzeugen verwendet wird. Bei dem Bus-Standard handelt es sich um einen bidirektionalen, doppelt redundanten Bus mit differentieller Signalisierung bei einer Taktrate von 1 MBit/s. Bei diesem Bus werden bis zu 31 Gegenstellen unterstützt. Es können drei Arten von Geräten angeschlossen werden: Buscontroller, Remote Terminals (RT) und Busmonitore. Ein einzelner Buscontroller auf dem Bus initiiert Befehle und Antworten an die entfernten Terminals. Die Busaktivität kann von einem Busmonitor beobachtet und aufgezeichnet werden. Alle Geräte sind im Normalbetrieb über zwei getrennte Busse miteinander verbunden. Nur der primäre Bus wird verwendet, aber der sekundäre Bus ist bei einem Ausfall des primären Busses verfügbar.

Die Busverdrahtung besteht aus geschirmten verdrillten Adernpaaren mit 70 bis 80 Ohm. Jedes Gerät kann über eine direkte Verbindung an die Busse angeschlossen werden, häufiger ist aber die Kopplung über einen Transformator. Der MIL-STD 1553-Bus codiert die Daten unter Verwendung von Manchester-Codierung. Ein Beispiel für eine MIL-STD-553-Erfassung ist in Bild 3 dargestellt. Wie im Fall des ARINC-429-Busses kann man auch hier die physischen Signaleigenschaften der Übertragung messen oder die Dateninhalte zur Decodierung und Analyse auf einen Computer übertragen.

Die Manchester-Codierung verwendet ein bipolares Signal, bei dem ein Übergang durch Null in der Mitte jeder Bitzelle auftritt. Ein Übergang von einer negativen Spannung zu einer positiven Spannung bedeutet eine Null, während ein Übergang von positiv zu negativ eine logische Eins darstellt. Es gibt drei Arten von Wörtern: Befehle, Daten und Statusmeldungen. Jedes Wort ist 20 Bit lang. Bild 4 zeigt eine typische Übertragung.

Die Datenübertragung bei MIL-STD 1553C

Jede Übertragung startet mit einem Sync-Impuls. Der Sync-Impuls hat eine Dauer von drei Bit-Zeiten (3 µs). Er beginnt in der ersten Hälfte als positiver Impuls und geht in der zweiten Hälfte der Sync-Periode auf einen negativen Pegel über. Das Befehlswort adressiert das entfernte Terminal sowie jede seiner 31 Unteradressen und gibt die Station an, die die Daten empfangen soll.

Das Befehlswort endet mit einem Paritätsbit. MIL-STD 1553 verwendet auch ungerade Parität. Danach folgt der Datenblock. Er beginnt mit einem Synchronisationssignal, gefolgt von den Daten und einem Paritätsbit. Das letzte Wort ist das Statuswort vom entfernten Terminal, das den Status der Übertragung angibt. Die Lücke zwischen Datenblock und Statuswort ist die Reaktionszeit der Gegenstelle. Wie im Fall des ARINC 429-Busses kann man auch hier die physischen Signaleigenschaften der Übertragung messen oder die Dateninhalte zur Decodierung und Analyse auf einen Computer übertragen.

Die Analyse der Stromversorgung mit Digitizer-Karten

Die Stromversorgung eines Flugzeugs variiert stark in Abhängigkeit von der Größe und Komplexität der Maschine. Elektrische Systeme in der Luftfahrt sind normalerweise Mehrspannungssysteme, die eine Kombination aus AC- und DC-Bussen verwenden, um eine Vielzahl von Flugzeugkomponenten mit Strom zu versorgen. Die primäre Stromerzeugung erfolgt normalerweise mit Wechselstrom. Daraus erzeugen eine oder mehrere Transformator-Gleichrichter-Einheiten (TRU) mit Gleichrichtung und Filterung den benötigten Gleichstrom für die einzelnen Geräte.

Sekundäre Wechselstrom-Erzeugung aus einem Hilfsaggregat (APU) wird normalerweise für den Einsatz am Boden benötigt, wenn die Triebwerke im Leerlauf sind, und für den Einsatz in der Luft im Falle eines Ausfalls von Komponenten. Zuverlässigkeit ist in der Luftfahrt wichtig. Kritische AC- und DC-Komponenten sind daher mit bestimmten Bussen verbunden, und es werden spezielle Vorkehrungen getroffen, um diese Busse in fast allen Fehlersituationen mit Strom versorgen zu können. Für den Fall, dass die gesamte Wechselstromerzeugung ausfällt, ist ein statischer Wechselrichter im System enthalten, damit der wichtige Wechselstrombus aus den Flugzeugbatterien gespeist werden kann. Eine typische Stromversorgung eines Flugzeugs ist in Bild 5 dargestellt.

AC- und DC-Integritätsmessungen

Modulare Digitizer eignen sich gut für AC- und DC-Integritätsmessungen, da mehrere Spannungen und Ströme gleichzeitig überwacht werden können. Die Möglichkeit Differenzmessungen durchzuführen, wie bei der Digitizerkarte M2p.5968-x4, ermöglicht eine Masse-Isolierung, was bei der Strommessung hilfreich ist. Übliche Messungen umfassen Spannung, Strom, Leistung, Wirkungsgrad, Brummspannung, Lastregelung, Oberschwingungen der Eingangsregelung sowie Ein- und Ausschaltsequenz. Eine typische Messung an der Stromversorgung eines Flugzeugs ist die Brummspannung an einem Bus mit 28 V_DC (Bild 6).

Die erfasste DC-Spannung wird im linken Display in einem Raster mit maximal 30 V angezeigt. Der Durchschnittswert der Spannung beträgt 27,969 V. Das Display rechts oben ist eine vertikal gezoomte Ansicht. Mithilfe des roten und blauen Cursors wird die Frequenz der Welligkeit mit 4.807 Hz ermittelt. Der Spitze-Spitze-Wert der Welligkeit wird im Infofeld mit 140,991 mV angezeigt. Das Display unten rechts enthält die schnelle Fourier-Transformation (FFT) der Brummspannung. Es zeigt eine Grundfrequenz von etwa 4.700 Hz zusammen mit mehreren harmonischen Oberwellen und einigen Nebenfrequenzen. Die Wechselspannungsquellen sind meist dreiphasig mit einer Frequenz von 400 Hz. Modulare Digitizer messen Phasenspannung und -strom, Netzspannung und -strom, Leistung, Frequenz und Oberwellengehalt.

Die Wechselspannungsquellen sind meist dreiphasig ausgelegt, mit einer Frequenz von 400 Hz. Modulare Digitizer ermöglichen die Messung von Phasenspannung und -strom, Netzspannung und -strom, Leistung, Frequenz und Oberwellengehalt. Bild 7 ist ein typisches Beispiel für eine dreiphasige Messung von Spannung, Strom und Leistung.

Die drei Phasenspannungen A, B und C

Die drei Phasenspannungen (A, B und C) des 120-V-Busses werden im rechten oberen Display überlagert, so dass die 120°-Phasendifferenz zwischen ihnen sichtbar wird. Die Werte der Effektiv- und Spitze-Spitze-Spannung jeder Phase können im Infofeld links abgelesen werden. Die Effektiv-Spannung (RMS) beträgt nominell 120 V und die Spitze-Spitze-Spannung 340 V.

Die Phasenströme werden im rechten unteren Display mit identischen Phasenbeziehungen zueinander angezeigt. Der Leistungsfaktor der Last verursacht eine Phasendifferenz zwischen den Spannungs- und Stromwellenformen. In diesem Experiment wird aber eine rein ohmsche Last verwendet, was zu einer Phasendifferenz von 0° führt.

Die Leistung pro Phase errechnet sich aus dem Produkt von Spannung und Strom jeder Phase. Die Gesamtleistung, im mittleren Display dargestellt, ist die Summe der einzelnen Phasenleistungen. Das sind nur einige der vielen Messungen, die an den Stromversorgungsbussen eines Flugzeugs durchgeführt werden können.

HF-Messungen und modulare Messinstrumente mit größeren Bandbreiten

Flugzeuge verwenden eine breite Palette von HF-basierten Geräten wie Funkkommunikation, Höhenmesser, Navigationshilfen und Radar. Dazu sind modulare Messinstrumente mit größeren Bandbreiten notwendig wie die Digitizerkarte M4i.2230-x8. Das ist ein PCIe-basierter, einkanaliger 8-Bit-Digitizer mit einer Bandbreite von 1,5 GHz und einer maximalen Abtastrate von 5 GS/s. Mit dieser Bandbreite und Abtastrate ist die direkte Erfassung von VHF- und niedrigeren UHF-Geräten möglich, und auch die Zwischenfrequenzen vieler höherfrequenter Geräte können gemessen werden. Der Digitizer besitzt 4 Giga-Samples (GS) On-Board-Speicher. Der Speicher von 4 GS kann bei einer maximalen Abtastrate von 5 GS/s Daten mit 800 ms erfassen. Das bietet eine hohe Zeitauflösung bei langen Erfassungen, was bei der Analyse von phasen- oder frequenzmodulierten Signalen hilfreich ist. Als Beispiel dient die Messung der Impulswiederholungsfrequenz (PRF) eines 1-GHz-Radars (Bild 8).

Das Radarsignal wird mit einer Abtastrate von 5 GS/s für eine Dauer von 500 µs mit einem Erfassungsspeicher von 2,5 MS aufgenommen. Das erfasste Signal wird amplitudendemoduliert, indem das Signal quadriert und dann tiefpassgefiltert wird. Die Amplitudenhüllkurve wird von der Messsoftware analysiert, das Infofeld links zeigt die Pulswiederholfrequenz von 10 kHz, eine Pulsbreite von 9,955 µs und ein Tastverhältnis von 9,955 Prozent. Die FFT-Analyse kann verwendet werden, um die Frequenzbereichsansicht eines frequenzmodulierten Chirp-Radarimpulses anzuzeigen (Bild 9).

Der HF-Träger des Radars wird mit einer linearen Rampe frequenzmoduliert. Die FFT zeigt den Bereich des Frequenzhubs. Der Träger wird über die Dauer des 9,95 µs-Pulses von 998 MHz auf 1002 MHz verschoben. Das sind einige gängige HF-Messungen, die mit modularen Digitizern durchgeführt werden können. Für weitere Analysen können die erfassten Wellenformen über die PCIe-Schnittstelle der Digitizerkarte an einen Computer übertragen werden.

Modulare Messinstrumente sind flexibel beim Messen

Das Testen von Flugzeugsystemen erfordert eine gewisse Flexibilität der Messgeräte. Modulare Instrumente sind flexibel (Bild 10). Mit PC-Karten sind sowohl stationäre Testsysteme mit sehr vielen synchronen Kanälen als auch tragbare System möglich. Es gibt viele weitere Möglichkeiten, denn Benutzer können Testsysteme so konfigurieren, dass sie ihren Messanforderungen exakt entsprechen.

Modulare Digitizer eignen sich dabei perfekt für die analoge Signalerfassung. Sie lassen sich in einem Test-PC mit modularen Signalgeneratoren (AWGs) und digitalen I/O-Karten kombinieren und synchronisieren. Analoge und digitale Signale können dann mit einem einzigen PC sowohl erzeugt als auch erfasst werden. So lassen sich kundenspezifische Mehrkanal-Testsysteme oder sogar Simulationsplattformen für eine Vielzahl von elektronischen Flugzeugzeugsystemen erstellen.

* Arthur Pini ist Messtechnik Ingenieur und Oliver Rovini ist Technical Director. Beide arbeiten für Spectrum Instrumentation.

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