1553B總線技術(shù)概述

1、1553B總線技術(shù)概述一、1553B總線的起源二十世紀(jì)60年代以前，航空電子學(xué)就是簡單、獨(dú)立的系統(tǒng)，航空、通信、飛行控制與顯示器由模擬系統(tǒng)構(gòu)成；信號(hào)主要由模寸電壓、同-異步信號(hào)與接觸式開關(guān)構(gòu)成。上世紀(jì)60年代，由導(dǎo)航/平顯/武器瞄準(zhǔn)系統(tǒng)（INS/HUD/WACS）組成的綜合火控系統(tǒng)， 配上遠(yuǎn)距空射武器,使戰(zhàn)斗機(jī)如虎添翼。但作戰(zhàn)信息數(shù)據(jù)總量暴漲，而設(shè)備間接口各異，互聯(lián)協(xié)同難度大，成為作戰(zhàn)效能的瓶頸。同時(shí)，由于缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，開發(fā)、維護(hù)與改進(jìn)的成本不斷上升。另一方面，為了減少系統(tǒng)所需要的“黑箱子”數(shù)量，在各系統(tǒng)之間共享信息也變得越來越需要了。隨著數(shù)字技術(shù)的出現(xiàn)，數(shù)字計(jì)算機(jī)已應(yīng)用到航空設(shè)備系統(tǒng)中，然而

2、需要數(shù)模轉(zhuǎn)換仍限制其在此領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。隨著技術(shù)的不斷完善與發(fā)展，航空電子設(shè)備系統(tǒng)也變成數(shù)字化了；然而航空電子設(shè)備之間的通信仍然十分復(fù)雜與凌亂，且需要不同的硬件接口來應(yīng)付不同的航空設(shè)備（如圖1）；在不同的航空設(shè)備接口連線也十分復(fù)雜與混亂，安全性能也不高。為了簡化這一狀況，就提出了數(shù)據(jù)總線，即在不同的時(shí)刻與不同的航空電子設(shè)備之間能相互通信（如圖2）。圖1老式航空設(shè)備通訊圖2航空設(shè)備數(shù)據(jù)總線通訊美國SAEA2K委員會(huì)在軍方與工業(yè)界的支持下于1968年決定開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)多路傳輸系統(tǒng)，并于1973年公布了MIL-STD-1553B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)，

3、它取代了在傳感器、計(jì)算機(jī)、指示器與其她飛機(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-1553B標(biāo)準(zhǔn)。1980年，美國空軍又對該標(biāo)準(zhǔn)作了局部修改與補(bǔ)充。該標(biāo)準(zhǔn)作為美國國防部武器系統(tǒng)集成與標(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)用于美國與歐洲海、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總線就是一種集中式的時(shí)分串行總線，其主要特

4、點(diǎn)就是分布處理、集中控制與實(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)誤的檢測與定位、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)性與故障隔離。綜合起來1553B總線有以下幾個(gè)特點(diǎn)：一就是實(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。二就是合理的差錯(cuò)控制措施與特有的方式命令，為確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾裕?553B采用了合理的差錯(cuò)控制措施一一反饋重傳糾錯(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

5、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。三就是總線效率高，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)淖畲笈c最小數(shù)據(jù)塊的長度都有嚴(yán)格限制。四就是具有命令/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

6、工業(yè)領(lǐng)域的普遍性應(yīng)用。三、1553B總線的傳輸機(jī)制1553B總線上的信息就是以消息（Message）的形式調(diào)制成曼徹斯*進(jìn)行傳輸?shù)摹Ｃ織l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)字與狀態(tài)字。每個(gè)字的長度為20位比特，且由3部分組成：同步域（3個(gè)比特位）、消息塊（16個(gè)比特位）與奇偶位（1個(gè)比牛I位）。在同步域中（第1到第3位）1個(gè)半比特位為高電平,1個(gè)半比特位為低電平；命令字與狀態(tài)字在同步域中相同，先高電平再為低電平；而數(shù)據(jù)字則相反，先低電平再為高電平。在消息塊中（第4到第19位）它們之間都不相同；第20位為奇偶位。命令字、數(shù)據(jù)字與狀態(tài)字各位的定義見圖3。在這三種類型的字中，命令字

7、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（遠(yuǎn)程終端）發(fā)出，它的內(nèi)容代表RTXBC（總線控制器）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^程就是：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)傳輸就是否成功并做后續(xù)的操作。消息就是構(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)

8、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)示意圖見圖4。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)間都就是可以通過編程設(shè)置的。幀傳輸方式可分為兩部分：幀傳輸方式與廣播幀傳輸方式。在幀傳輸方式中有六種幀傳輸格式，分別為BC到RT、RT到BC、RT到RT與命令模式三種（即不帶數(shù)據(jù)的命令模式、帶數(shù)據(jù)發(fā)送的命令模式與帶數(shù)據(jù)接受的命令模式）;在廣播幀傳輸方式中有四種廣播幀傳輸格式，分別為BC至ijRT、RT至URT與廣播命令模式二種（不帶數(shù)據(jù)的廣播命令模式與帶數(shù)據(jù)的廣播命令模式）。圖4幀的結(jié)構(gòu)示意圖四、1

9、553B總線的優(yōu)點(diǎn)1、 線性局域網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)合理的拓?fù)鋃勾使得1553B總線成為航空系統(tǒng)或地面車輛系統(tǒng)中分布式設(shè)備的理想連接方式。與點(diǎn)對點(diǎn)連接相比,它減少了所需電纜、所需空間與系統(tǒng)的重量。便于維護(hù)，易于增加或刪除節(jié)點(diǎn)，提高設(shè)計(jì)靈活性。2、冗余容錯(cuò)能力由于其固有的雙通道設(shè)計(jì)，1553B總線通過在兩個(gè)通道間自動(dòng)切換來獲得冗余容錯(cuò)能力，提高可靠性。通道的自動(dòng)切換對軟件透明。3、 支持啞”節(jié)點(diǎn)與智能”節(jié)點(diǎn)1553B總線支持非智能的遠(yuǎn)程終端。 這種遠(yuǎn)程終端提供與傳感器與激勵(lì)器的連接接口。十分適合智能中央處理模塊與分布式從屬設(shè)備的連接。4、高水平的電器保障性能由于采用了電氣屏蔽與總線耦合方式，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都能夠安

10、全地與網(wǎng)絡(luò)隔離；減少了潛在的損壞計(jì)算機(jī)等設(shè)備的可能性。圖3命令字、 數(shù)據(jù)字與狀態(tài)字各位的定義5、良好的器件可用性1553B總線器件的制造工藝滿足了大范圍溫度變化以及軍標(biāo)的要求。器件的商品化使得1553B總線得以廣泛地應(yīng)用在苛刻環(huán)境的項(xiàng)目當(dāng)中。6、保證了的實(shí)時(shí)可確定性1553B總線的命令/響應(yīng)的協(xié)議方式保證了實(shí)時(shí)的可確定性。這可能就是大多數(shù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)使命關(guān)鍵系統(tǒng)中選擇1553B總線的最主要的原因。五、1553B總線的發(fā)展現(xiàn)狀基于軍事上的需要，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)到資源與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)就就是采用數(shù)據(jù)

11、總線結(jié)構(gòu)，利用數(shù)據(jù)總線使處理機(jī)(包括硬件與軟件卜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)備體積與重量，提高武器系統(tǒng)可靠性，降低成本，提高檢測精度等?，F(xiàn)代武器對本身通信系統(tǒng)的要求一般有以下幾點(diǎn)：一就是能有效實(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；二就是通信子系統(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。三就是通信系統(tǒng)靈活，易于修改。四就是通信子系統(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(tái)上電子系統(tǒng)的主要工作支柱。航空電

12、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F16、F18、B1與AVSB等多種飛機(jī)上得到應(yīng)用。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：一就是總線接口硬件與軟件設(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，包括傳輸層軟件與驅(qū)動(dòng)層軟件，通過信息與資源的共享,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。二就是接口控制文件(InterfaceControlDocumen

13、t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(hào)組成。根據(jù)武器的控制策略與控制目標(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)與隨機(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。三就是總線表?？偩€表就是指一個(gè)周期內(nèi)所有可能傳輸?shù)目偩€命令集。根據(jù)武器平臺(tái)的控制要求，確定一個(gè)周期內(nèi)傳輸?shù)拿钆c消息隊(duì)列，按照大小周期劃分時(shí)間片，對消息隊(duì)列進(jìn)行排序與優(yōu)化，使總線負(fù)載達(dá)到平衡，提高總線的利用率與數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。圖5戰(zhàn)機(jī)1553B總線結(jié)構(gòu)我 國 軍 隊(duì) 正 處 在 由 機(jī) 械 化 到 信 息 化 的 發(fā) 展 階 段 ， 我 國 新 型 戰(zhàn) 斗 機(jī) 已 經(jīng) 全 面 換 裝GJB289A(MIL-STD-1553B)數(shù)據(jù)總線，如:殲八II、殲11、山鷹”號(hào)新一代教練機(jī)、FC-1等,我國軍艦也正在采用MIL-STD-1553B數(shù)據(jù)總線，例如167驅(qū)逐艦。其它武器平臺(tái)也將逐步采用GJB289A(MIL-STD-1553B)數(shù)據(jù)總線。在航天方面，我國已經(jīng)將MIL-STD-1553B數(shù)據(jù)總線應(yīng)用到衛(wèi)星/飛船的應(yīng)用系統(tǒng)中，并取得了一定成果。利用MIL-STD-1553B數(shù)據(jù)總線