聯(lián)合式航空電子綜合1553B總線仿真測試研究

楊篤偉，周建中

(華中科技大學，湖北 武漢 430034)

隨著大規(guī)模集成電路和計算機技術迅猛發(fā)展，飛機上出現(xiàn)了越來越多的航空電子系統(tǒng)，它們都具有從傳感器、信號采集、信號處理到信息顯示與控制一套完整和獨立的功能。向飛機平臺和各系統(tǒng)提供飛行控制、飛機姿態(tài)和導航信息等一系列參數(shù)。在現(xiàn)役的三代飛機上，航空電子系統(tǒng)已與飛機平臺、機載武器平臺一起作為衡量現(xiàn)代軍用飛機作戰(zhàn)性能的三要素?？梢灶A見，今后其功能還會不斷擴大。

航空電子綜合是飛機電子系統(tǒng)有效綜合的技術，它采用系統(tǒng)工程的方法，將飛機上通信、導航、電子對抗、任務管理和飛行控制等諸多電子設備，通過機載計算機網(wǎng)絡和控制軟硬件綜合聯(lián)系到一起，以達到資源共享的目的，為飛機性能大幅提升和降低成本帶來保證。目前，所有飛機上的航空電子綜合都采用模塊化的開放式結(jié)構(gòu)。因此，利用有效手段模擬仿真飛機上航空電子綜合的真實環(huán)境，對飛機的設計論證、性能驗證和測控系統(tǒng)研制具有極其重要的意義，也是該領域的發(fā)展方向之一。

1 航空電子綜合的拓撲結(jié)構(gòu)

航空電子綜合的拓撲結(jié)構(gòu)代表了航空電子設備之間的交聯(lián)方式，也比較具體地反映了設備之間的資源調(diào)度和控制方式。因此，分析拓撲結(jié)構(gòu)，是航空電子綜合環(huán)境仿真與調(diào)試驗證的基礎。迄今為止的數(shù)十年發(fā)展過程中，航空電子系統(tǒng)經(jīng)歷了分立式、聯(lián)合式和綜合式3個階段。

分立式航空電子系統(tǒng)突出特點是每個航空電子設備都有其獨立的傳感器、數(shù)據(jù)采集與處理和數(shù)據(jù)分配單元，各設備之間資源調(diào)度不成體系，沒有統(tǒng)一標準，導致系統(tǒng)的控制復雜，影響飛機效能的充分發(fā)揮。

20世紀70年代美國提出了 “數(shù)字式航空電子信息系統(tǒng)DAIS”，即聯(lián)合式航空電子系統(tǒng)。該系統(tǒng)機載電子設備子系統(tǒng)之間通過標準的網(wǎng)絡式數(shù)據(jù)總線互連，目前應用極為普遍的是軍用1553B總線，實現(xiàn)了設備之間的信息和資源共享，并且大大簡化了設備之間的連接，減小了系統(tǒng)綜合的復雜程度和電纜重量。通信、導航和飛行控制等功能子系統(tǒng)中的信息處理和操作由標準的機載計算機完成，各個子系統(tǒng)都作為功能部件連接到多路總線上，同時各子系統(tǒng)又是獨立的計算機系統(tǒng)，既可當作主總線的功能I/O，又可組織更低一層的分立式信息，顯示和控制的信息通過數(shù)據(jù)總線與各子系統(tǒng)進行交換，所有信息都由1個平顯和多個多功能顯示器顯示。飛機、武器系統(tǒng)及機載傳感器主要由綜合的操縱桿和油門桿、以及多功能顯示器的周邊鍵進行聯(lián)合控制，從而實現(xiàn)了綜合顯示與控制。聯(lián)合式航空電子系統(tǒng)是現(xiàn)役飛機的主流，廣泛裝備于F-16等三代飛機上，其典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 聯(lián)合式航空電子系統(tǒng)

2 基于ICD數(shù)據(jù)庫的仿真測試

通過聯(lián)合式航空電子系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)分析可以得出，各航空電子設備通過主總線1553B互連，各子系統(tǒng)可以當作1553B網(wǎng)絡總線的節(jié)點來看待。即如果用模塊化的通信單元取代各功能子系統(tǒng)，該通信單元能實時、正確地模擬仿真各功能子系統(tǒng)與總線的信息交換，真實建立航空電子綜合的仿真測試環(huán)境，目前在飛機設計、驗證和應用階段就采用了這種方法。

基于總線的航空電子系統(tǒng)仿真測試方法分為2種模式。(1)從總線節(jié)點的底層開發(fā)做起，對每一個子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與處理、數(shù)據(jù)的格式轉(zhuǎn)換與輸出控制進行具體分析，并對底層資源進行針對性調(diào)試，這種模式便于開發(fā)，周期很短，但缺點也十分明顯。效率較低、系統(tǒng)不具備開放性和通用性。當測試需求發(fā)生變化時無法根據(jù)需要增加、調(diào)整系統(tǒng)資源，測試系統(tǒng)軟硬件結(jié)構(gòu)不清晰，調(diào)試程序可讀性差，給系統(tǒng)的修改、維護造成了極大困難。(2)基于ICD的數(shù)據(jù)總線測試模式，有效克服了第1種模式的不足，已成為數(shù)據(jù)總線測試的發(fā)展方向。這種模式通過編制詳盡的子系統(tǒng)硬件和軟件接口控制文檔數(shù)據(jù)庫，將網(wǎng)絡節(jié)點物理層等底層資源控制交給專業(yè)計算機人員完成，對應用層等開發(fā)進行了統(tǒng)一格式管理，這樣對缺少與計算機I/O國際標準定義的各公司1553B板卡控制來說就很方便，不必考慮其具體形式的底層資源，同時具有廣泛的通用性和開放性特征。當測試需求發(fā)生變化時，只需根據(jù)統(tǒng)一格式修改ICD文件就能達到資源擴充的目的。

在廣泛的ICD總線測試模式實際應用中還涉及了以下幾個特點：(1)如果以ICD方式進行，當用具體子系統(tǒng)設備取代模塊化通信單元時，可對具體子系統(tǒng)設備進行調(diào)試而不影響綜合系統(tǒng)的集成環(huán)境；(2)各個具體子系統(tǒng)或通信單元既可作為1553B網(wǎng)絡總線的節(jié)點，同時又具有數(shù)據(jù)組織和控制功能，現(xiàn)役飛機絕大部分為MIL-STD-1553B數(shù)據(jù)和ARINC429數(shù)據(jù)可對機載電子設備的各種類型數(shù)據(jù)進行處理。

2.1 1553B總線協(xié)議

1553B總線的信號傳輸速率為1 Mb/s，采用曼徹斯特Ⅱ型雙向電平碼，可提供最多31個通信終端的總線型互連，使用屏蔽雙絞線為傳輸介質(zhì)，電纜兩端由與其傳輸阻抗相匹配的電阻器進行端接，遠程終端經(jīng)由變壓器耦合方式短截線連接到主總線。

1553B總線定義了指令字、數(shù)據(jù)字及狀態(tài)字3種字格式，每個字為 20 bit，包括 3 bit同步頭、16 bit信息及1 bit奇偶校驗，如圖2所示。

圖2 MIL-STD-1553B總線字格式

指令字是由BC發(fā)出的控制RT操作的命令字。它由同步頭、遠程終端地址字段、發(fā)送/接收位 T/R、子地址/方式字段、奇偶校驗位P組成。

數(shù)據(jù)字由同步頭、數(shù)據(jù)字段和奇偶校驗位組成。同步頭為3 bit時，與指令字同步頭的波形反相，同步頭之后的16 bit是數(shù)據(jù)內(nèi)容，最后1 bit為奇偶校驗位。

狀態(tài)字是由接收到指令字的RT發(fā)出，表示數(shù)據(jù)傳輸及RT狀況的響應字。由同步頭、遠程終端地址字段、消息差錯位、測試手段位、服務請求位和備用位等組成，其中同步頭和奇偶校驗位與指令字的對應位相同。

1553B總線上的數(shù)據(jù)傳輸是以消息形式進行的，分為數(shù)據(jù)傳輸、方式控制和廣播消息 3類，包括BC～RT、RT～BC和 RT～RT等10種交互形式。

2.2 ICD數(shù)據(jù)庫的設計

針對飛機型號或測控系統(tǒng)的特殊要求，由專業(yè)人員和計算機人員配合設計與總線仿真測試系統(tǒng)交聯(lián)很好的總線ICD數(shù)據(jù)庫，進行總線調(diào)試時，直接把要調(diào)試的參數(shù)通過總線仿真測試卡與總線ICD庫對應，就能自動進行對系統(tǒng)資源的控制，實施1553B數(shù)據(jù)流傳輸。ICD數(shù)據(jù)庫是一種邏輯電子數(shù)據(jù)庫，在此庫中所有總線系統(tǒng)的數(shù)據(jù)定義都按一定規(guī)則存儲，包括系統(tǒng)的邏輯控制、物理量的意義、比例關系、物理量的單位、有無符號位、編碼形式、故障代碼等相關信息，編碼根據(jù)需要從1個到幾十個字節(jié)。

基于ICD的數(shù)據(jù)總線調(diào)試系統(tǒng)分為硬件ICD和軟件ICD，整個調(diào)試系統(tǒng)以ICD數(shù)據(jù)庫為核心，向上對局部網(wǎng)絡總線通信的應用層開發(fā)數(shù)據(jù)翻譯、顯示、網(wǎng)絡轉(zhuǎn)發(fā)、總線控制等模塊；向下對底層物理層等開發(fā)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)塊和RT地址映射等模塊，整個ICD庫由專用可編程數(shù)據(jù)庫管理工具統(tǒng)一管理，其功能如圖3所示。

2.3 聯(lián)合式航空電子綜合仿真測試

基本設計思路是用具有BC/RT/BM功能的31個仿真能力的1553B總線仿真測試卡，與對應的多臺控制計算機進行功能子系統(tǒng)數(shù)據(jù)的集中采集和總線數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換。計算機作為網(wǎng)絡節(jié)點具有聯(lián)合式方式，從而組成高度仿真的測試系統(tǒng)硬件環(huán)境。其中，各計算機配合總線板卡可以進行數(shù)據(jù)的仿真、采集、記錄、網(wǎng)絡總線數(shù)據(jù)發(fā)送、總線系統(tǒng)狀態(tài)的監(jiān)控、總線負載的測量。由于各總線節(jié)點可以獨立仿真，因此這種綜合仿真測試系統(tǒng)可以真實模擬1個BC和多個靜態(tài)RT的實時系統(tǒng)，對聯(lián)合式航空電子系統(tǒng)進行綜合調(diào)試。

圖3 ICD數(shù)據(jù)庫功能

這種測試模式的優(yōu)點在于：(1)能夠?qū)崟r采集不同總線的所有數(shù)據(jù)，并通過網(wǎng)絡將采集到的數(shù)據(jù)廣播到其他節(jié)點上；(2)可隨時根據(jù)1個或多個已定義好的數(shù)據(jù)塊號，從數(shù)據(jù)庫中把相關的邏輯含義讀到控制程序中，當從1553B MBI板卡采到數(shù)據(jù)時便可自動依照邏輯含義進行解釋處理，結(jié)果傳輸給顯示模塊；(3)總線節(jié)點具有數(shù)據(jù)采集和處理的完全存儲功能，對控制信息、數(shù)據(jù)信息和狀態(tài)信息進行模塊管理。

3 ICD庫總線測試的要求

3.1 實時性數(shù)據(jù)傳輸控制

MIL-STD-1553B總線是半雙工方式的串行異步通信，是維系航空電子系統(tǒng)設備間協(xié)調(diào)工作的數(shù)據(jù)平臺，因此，必須考慮數(shù)據(jù)的綜合調(diào)度與分配和數(shù)據(jù)的同步，解決的方式是按固定的數(shù)據(jù)傳輸時間表工作，即周期性地安排數(shù)據(jù)傳輸，需要根據(jù)數(shù)據(jù)通信任務的最大和最小發(fā)送周期以及允許的傳輸延遲來確定時間表的安排，控制原則是消息傳輸過程中數(shù)據(jù)刷新率最低的設為大周期(稱為大幀)；消息傳輸過程中數(shù)據(jù)刷新率最高的設為小周期(稱為小幀)。在1個大周期內(nèi)，所有周期性的傳輸至少發(fā)生1次。為了設計方便，大周期通常被分為2N個小周期，當周期性的消息傳輸完成后，在總線的空余時間進行非周期消息或臨時消息傳遞，考慮到總線負載的均勻分布，每個小周期安排總的消息傳輸量應該是相當?shù)?，其控制方式如圖4所示。

3.2 總線負載

聯(lián)合式總線控制一般采用基帶傳輸方式，總線負載描述了承擔的數(shù)據(jù)傳輸量，它是一段時間內(nèi)總線傳輸活動時間與這段時間的比值，一般用百分率表示。總線負載反映了數(shù)據(jù)總線的傳輸總能力的利用率，是衡量總線效率和總線系統(tǒng)設計合理性的重要因素。由于總線系統(tǒng)大體上是按大周期循環(huán)進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)?，因此，在實際計算總線負載時取大周期為基本時間段。

圖4 總線消息的周期控制方式

在實際測試系統(tǒng)設計時，要求總線負載不超過50%，為系統(tǒng)的擴展留出余地，同時可以充分考慮突發(fā)性的消息重試、故障恢復和總線控制權的切換等因素。

在院校新機教學實驗室建設和工廠各類型測試系統(tǒng)研制過程中，利用本文研究的方法，重點搭建基于ICD庫方式的總線仿真調(diào)試環(huán)境，對聯(lián)合式航空電子綜合進行了高度仿真實裝環(huán)境的動態(tài)調(diào)試，為分析航空電子設備系統(tǒng)機理和故障模式等因素提供了基礎平臺。實踐表明，這種調(diào)試方式符合國際發(fā)展趨勢，具有良好地推廣應用前景。

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