1553B總線在武器通信中的應用探討

摘要：由于1553B總線良好的特性，在現(xiàn)代武器系統(tǒng)中，1553B總線正發(fā)揮著越來越重要的作用。本文介紹了1553B總線的特點和消息傳輸機制，并對其在武器通信中的應用情況進行了探討。 
關鍵字：1553B總線；武器；消息傳輸；通信；應用   

 1  引言 
    隨著科技的發(fā)展及戰(zhàn)爭的需要，戰(zhàn)車、艦船、飛機等武器平臺上電子設備越來越多，越來越復雜，于是將電子設備按一定的協(xié)議聯(lián)網(wǎng)加以有效地綜合，使之達到資源和功能共享已成為必然的要求。電子綜合的支撐技術是聯(lián)網(wǎng)技術，而武器平臺上的聯(lián)網(wǎng)技術不同于一般的局域網(wǎng)絡技術，它特別強調網(wǎng)絡的可靠性和實時性。1553B總線最初是在七十年代末為適應飛機的發(fā)展由美國提出的飛機內部電子系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)標準，其后由于它的高可靠性和靈活性而在其他的機動武器平臺上也得到了較廣泛的應用。 
2  1553B總線簡介 
    1553B總線是MIL－STD－1553B的簡稱，其全稱是飛機內部時分制指令響應式多路傳輸數(shù)據(jù)總線。由于其傳輸速率高，設備之間連接簡單靈活，噪聲容限高，通信效率高而且可靠，為美軍標所采用，將其作為機載設備相互通信的總線標準。從推出到現(xiàn)在，經(jīng)過三十年的發(fā)展，1553B總線技術也在不斷的改進。目前1553B總線已經(jīng)成為在航空航天領域占統(tǒng)治地位的總線標準。 
    1553B總線是一種集中式的時分串行總線，其主要特點是分布處理、集中控制和實時響應。其可靠性機制包括防錯功能、容錯功能、錯誤的檢測和定位、 錯誤的隔離、錯誤的校正、系統(tǒng)監(jiān)控及系統(tǒng)恢復功能。采用雙冗余系統(tǒng)，有兩個傳輸通道，保證了良好的容錯性和故障隔離。綜合起來1553B總線有以下幾個優(yōu)良特點： 
   (1)實時性好，1553B總線的傳輸碼速率為1Mbps，每條消息最多包含32個字，傳輸一個固定不變的消息所需時間短。數(shù)據(jù)傳輸速率比一般的通訊網(wǎng)高。 
    (2)合理的差錯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采用了合理的差錯控制措施――反饋重傳糾錯方法。當總線控制器BC向某一終端RT發(fā)出一個命令或發(fā)送一個消息時，終端應在給定的響應時間內發(fā)回一個狀態(tài)字，如果傳輸?shù)南⒂绣e，終端就拒絕發(fā)回狀態(tài)字，由此報告上次消息傳輸無效。而方式命令不僅使系統(tǒng)能完成數(shù)據(jù)通訊控制任務，還能調查故障情況并完成容錯管理功能。 
    (3)總線效率高， 總線形式的拓撲結構對總線效率的要求比較高，為此1553B對涉及總線效率指標的某些強制性要求如命令響應時間、消息間隔時間以及每次消息傳輸?shù)淖畲蠛妥钚?shù)據(jù)塊的長度都有嚴格限制。 
    (4)具有命令/響應以及“廣播”通訊方式，BC能夠以“廣播”方式向所有RT發(fā)送一個時間同步消息，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，相關終端對指令應給予響應并執(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)。 
3  1553B總線消息傳輸機制 
    1553B總線上的信息是以消息(Message)的形式調制成曼徹斯特碼進行傳輸?shù)?。每條消息最長由32個字組成，所有的字分為三類:命令字、數(shù)據(jù)字和狀態(tài)字。每類字的一個字長為20位，有效信息位是16位，每個字的前3位為單字的同步字頭，而最后1位是奇偶校驗位。有效信息(16位)及奇偶校驗位在總線上以曼徹斯特碼的形式進行傳輸，傳輸一位的時間為1 S(即碼速率為1MHz)。同步字頭占3位，先正后負為命令字和狀態(tài)字，先負后正為數(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，它的內容代表傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。 
    命令字，數(shù)據(jù)字以及狀態(tài)字各位的定義見圖1  
  
    1553B總線上消息傳輸?shù)倪^程是:總線控制器向某一終端發(fā)布一個接收/發(fā)送指令，終端在給定的響應時間范圍內發(fā)回一個狀態(tài)字并執(zhí)行消息的接收/發(fā)送。BC通過驗收RT回答的狀態(tài)字來檢驗傳輸是否成功并做后續(xù)的操作。 
    消息是構成1553B總線通訊的基本單位，如果需要完成一定的功能，就要將多個消息組織起來，形成一個新的結構叫做幀(Frame)。幀的結構見圖2。在圖中，完成一個消息的時間稱為消息時間，兩個消息之間的間隔稱為消息間隔時間，完成一個幀的時間稱為幀時間。在實際應用中這三種時間都是可以通過編程設置的。  
  
4 1553B總線在武器通信中的應用 
    如前所述，現(xiàn)在武器上的電子設備不斷增加，如何將這些電子設備加以有效的綜合，從而使之達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)的基礎就是采用數(shù)據(jù)總線結構，利用數(shù)據(jù)總線使處理機（包括硬件和軟件）、信息傳輸以及控制顯示3個分系統(tǒng)為各種任務所共用。這樣就具有以下優(yōu)點：減少武器設備體積和重量，減輕乘員工作負擔，提高武器系統(tǒng)可靠性，降低成本，提高檢測精度，增強系統(tǒng)的自治性等等?，F(xiàn)代武器對系統(tǒng)通信的要求一般有以下幾點： 
    a、能有效實現(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; 
     b、使通信相對獨立地工作，對應用軟件盡可能透明，且對主機的時間開銷盡可能少; 
     c、使通信系統(tǒng)靈活，易于修改。 
     d、具有較強的抗干擾能力。 
    而1553B總線的優(yōu)良性能恰好能滿足上面幾點，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)通常包括十多個機載計算機子系統(tǒng)，如何有效的實現(xiàn)各子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通信對整個航空系統(tǒng)的成敗無疑起著關鍵性的作用。自1973年美國公布了軍用標準MIL－STD－1553B總線后，它就迅速的被應用于空軍，在F－16、F－18、B－1和AV－SB等多種飛機上得到應用。圖3就是1553B總線在戰(zhàn)機中的通信應用模型示意圖：  
  
    目前世界上可以作為軍用標準和專門的艦用戰(zhàn)術數(shù)據(jù)總線有許多種，但使用的最多的還是當推美國的MIL－STD－1553B。1553B的傳輸介質有同軸電纜、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)常工作在強振動、高噪音、粉塵多，溫度變化大的惡劣環(huán)境中。因此，其內部電子設備間的數(shù)據(jù)通信要求通過嚴格的故障檢測，以達到高的可靠性、殘存性和容錯能力。在實時性方面，動力系統(tǒng)一體化控制要分別對發(fā)動機和變速器進行控制，二者之間的數(shù)據(jù)通信要求一條消息的最大響應時間一般不能超過 ，這樣才能實現(xiàn)對發(fā)動機和變速器的實時控制，從而提高整個動力系統(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)絡負載的穩(wěn)定性、高安全性和性價比等。1553B總線具有高的可靠性和很好的實時性，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、實時性要求較高、網(wǎng)絡節(jié)點少的系統(tǒng)，1553B總線比現(xiàn)有的絕大多數(shù)總線具有更好的性能優(yōu)勢 
    1553B總線在武器通信應用中的關鍵技術一般有以下幾點： 
    1）總線接口硬件和軟件設計。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，需要編寫相應的通信控制軟件，包括傳輸層軟件和驅動層軟件，通過信息和資源的共享，按照武器的作戰(zhàn)目標，在應用層上真正實現(xiàn)功能的綜合。 
    2）接口控制文件（ICD）。ICD由通過1553B數(shù)據(jù)總線在武器各電子設備之間互聯(lián)的接口信號組成。根據(jù)武器的控制策略和控制目標，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)和隨機數(shù)據(jù)。只有這樣才能確定數(shù)據(jù)流之間的相互關系，高效率的實現(xiàn)功能的綜合，有效提升武器的作戰(zhàn)性能。 
    3）總線表?？偩€表是指一個周期內所有可能傳輸?shù)目偩€命令集。根據(jù)武器平臺的控制要求，確定一個周期內傳輸?shù)拿詈拖㈥犃?，按照大小周期劃分時間片，對消息隊列進行排序和優(yōu)化，使總線負載達到平衡，提高總線的利用率和數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性。 
5  結論 
    武器系統(tǒng)是一個復雜的系統(tǒng)，而且空間狹窄，它對數(shù)據(jù)通信的實時性、可靠性以及抗干擾能力都要求甚高。1553B 總線由于傳輸速率高、可靠性高、實時性好等優(yōu)點在武器系統(tǒng)中得到了較廣泛的應用。但1553B 總線價格高昂，限制了它在工業(yè)領域的進一步應用。 
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