1553B總線在武器通信中的應(yīng)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(diǎn)和消息傳輸機(jī)制，并對其在武器通信中的應(yīng)用情況進(jìn)行了探討。 
關(guān)鍵字：1553B總線；武器；消息傳輸；通信；應(yīng)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(jī)等武器平臺上電子設(shè)備越來越多，越來越復(fù)雜，于是將電子設(shè)備按一定的協(xié)議聯(lián)網(wǎng)加以有效地綜合，使之達(dá)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(shù)是聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，而武器平臺上的聯(lián)網(wǎng)技術(shù)不同于一般的局域網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它特別強(qiáng)調(diào)網(wǎng)絡(luò)的可靠性和實時性。1553B總線最初是在七十年代末為適應(yīng)飛機(jī)的發(fā)展由美國提出的飛機(jī)內(nèi)部電子系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，其后由于它的高可靠性和靈活性而在其他的機(jī)動武器平臺上也得到了較廣泛的應(yīng)用。 
2  1553B總線簡介 
    1553B總線是MIL－STD－1553B的簡稱，其全稱是飛機(jī)內(nèi)部時分制指令響應(yīng)式多路傳輸數(shù)據(jù)總線。由于其傳輸速率高，設(shè)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(biāo)所采用，將其作為機(jī)載設(shè)備相互通信的總線標(biāo)準(zhǔn)。從推出到現(xiàn)在，經(jīng)過三十年的發(fā)展，1553B總線技術(shù)也在不斷的改進(jìn)。目前1553B總線已經(jīng)成為在航空航天領(lǐng)域占統(tǒng)治地位的總線標(biāo)準(zhǔn)。 
    1553B總線是一種集中式的時分串行總線，其主要特點(diǎn)是分布處理、集中控制和實時響應(yīng)。其可靠性機(jī)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(fù)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(diǎn)： 
   (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(dāng)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(yīng)在給定的響應(yīng)時間內(nèi)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(wù)，還能調(diào)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?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(yán)格限制。 
    (4)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(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)。 
3  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(jìn)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(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)。 
    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(yīng)時間范圍內(nèi)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(gòu)成1553B總線通訊的基本單位，如果需要完成一定的功能，就要將多個消息組織起來，形成一個新的結(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(yīng)用中這三種時間都是可以通過編程設(shè)置的。  
  
4 1553B總線在武器通信中的應(yīng)用 
    如前所述，現(xiàn)在武器上的電子設(shè)備不斷增加，如何將這些電子設(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，減輕乘員工作負(fù)擔(dān)，提高武器系統(tǒng)可靠性，降低成本，提高檢測精度，增強(qiáng)系統(tǒng)的自治性等等。現(xiàn)代武器對系統(tǒng)通信的要求一般有以下幾點(diǎn)： 
    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(dú)立地工作，對應(yīng)用軟件盡可能透明，且對主機(jī)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(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)，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)通常包括十多個機(jī)載計算機(jī)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(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。圖3就是1553B總線在戰(zhàn)機(jī)中的通信應(yīng)用模型示意圖：  
  
    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(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)時間一般不能超過 ，這樣才能實現(xiàn)對發(fā)動機(jī)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(luò)負(fù)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(luò)節(jié)點(diǎn)少的系統(tǒng)，1553B總線比現(xiàn)有的絕大多數(shù)總線具有更好的性能優(yōu)勢 
    1553B總線在武器通信應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)一般有以下幾點(diǎn)： 
    1）總線接口硬件和軟件設(shè)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(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(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(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，確定一個周期內(nèi)傳輸?shù)拿詈拖㈥犃校凑沾笮≈芷趧澐謺r間片，對消息隊列進(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)膶崟r性。 
5  結(jié)論 
    武器系統(tǒng)是一個復(fù)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(diǎn)在武器系統(tǒng)中得到了較廣泛的應(yīng)用。但1553B 總線價格高昂，限制了它在工業(yè)領(lǐng)域的進(jìn)一步應(yīng)用。 
參考文獻(xiàn) 
[1]《MIL－STD－1553 DESIGNER’S GUIDE》.DDC公司.[S].USA.1998 
[2]劉桂山，胡軍程.《1553B總線信息流設(shè)計》.《北京理工大學(xué)學(xué)報》，第23卷第3期2003年6月 
[3]徐亞軍，熊華鋼，《基于PCI的1553B總線接口卡的設(shè)計與實現(xiàn)》，《遙測遙控》，2002年3月 
[4]王世奎.《航空電子通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)問題的淺析》.《航空計算技術(shù)》.第31卷第4期2001年12月