張秀梅 吳祖民

摘 要：1553B總線(xiàn)是一種集中式的時(shí)分串行總線(xiàn)，目前已廣泛應(yīng)用于海、陸、空三軍，具有一網(wǎng)蓋三軍之稱(chēng)。但是由于基于1553B標(biāo)準(zhǔn)的總線(xiàn)核心技術(shù)長(zhǎng)期由歐美公司所壟斷，因此，自主研發(fā)1553B總線(xiàn)的協(xié)議芯片及產(chǎn)品具有重要的戰(zhàn)略意義。文章詳盡分析了1553B總線(xiàn)系統(tǒng)的耦合方式、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、總線(xiàn)字格式、通信協(xié)議以及優(yōu)勢(shì)，還介紹了1553B總線(xiàn)技術(shù)的各種應(yīng)用、國(guó)產(chǎn)化研究情況以及發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：1553B總線(xiàn)；應(yīng)用；國(guó)產(chǎn)化

為實(shí)現(xiàn)航電系統(tǒng)過(guò)程控制和狀態(tài)管理、各子系統(tǒng)或模塊之間的資源共享、減輕互連介質(zhì)的重量、降低復(fù)雜性，提高信息傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和可靠性；另外，由于航電系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間工作在高空、高溫、高速、強(qiáng)電磁干擾以及高強(qiáng)度振動(dòng)環(huán)境中，工作環(huán)境比較惡劣，勢(shì)必需要一種比較可靠的通信方式。在數(shù)據(jù)總線(xiàn)領(lǐng)域先后提出了一系列的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，常見(jiàn)的有ARINC429總線(xiàn)、MIL-STD-1553B總線(xiàn)等[1]。其中ARINC429總線(xiàn)協(xié)議是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的單向傳輸總線(xiàn)，系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸是通過(guò)屏蔽雙絞線(xiàn)實(shí)現(xiàn)的，它的缺點(diǎn)是速度慢、效率低，不能滿(mǎn)足復(fù)雜的航空電子綜合系統(tǒng)的要求；MIL-STD-1553B總線(xiàn)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“1553B總線(xiàn)”）是一種時(shí)分制指令/響應(yīng)多路傳輸數(shù)據(jù)總線(xiàn)，采用半雙工的通信方式，能把系統(tǒng)通信有效地集成，采用綜合控制和顯示，由于其高可靠性、高速率性和高穩(wěn)定性，在聯(lián)合式航電系統(tǒng)中得以廣泛應(yīng)用。但是由于基于1553B標(biāo)準(zhǔn)的總線(xiàn)核心技術(shù)長(zhǎng)期由歐美公司所壟斷，因此，自主研發(fā)1553B總線(xiàn)的協(xié)議芯片及產(chǎn)品具有重要的戰(zhàn)略意義。國(guó)內(nèi)873項(xiàng)目頒發(fā)了國(guó)軍標(biāo)289A，它目前是國(guó)產(chǎn)作戰(zhàn)飛機(jī)的主流數(shù)據(jù)總線(xiàn)。本文詳細(xì)分析了1553B總線(xiàn)系統(tǒng)的耦合方式、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、總線(xiàn)字格式、通信協(xié)議以及優(yōu)勢(shì)，還介紹了1553B總線(xiàn)技術(shù)的各種應(yīng)用、國(guó)產(chǎn)化研究情況以及發(fā)展趨勢(shì)。

1 1553B總線(xiàn)介紹

1553B總線(xiàn)采用半雙工的通信方式，傳輸速度為1 Mb/s，每個(gè)字字長(zhǎng)20位，數(shù)據(jù)有效位為16位，消息最長(zhǎng)長(zhǎng)度為32個(gè)字，傳輸媒介為屏蔽雙絞線(xiàn)，傳輸協(xié)議為命令/響應(yīng)方式，數(shù)據(jù)傳輸采用曼徹斯特Ⅱ型碼調(diào)制信號(hào)[2]。

1.1 系統(tǒng)概述

1553B總線(xiàn)系統(tǒng)主要包括接口模塊、耦合器、電纜等，各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間使用雙絞屏蔽線(xiàn)和總線(xiàn)耦合器連接，耦合方式有直接耦合和變壓器耦合兩種，第一種方式是節(jié)點(diǎn)直連到總線(xiàn)上，最長(zhǎng)約為30 cm，它的優(yōu)點(diǎn)是重量輕，維護(hù)少；第二種方式是通過(guò)隔離變壓器再連接到總線(xiàn)上，最長(zhǎng)約為6 m，它的優(yōu)點(diǎn)是將RT和總線(xiàn)相隔離，減少信號(hào)失真度，抑制了共模噪聲，實(shí)際應(yīng)用中通常選擇變壓耦合方式。

1553B總線(xiàn)系統(tǒng)有3種典型的節(jié)點(diǎn)：總線(xiàn)控制器（Bus Controller，BC）（唯一一個(gè)），遠(yuǎn)程終端（Remote Terminal，RT）（最多31個(gè)）和總線(xiàn)監(jiān)視器（Monitor Terminal，MT）。這3種節(jié)點(diǎn)的主要分別功能如下[3]。

（1）BC。BC是被安排為執(zhí)行建立和啟動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)的唯一終端，對(duì)于整個(gè)飛機(jī)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)而言，飛機(jī)控制系統(tǒng)即是BC，控制整個(gè)飛機(jī)各個(gè)子系統(tǒng)之間的通信。

（2）RT。RT是接入1553B總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)子節(jié)點(diǎn)，一個(gè)1553B總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)最多能接入31個(gè)RT。RT是用戶(hù)子系統(tǒng)到數(shù)據(jù)總線(xiàn)上的接口，在BC的控制下發(fā)送或接收數(shù)據(jù)。對(duì)于整個(gè)飛機(jī)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)而言，導(dǎo)航系統(tǒng)、雷達(dá)系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)等都屬于RT，只有當(dāng)總線(xiàn)控制器BC向某RT發(fā)出指令后，該RT才能與BC或者別的RT進(jìn)行通信。

（3）MT。MT是系統(tǒng)中用于有選擇地接收、記錄總線(xiàn)上傳輸?shù)男畔⒔K端?？偩€(xiàn)監(jiān)控器不傳輸數(shù)據(jù)，只受總線(xiàn)控制器BC控制。

1553B總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中所有終端共享一條信息通路，每個(gè)終端扮演唯一總線(xiàn)角色，任一時(shí)刻網(wǎng)絡(luò)中只有一個(gè)終端在發(fā)送信息，信息可被所有終端接收，接收后終端通過(guò)地址來(lái)識(shí)別。這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，任一終端的故障都不會(huì)造成系統(tǒng)的癱瘓?？傮w來(lái)說(shuō)，1553B總線(xiàn)具有以下優(yōu)點(diǎn)。

（1）線(xiàn)性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：便于維護(hù)，易于增加或刪除節(jié)點(diǎn)，提高系統(tǒng)的可靠性和靈活性。

（2）可靠的傳輸協(xié)議：總線(xiàn)按指令/響應(yīng)的方式異步操作。

（3）冗余容錯(cuò)能力：傳輸線(xiàn)、總線(xiàn)接口都存在熱備份，極大提高了系統(tǒng)的可靠性。

（4）實(shí)時(shí)傳輸性：1553B總線(xiàn)的傳輸速率可達(dá)1 Mb/s，每條消息最多僅含32個(gè)字，因此實(shí)時(shí)性很強(qiáng)。

（5）高可靠的電氣傳輸：1553B總線(xiàn)傳輸采用變壓器耦合方式，每個(gè)終端都能夠安全地與總線(xiàn)隔離。

1.2 1553B總線(xiàn)字格式及通信協(xié)議

1553B總線(xiàn)上的數(shù)據(jù)流由一條條消息組成，而每條消息都由3種類(lèi)型的字組成：命令字、數(shù)據(jù)字和狀態(tài)字。

1.2.1 字格式

字是一個(gè)比特位序列，命令字、數(shù)據(jù)字和狀態(tài)字這3種類(lèi)型字的字長(zhǎng)均為20位：包含同步頭（前3位）、有效數(shù)據(jù)位（后16位）及奇偶校驗(yàn)位（最后1位），詳細(xì)格式定義如圖1所示[4]。

1.2.2 通信協(xié)議

1553B總線(xiàn)每條消息都是由1個(gè)命令字、1個(gè)狀態(tài)字和若干數(shù)據(jù)字（數(shù)目0～32不等）及狀態(tài)響應(yīng)間隔組成的傳輸序列。按照功能劃分，共有10種消息格式：BC->RT、RT-> BC、RT->RT、帶數(shù)據(jù)字的方式指令（發(fā)送）、帶數(shù)據(jù)字的方式指令（接收）、不帶數(shù)據(jù)字的方式指令、BC向各RT的通播（廣播接收）、RT->RT廣播、帶數(shù)據(jù)字的廣播方式指令、不帶數(shù)據(jù)字的廣播方式指令[5]。前6種消息是在BC的直接控制下進(jìn)行，要求被訪(fǎng)問(wèn)的RT作出特定的響應(yīng)；后4種消息是廣播方式，允許BC或某個(gè)RT將消息發(fā)送給所有其他終端，但不需要確認(rèn)接收終端的狀態(tài)（無(wú)需確認(rèn)接收端狀態(tài)，傳輸效率高但不可靠）[6]。

2 1553B總線(xiàn)的應(yīng)用和國(guó)產(chǎn)化研究

2.1 1553B總線(xiàn)的應(yīng)用

當(dāng)總線(xiàn)通信出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，根據(jù)總線(xiàn)信息只能判斷出是某個(gè)子系統(tǒng)的故障，而難以判斷出是該子系統(tǒng)設(shè)備還是對(duì)應(yīng)總線(xiàn)出現(xiàn)了故障，所以很有必要對(duì)傳輸信號(hào)的波形特征及信息內(nèi)容進(jìn)行綜合監(jiān)測(cè)。國(guó)外推出的通用航空總線(xiàn)測(cè)試系統(tǒng)，已在航空航天綜合測(cè)試領(lǐng)域有了廣泛應(yīng)用，但因成本及協(xié)議保密問(wèn)題，不能很好地引進(jìn)到國(guó)內(nèi)。文獻(xiàn)[5]針對(duì)此問(wèn)題編制了一個(gè)總線(xiàn)信息監(jiān)控軟件系統(tǒng)，用來(lái)采集、保存信號(hào)，并與接口控制文件（ Interface Control Document，ICD）庫(kù)進(jìn)行比對(duì)，實(shí)現(xiàn)信息內(nèi)容的解析，具備良好的人機(jī)交互界面，便于操作者觀察和分析，在解決此類(lèi)監(jiān)測(cè)總線(xiàn)問(wèn)題方面有很好的借鑒意義。

遠(yuǎn)程終端是總線(xiàn)系統(tǒng)的重要組成部分，借助現(xiàn)代集成電路的不斷集成化，將遠(yuǎn)程終端實(shí)現(xiàn)片上系統(tǒng)化（System on a Chip，SoC）有很大的實(shí)用意義。文獻(xiàn)[5]設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了1553B總線(xiàn)系統(tǒng)掛載SoC模型的遠(yuǎn)程終端，實(shí)現(xiàn)了上述的10種消息格式，并能夠按照消息通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和異常消息處理，為總線(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和驗(yàn)證的國(guó)產(chǎn)化提供了極重要的參考價(jià)值。

2.2 1553B總線(xiàn)的國(guó)產(chǎn)化研究

1553B總線(xiàn)在實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸功能時(shí)，需要使用具備靈活的接口模式，能夠與各種CPU連接的協(xié)議芯片，其中典型代表是DDC公司的“ACE”系列協(xié)議處理器BU61580和BU65170等最為常用[10]。為更好地保障通信信息安全，擺脫1553B系列芯片市場(chǎng)長(zhǎng)期被歐美壟斷的境地，我國(guó)于1997年11月發(fā)布了GJB289A-97，該標(biāo)準(zhǔn)已成功應(yīng)用于國(guó)內(nèi)各型飛機(jī)研制項(xiàng)目中。目前國(guó)內(nèi)一些科研院所和企事業(yè)單位研發(fā)出了多款優(yōu)秀的產(chǎn)品。

很多研發(fā)團(tuán)隊(duì)考慮用FPGA實(shí)現(xiàn)協(xié)議功能的方式替代ACE等協(xié)議芯片，這種方法使用方便、靈活而且價(jià)格低廉，但只適合于實(shí)驗(yàn)室使用，不適合作為裝備交付用戶(hù)。原因是國(guó)內(nèi)的大部分FPGA電磁兼容性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到軍品器件的要求。對(duì)此，國(guó)家進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)，終于研制出一種完全用硬件電路實(shí)現(xiàn)的協(xié)議芯片，抗干擾能力達(dá)到軍品H級(jí)，與DDC公司同型號(hào)產(chǎn)品做背對(duì)背測(cè)試，各項(xiàng)指標(biāo)完全滿(mǎn)足，可完全代替DDC公司ACE系列芯片的產(chǎn)品[8]；芯片EP-H31580，B61580也是屬于自主研制，在功能和性能上能夠達(dá)到DDC公司的BU61580的水平，并且研發(fā)成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)降低，在實(shí)際產(chǎn)品研發(fā)生產(chǎn)中已得到應(yīng)用。

當(dāng)前，在航電系統(tǒng)迅猛發(fā)展的強(qiáng)烈需求之下，對(duì)1553B總線(xiàn)方面的技術(shù)人才需求日益增多，為培養(yǎng)更多的此類(lèi)型優(yōu)秀人才，一種基于HKS1553BCRT芯片的多功能仿真平臺(tái)應(yīng)運(yùn)而生，此平臺(tái)以先進(jìn)的SoC技術(shù)、ARM嵌入式系統(tǒng)和1553B總線(xiàn)技術(shù)為基礎(chǔ)，以普及1553B總線(xiàn)應(yīng)用和SoC架構(gòu)的芯片編程設(shè)計(jì)為出發(fā)點(diǎn)，對(duì)推廣1553B總線(xiàn)技術(shù)知識(shí)以及SoC芯片的一些基本的使用技巧具有很好的工程應(yīng)用價(jià)值[9]。這些成果在一定程度上改變了軍用1553B芯片及相關(guān)產(chǎn)品完全依賴(lài)進(jìn)口的局面，隨著國(guó)家對(duì)電子器件國(guó)產(chǎn)化的日益重視，相信不久，國(guó)產(chǎn)芯片會(huì)占領(lǐng)越來(lái)越多的市場(chǎng)，并且所研發(fā)的產(chǎn)品會(huì)更具競(jìng)爭(zhēng)力。

3 1553B總線(xiàn)發(fā)展趨勢(shì)

MIL-STD-1773總線(xiàn)是1553B總線(xiàn)的光纖版，具有傳輸速率高（20 MB/s）、電磁兼容（Electro Magnetic Compatibility，EMC）好和不產(chǎn)生電磁干擾（Electro Magnetic Interference，EMI）的優(yōu)點(diǎn)，但是該技術(shù)是目前國(guó)際最尖端和最前沿的學(xué)科，我國(guó)技術(shù)人員還未掌握該項(xiàng)技術(shù)核心，離真正可靠、成熟的應(yīng)用于航空領(lǐng)域，還需要走很長(zhǎng)一段路[10]。在未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)，1553B總線(xiàn)由于它的高可靠性、實(shí)時(shí)性、靈活性，仍將在各軍事領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用，并且核心技術(shù)會(huì)朝著抗惡劣環(huán)境、抗輻射能力更強(qiáng)以及傳輸速度更快的方向發(fā)展。