關(guān)于1553b現(xiàn)場總線的簡單剖析

一、1553B總線的歷史

1553B總線是MIL－STD－1553總線的簡稱，其中B就是BUS，MIL-STD-1553總線是飛機(jī)內(nèi)部時(shí)分制命令/響應(yīng)式多路復(fù)用數(shù)據(jù)總線。1553B數(shù)據(jù)總線標(biāo)準(zhǔn)是20世紀(jì)70年代由美國公布的一種串行多路數(shù)據(jù)總線標(biāo)準(zhǔn)。1553B總線能掛31個(gè)遠(yuǎn)置終端，1553B總線采用指令/響應(yīng)型通信協(xié)議，它有三種終端類型：總線控制器（BC）、遠(yuǎn)程終端（RT）和總線監(jiān)視器（BM）；信息格式有BC到RT、RT到BC、RT到RT、廣播方式和系統(tǒng)控制方式；傳輸媒介為屏蔽雙絞線，1553B總線耦合方式有直接耦合和變壓器耦合；1553B總線為多冗余度總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，具有雙向傳輸特性，其傳輸速度為1Mbps傳輸方式為半雙工方式，采用曼徹斯特碼進(jìn)行編碼傳輸。采用這種編碼方式是因?yàn)檫m用于變壓器耦合，由于直接耦合不利于終端故障隔離，會因?yàn)橐粋€(gè)終端故障而造成整個(gè)總線網(wǎng)絡(luò)的完全癱瘓，所以其協(xié)議中明確指出不推薦使用直接耦合方式。

在20世紀(jì)60年代以前，飛機(jī)機(jī)載電子系統(tǒng)沒有標(biāo)準(zhǔn)的通用數(shù)據(jù)通道，各個(gè)電子設(shè)備單元之間連接往往需要大量的電纜。隨著機(jī)載電子系統(tǒng)的不斷復(fù)雜化，這種通信方式所用的電纜將會占用很大的空間和重量，而且對傳輸線的定義和測試也較為復(fù)雜，費(fèi)用較高。為了解決這一問題，美國SAEA2K委員會在軍方和工業(yè)界的支持下于1968年決定開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)的信號多路傳輸系統(tǒng)，并于1973年公布了MIL-STD-1553標(biāo)準(zhǔn)。1973年的1553B多路傳輸數(shù)據(jù)總線成為了未來軍機(jī)將采用的技術(shù)，它取代了在傳感器、計(jì)算機(jī)、指示器和其他飛機(jī)設(shè)備間傳遞數(shù)據(jù)的龐大設(shè)備，大大減少了飛機(jī)重量，并且使用簡單、靈活，此標(biāo)準(zhǔn)的修訂本于1978年公布，即MIL-STD-1553標(biāo)準(zhǔn)。1980年，美國空軍又對該標(biāo)準(zhǔn)作了局部修改和補(bǔ)充。該標(biāo)準(zhǔn)作為美國國防部武器系統(tǒng)集成和標(biāo)準(zhǔn)化管理的基礎(chǔ)之一，被廣泛的用于飛機(jī)綜合航電系統(tǒng)、外掛物管理與集成系統(tǒng)，并逐步擴(kuò)展到飛行控制等系統(tǒng)及坦克、艦船、航天等領(lǐng)域。它最初由美國空軍用于飛機(jī)航空電子系統(tǒng)，目前已廣泛應(yīng)用于美國和歐洲海、陸、空三軍，而且正在成為一種國際標(biāo)準(zhǔn)。我國于1987年頒布了相應(yīng)的軍標(biāo)。

二、1553B總線的特點(diǎn)

1553B總線是一種集中式的時(shí)分串行總線，其主要特點(diǎn)是分布處理、集中控制和實(shí)時(shí)響應(yīng)。其可靠性機(jī)制包括防錯(cuò)功能、容錯(cuò)功能、錯(cuò)誤的檢測和定位、錯(cuò)誤的隔離、錯(cuò)誤的校正、系統(tǒng)監(jiān)控及系統(tǒng)恢復(fù)功能。采用雙冗余系統(tǒng)，有兩個(gè)傳輸通道，保證了良好的容錯(cuò)性和故障隔離。綜合起來1553B總線有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

一是實(shí)時(shí)性好，1553B總線的數(shù)據(jù)傳輸率為1Mbps，每條消息最多包含32個(gè)字，傳輸一個(gè)固定不變的消息所需時(shí)間短。數(shù)據(jù)傳輸速率比一般的通訊網(wǎng)高。

二是合理的差錯(cuò)控制措施和特有的方式命令，為確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾裕?553B采用了合理的差錯(cuò)控制措施――反饋重傳糾錯(cuò)方法。當(dāng)BC向某一RT發(fā)出一個(gè)命令或發(fā)送一個(gè)消息時(shí)，終端應(yīng)在給定的響應(yīng)時(shí)間內(nèi)發(fā)回一個(gè)狀態(tài)字，如果傳輸?shù)南⒂绣e(cuò)，終端就拒絕發(fā)回狀態(tài)字，由此報(bào)告上次消息傳輸無效。而特有的方式命令不僅使系統(tǒng)能完成數(shù)據(jù)通訊控制任務(wù)，還能檢查故障情況并完成容錯(cuò)管理功能。

三是總線效率高，總線形式的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對總線效率的要求比較高，為此1553B對涉及總線效率指標(biāo)的某些強(qiáng)制性要求如命令響應(yīng)時(shí)間、消息間隔時(shí)間以及每次消息傳輸?shù)淖畲蠛妥钚?shù)據(jù)塊的長度都有嚴(yán)格限制。

四是具有命令/響應(yīng)以及“廣播”通訊方式，BC能夠以“廣播”方式向所有RT發(fā)送一個(gè)時(shí)間同步消息，這樣總線上的所有消息傳輸都由總線控制器發(fā)出的指令來控制，相關(guān)終端對指令應(yīng)給予響應(yīng)并執(zhí)行操作。這種方式非常適合集中控制的分布式處理系統(tǒng)。但1553B總線價(jià)格高昂，限制了它在工業(yè)領(lǐng)域的普遍性應(yīng)用。

三、1553B總線消息傳輸機(jī)制

1553B總線上的信息是以消息(Message)的形式調(diào)制成曼徹斯特碼進(jìn)行傳輸?shù)?。每條消息最長由32個(gè)字組成，所有的字分為三類：命令字、數(shù)據(jù)字和狀態(tài)字。每類字的長度為20位，有效信息位是16位，每個(gè)字的前3位為單字的同步字頭，而最后1位是奇偶校驗(yàn)位。有效信息(16位)及奇偶校驗(yàn)位在總線上以曼徹斯特碼的形式進(jìn)行傳輸，傳輸一位的時(shí)間為1S(即碼速率為1MHz)。同步字頭占3位，先正后負(fù)為命令字和狀態(tài)字，先負(fù)后正為數(shù)據(jù)字。

在這三種類型的字中，命令字位于每條消息的起始部分，其內(nèi)容規(guī)定了該次傳輸?shù)木唧w要求。狀態(tài)字只能由RT發(fā)出，它的內(nèi)容代表RT對BC發(fā)出的有效命令的反饋。BC可以根據(jù)狀態(tài)字的內(nèi)容來決定下一步采取什么樣的操作。數(shù)據(jù)字既可以由BC傳輸?shù)侥砇T，也可以從某RT傳輸至BC，或者從某RT傳輸?shù)搅硪籖T，它的內(nèi)容代表傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。

1553B總線上消息傳輸?shù)倪^程是：總線控制器向某一終端發(fā)布一個(gè)接收/發(fā)送指令，終端在給定的響應(yīng)時(shí)間范圍內(nèi)發(fā)回一個(gè)狀態(tài)字并執(zhí)行消息的接收/發(fā)送。BC通過驗(yàn)收RT回答的狀態(tài)字來檢驗(yàn)傳輸是否成功并做后續(xù)的操作。

消息是構(gòu)成1553B總線通訊的基本單位，如果需要完成一定的功能，就要將多個(gè)消息組織起來，形成一個(gè)新的結(jié)構(gòu)叫做幀(Frame)。幀的結(jié)構(gòu)見圖2。在圖中，完成一個(gè)消息的時(shí)間稱為消息時(shí)間，兩個(gè)消息之間的間隔稱為消息間隔時(shí)間，完成一個(gè)幀的時(shí)間稱為幀時(shí)間。在實(shí)際應(yīng)用中這三種時(shí)間都是可以通過編程設(shè)置的。

四、1553B總線在武器通信中的應(yīng)用

基于軍事上的需要，現(xiàn)在武器上的電子設(shè)備不斷增加，如何將電子設(shè)備加以有效的綜合，從而使之達(dá)到資源和功能的綜合已成為武器發(fā)展的必然要求。武器綜合電子系統(tǒng)的基礎(chǔ)就是采用數(shù)據(jù)總線結(jié)構(gòu)，利用數(shù)據(jù)總線使處理機(jī)（包括硬件和軟件）、信息傳輸以及控制顯示3個(gè)分系統(tǒng)為各種任務(wù)所共用。這樣就具有以下優(yōu)點(diǎn)：減少武器設(shè)備體積和重量，提高武器系統(tǒng)可靠性，降低成本，提高檢測精度等。現(xiàn)代武器對本身通信系統(tǒng)的要求一般有以下幾點(diǎn)：

一是能有效實(shí)現(xiàn)各子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸，且滿足特定的通信特性；

二是通信子系統(tǒng)相對獨(dú)立地工作，對應(yīng)用軟件盡可能透明，且占用主機(jī)的時(shí)間盡可能少。

三是通信系統(tǒng)靈活，易于修改。

四是通信子系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗干擾能力。

而1553B總線的優(yōu)良性能恰好能滿足上面幾點(diǎn)要求，從而使其在現(xiàn)代武器系統(tǒng)中得到了越來越多的重視，已成為戰(zhàn)車、艦船、飛機(jī)等武器平臺上電子系統(tǒng)的主要工作支柱。

航空電子系統(tǒng)通常包括十多個(gè)機(jī)載計(jì)算機(jī)子系統(tǒng)，如何有效的實(shí)現(xiàn)各子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通信對整個(gè)航空系統(tǒng)的成敗無疑起著關(guān)鍵性的作用。自1973年美國公布了軍用標(biāo)準(zhǔn)MIL－STD－1553B總線后，它就迅速的被應(yīng)用于空軍，在F－16、F－18、B－1和AV－SB等多種飛機(jī)上得到應(yīng)用。

目前世界上可以作為軍用標(biāo)準(zhǔn)和專門的艦用戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)總線有許多種，但使用的最多的還是當(dāng)推美國的MIL－STD－1553B。1553B的傳輸介質(zhì)有同軸電纜、屏蔽雙絞線、光纜等，通過變壓器藕合或直接藕合方式把終端藕合到總線上去。這種數(shù)據(jù)總線的傳輸速率、傳輸距離、遠(yuǎn)程終端數(shù)，能較好的滿足各類中小型艦艇以及潛艇系統(tǒng)通信的要求，故應(yīng)用十分普及。

軍用車輛及各類戰(zhàn)車作為陸軍地面武器的作戰(zhàn)平臺，經(jīng)常工作在強(qiáng)振動、高噪音、粉塵多，溫度變化大的惡劣環(huán)境中。因此，其內(nèi)部電子設(shè)備間的數(shù)據(jù)通信要求通過嚴(yán)格的故障檢測，以達(dá)到較高的可靠性、殘存性和容錯(cuò)能力。在實(shí)時(shí)性方面，動力系統(tǒng)一體化控制要分別對發(fā)動機(jī)和變速器進(jìn)行控制，二者之間的數(shù)據(jù)通信要求一條消息的最大響應(yīng)時(shí)間一般極短，這樣才能實(shí)現(xiàn)對發(fā)動機(jī)和變速器的實(shí)時(shí)控制，從而提高整個(gè)動力系統(tǒng)的綜合性能。此外，還有一些對數(shù)據(jù)通信的特殊要求，如協(xié)議簡單性、短幀信息傳輸、信息交換的頻繁性、網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的穩(wěn)定性、高安全性和性價(jià)比高等。1553B總線具有很高的可靠性和很好的實(shí)時(shí)性，對于動力傳動一體化控制這種數(shù)據(jù)通信種類多、數(shù)據(jù)量大、實(shí)時(shí)性要求較高、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)少的系統(tǒng)，1553B總線比現(xiàn)有的絕大多數(shù)總線具有更多的性能優(yōu)勢。

1553B總線在武器通信系統(tǒng)應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)一般有以下幾條：

一是總線接口硬件和軟件設(shè)計(jì)。采用接口卡或接口控制器形式與武器各子系統(tǒng)的硬件連接。同時(shí)，需要編寫相應(yīng)的通信控制軟件，包括傳輸層軟件和驅(qū)動層軟件，通過信息和資源的共享，按照武器的作戰(zhàn)目標(biāo)，在應(yīng)用層上真正實(shí)現(xiàn)功能的綜合。

二是接口控制文件（InterfaceControlDocument縮寫ICD）。ICD由通過1553B數(shù)據(jù)總線在武器各電子設(shè)備之間互聯(lián)的接口信號組成。根據(jù)武器的控制策略和控制目標(biāo)，必須編寫符合要求的ICD文件，確定總線上傳輸?shù)闹芷谛詳?shù)據(jù)和隨機(jī)數(shù)據(jù)。只有這樣才能確定數(shù)據(jù)流之間的相互關(guān)系，高效率的實(shí)現(xiàn)功能的綜合，有效提升武器的作戰(zhàn)性能。

三是總線表?？偩€表是指一個(gè)周期內(nèi)所有可能傳輸?shù)目偩€命令集。根據(jù)武器平臺的控制要求，確定一個(gè)周期內(nèi)傳輸?shù)拿詈拖㈥?duì)列，按照大小周期劃分時(shí)間片，對消息隊(duì)列進(jìn)行排序和優(yōu)化，使總線負(fù)載達(dá)到平衡，提高總線的利用率和數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。