1553B總線應(yīng)用發(fā)展研究

劉士全，雋 揚(yáng)，蔡潔明，魏敬和，黃 正

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第58研究所，江蘇 無(wú)錫 214035）

1 引言

20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(kāi)發(fā)、維護(hù)和改進(jìn)的成本不斷上升。

為了解決這一問(wèn)題，美國(guó)SAE A2K委員會(huì)在軍方和工業(yè)界的支持下于1968年決定開(kāi)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-1553A標(biāo)準(zhǔn)。1973年的1553多路傳輸數(shù)據(jù)總線成為了未來(lái)軍用機(jī)將采用的技術(shù)，它取代了在傳感器、計(jì)算機(jī)、指示器和其他飛機(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(jiǎn)單、靈活。此標(biāo)準(zhǔn)的修訂版本于1978年公布，即MILSTD-1553B標(biāo)準(zhǔn)。1980年，美國(guó)空軍又對(duì)該標(biāo)準(zhǔn)作了局部修改和補(bǔ)充。該標(biāo)準(zhǔn)作為美國(guó)國(guó)防部武器系統(tǒng)集成和標(biāo)準(zhǔn)化管理的基礎(chǔ)之一，被廣泛用于飛機(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(guó)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(guó)和歐洲海、陸、空三軍，而且已經(jīng)成為一種國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。中國(guó)于1987年頒布了相應(yīng)的軍標(biāo)。

2 1553B總線簡(jiǎn)介

2.1 1553B總線通信系統(tǒng)

一個(gè)綜合系統(tǒng)通常由若干子系統(tǒng)通過(guò)嵌入式總線接口并經(jīng)過(guò)總線介質(zhì)互連而成，各個(gè)子系統(tǒng)操作獨(dú)立，資源和功能則可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)共享。從通信系統(tǒng)的角度看，在所有的子系統(tǒng)中有一個(gè)作為總線控制器（BC），其他的子系統(tǒng)都是遠(yuǎn)程終端（RT）。例如在典型航空電子系統(tǒng)中，通過(guò)1553B總線可連接多達(dá)32個(gè)子系統(tǒng)（或稱終端RT），完成各子系統(tǒng)的通信和數(shù)據(jù)交換，以實(shí)現(xiàn)各子系統(tǒng)的集中控制和顯示。為了提高可靠性，一般都采用雙冗余總線結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)代飛機(jī)典型的航空電子系統(tǒng)及1553B總線應(yīng)用框圖如圖1所示。

圖1 航空電子系統(tǒng)及1553B總線應(yīng)用框圖

D1/D2為總線控制器，NA為非航電監(jiān)控處理機(jī)，RD為雷達(dá)子系統(tǒng)，SMS為外掛管理子系統(tǒng)，MC為任務(wù)計(jì)算機(jī)，DT為數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)，IN為慣性導(dǎo)航子系統(tǒng)，CNI為通信導(dǎo)航識(shí)別子系統(tǒng)，CA為中心大氣計(jì)算機(jī)，F(xiàn)CS為飛控子系統(tǒng)。

2.2 1553B總線的特點(diǎn)

由于1553B總線在減少電子設(shè)備的體積、重量、復(fù)雜性以及電子系統(tǒng)綜合費(fèi)用諸方面的優(yōu)點(diǎn)，成為了機(jī)動(dòng)平臺(tái)電子系統(tǒng)的主要工作支柱。它具有不同于一般電子網(wǎng)絡(luò)的鮮明特點(diǎn)。

（1）1553B總線是一種廣播式分布處理的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)上可掛接32個(gè)終端，所有的終端（節(jié)點(diǎn)）共享一條消息通路，任一時(shí)刻網(wǎng)絡(luò)中至多只有一個(gè)終端在發(fā)送消息，傳送中的消息可以被所有終端接收，實(shí)際接收的終端通過(guò)地址來(lái)識(shí)別。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，終端的擴(kuò)展十分方便，任一終端（除總線控制器外）的故障都不會(huì)造成整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的故障，總線控制器則可以通過(guò)備份來(lái)提高可靠性。但是網(wǎng)絡(luò)對(duì)總線本身的故障比較敏感，因此通常采用雙余度總線。

（2）強(qiáng)調(diào)了實(shí)時(shí)性，1553B總線的傳輸碼速率為1 Mbps，每條消息最多包含32個(gè)字（每個(gè)字16位），因此傳輸一條消息的時(shí)間比較短。

（3）1553B總線按指令/響應(yīng)的方式異步操作，即總線上的所有消息傳輸都由總線控制器發(fā)出的指令來(lái)控制，相關(guān)終端對(duì)指令應(yīng)給予回答（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)。

（4）兼顧實(shí)時(shí)性的條件下，采用了合理的差錯(cuò)控制措施，即反饋重傳方法。

2.3 1553B總線協(xié)議介紹

2.3.1 1553B總線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1553B總線（數(shù)字式時(shí)分制指令/響應(yīng)型多路傳輸數(shù)據(jù)總線）由數(shù)據(jù)總線、終端或子系統(tǒng)終端接口組成。通過(guò)分時(shí)傳輸（TDM）方式，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中任意兩個(gè)終端間相互交換信息。終端是數(shù)據(jù)總線和子系統(tǒng)的接口電子組件，從功能上說(shuō)它可以是總線控制器（BC）、遠(yuǎn)程終端（RT）或總線監(jiān)控器（BM）；從物理結(jié)構(gòu)上說(shuō)，它可以是獨(dú)立組件，也可以包含在子系統(tǒng)中。1553B總線的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.3.2 1553B總線工作模式

1553B總線有三種工作模式：總線控制器（Bus Controller）、遠(yuǎn)程終端（Remote Terminal）、總線監(jiān)視器（Bus Monitor）。

（1）總線控制器（BC）

總線控制器BC是總線上必不可少的重要組成部分，在1553B標(biāo)準(zhǔn)中只規(guī)定了送到總線上的命令，而對(duì)總線控制器內(nèi)部如何工作沒(méi)有做出規(guī)定。其結(jié)構(gòu)有三種類型：字控制器（Word Controller）、消息控制器（Message Controller）和幀控制器（Frame Controller）。BC按功能可分為標(biāo)準(zhǔn)模式和增強(qiáng)模式。

圖2 1553B總線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

（2）遠(yuǎn)程終端（RT）

遠(yuǎn)程終端RT在1553B系統(tǒng)中只能接收來(lái)自總線控制器的命令。RT具有一個(gè)接口模塊，負(fù)責(zé)總線和子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸。其在應(yīng)用中有兩種情況：嵌入式和非嵌入式，如今多數(shù)RT已嵌入子系統(tǒng)中以此來(lái)提高系統(tǒng)的總體性能。遠(yuǎn)程終端RT一般由收發(fā)送器、編碼/譯碼器、協(xié)議控制器、緩沖存儲(chǔ)器或存儲(chǔ)器以及子系統(tǒng)接口組成。而在最常用的雙冗余系統(tǒng)中需要兩個(gè)收發(fā)器、兩個(gè)編碼/譯碼器。在功能上，RT除了可以尋址存儲(chǔ)器，實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)器共享，還必須在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸以外能夠緩沖有用的數(shù)據(jù)、檢測(cè)傳輸錯(cuò)誤、確認(rèn)有效數(shù)據(jù)和報(bào)告信息傳輸?shù)臓顟B(tài)。對(duì)于雙冗余總線來(lái)說(shuō)，RT還必須能夠同時(shí)接收和處理兩條總線的數(shù)據(jù)和命令。

（3）總線監(jiān)視器(BM)

總線監(jiān)視器BM是指監(jiān)聽(tīng)和記錄總線上傳輸?shù)拿詈蛿?shù)據(jù)的終端。它受BC控制，不參與任何總線傳輸。BM有兩種工作模式：一種是字監(jiān)視模式，它監(jiān)視記錄總線上所有的消息字；另一種是選擇監(jiān)視模式，只對(duì)指定的RT地址進(jìn)行監(jiān)視記錄。

2.3.3 1553B總線數(shù)據(jù)格式

1553B信息流由一串1553B消息構(gòu)成。1553B消息由命令字、數(shù)據(jù)字、狀態(tài)字組成。命令字、數(shù)據(jù)字、狀態(tài)字都應(yīng)是3位同步頭 + 16位有效位 + 1位奇偶校驗(yàn)，總共20位構(gòu)成。同步和奇偶校驗(yàn)位被1553B硬件用在確定信息格式和數(shù)據(jù)錯(cuò)誤的時(shí)候。

2.3.4 1553B總線通信方式

1553B信號(hào)以串行數(shù)字脈沖編碼調(diào)制（PCM）形式在數(shù)據(jù)總線上傳輸。采用曼徹斯特Ⅱ型雙相電平碼，邏輯1為雙極編碼信號(hào)1/0，即一個(gè)正脈沖繼之一個(gè)負(fù)脈沖；邏輯0為雙極編碼信號(hào)0/1，即一個(gè)負(fù)脈沖繼之一個(gè)正脈沖。1553B的數(shù)據(jù)傳輸為半雙工方式?？偩€上波特率為1 Mbps。1553B信號(hào)編碼方式如圖3所示。

圖3 1553B信號(hào)編碼方式

3 1553B總線的應(yīng)用及國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程

3.1 1553B總線的應(yīng)用

20世紀(jì)70年代，美國(guó)空軍萊特實(shí)驗(yàn)室提出數(shù)字式航空電子信息系統(tǒng)(DAIS)計(jì)劃，開(kāi)始為航空電子注入“綜合”的概念，這是航空電子系統(tǒng)發(fā)展歷程中的重要里程碑和分水嶺。DAIS計(jì)劃對(duì)航電系統(tǒng)的綜合依靠4個(gè)重要的標(biāo)準(zhǔn)，即MIL-STD-1750A美國(guó)空軍機(jī)載計(jì)算機(jī)指令集、MIL-STD-1589 JOVIAL高級(jí)語(yǔ)言、MIL-STD-1553B時(shí)分制指令/響應(yīng)式多路數(shù)據(jù)傳輸總線、MIL-STD-1760外掛物管理接口。中國(guó)在20世紀(jì)90年代就已立項(xiàng)做1553B協(xié)議的研究與產(chǎn)品研制工作，并被納入軍標(biāo)GJB 289A《數(shù)字式時(shí)分制指令/響應(yīng)型多路傳輸數(shù)據(jù)總線》，且投入了大量的人力及物力。中國(guó)最早在殲-8Ⅱ戰(zhàn)斗機(jī)上應(yīng)用1553B總線，總線本身平均無(wú)故障工作時(shí)間超過(guò)了10 000 h，在全系統(tǒng)中基本可忽略其故障率。采用1553B總線的連接方式比殲-8Ⅱ上原有聯(lián)結(jié)方式好得多，同時(shí)省去了飛機(jī)設(shè)備間復(fù)雜繁瑣的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)聯(lián)結(jié)，僅此一項(xiàng)令全電子系統(tǒng)的重量減輕約5%，并節(jié)省空間和耗電。從目前公開(kāi)展示的殲7MG、殲8-ⅡM、 超7（梟龍/FC-1型）等戰(zhàn)斗機(jī)及一些日常報(bào)道來(lái)看，中國(guó)的航空電子在向西方1553B標(biāo)準(zhǔn)靠攏。由于1553B總線的這些優(yōu)越性，目前機(jī)載、彈載、艦載、車載系統(tǒng)都已經(jīng)將1553B總線列入系統(tǒng)的核心，預(yù)計(jì)在未來(lái)十年1553B總線還將得到廣泛的應(yīng)用。

3.2 國(guó)產(chǎn)1553B協(xié)議芯片發(fā)展情況

由于1553B總線應(yīng)用日益廣泛，美國(guó)、英國(guó)等西方國(guó)家的公司（如DDC公司、SCI公司和STC公司）紛紛推出了自己的數(shù)據(jù)總線接口（MBI）設(shè)計(jì)模式及協(xié)議芯片。其中DDC公司作為1553B標(biāo)準(zhǔn)的主要制定者和研制者，其1553B芯片以ACE系列最為著名。這些芯片在國(guó)內(nèi)外用戶眾多。因其可靠性、抗惡劣環(huán)境強(qiáng)，這些芯片被廣泛用于航空、航天等領(lǐng)域的總線系統(tǒng)及其電子設(shè)備中。

由于1553B芯片使用的特殊性，加之1553B系列芯片的價(jià)格逐年上升，所以越來(lái)越多的用戶開(kāi)始考慮使用國(guó)產(chǎn)化的1553B芯片替代DDC公司的產(chǎn)品。如用FPGA內(nèi)置1553 IP核的方式替代ACE等協(xié)議芯片，制作1553B的通訊卡或仿真測(cè)試卡。這種方法使用方便、靈活而且價(jià)格低廉，國(guó)外很多1553B板卡也是用這種方式研制的，國(guó)內(nèi)也有眾多的類似應(yīng)用；但這種方式制作的1553B通迅卡或仿真測(cè)試卡只適合于實(shí)驗(yàn)室使用，不適合作為裝備交付用戶。原因在于國(guó)外制造商可以直接購(gòu)買到軍品級(jí)的FPGA，由于這些FPGA在設(shè)計(jì)上已經(jīng)考慮了電磁兼容等諸多問(wèn)題，所以寫入1553B IP核之后，可以直接使用，基本不影響整個(gè)協(xié)議芯片的功能。但國(guó)內(nèi)的FPGA大部分是工業(yè)器件篩選出來(lái)的，性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到軍品器件的要求，加上制作成1553B協(xié)議芯片后，又很少按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行嚴(yán)格測(cè)試，質(zhì)量難以保證。類似情況在若干設(shè)備的使用中已多次發(fā)生。

對(duì)此，國(guó)家投入專項(xiàng)資金，進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)，經(jīng)過(guò)數(shù)年的努力，終于研制出完全代替DDC公司ACE系列芯片的產(chǎn)品。這是完全用硬件電路實(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)完全滿足，可以完全實(shí)現(xiàn)BU-61580等芯片的原位替換，軟件硬件不用做任何改動(dòng)。

目前，這些國(guó)產(chǎn)化的1553B芯片已經(jīng)廣泛用于航空、航天、兵器系統(tǒng)的諸多型號(hào)研制中，獲得了用戶的廣泛認(rèn)可。隨著電子器件國(guó)產(chǎn)化的推廣，在不遠(yuǎn)的將來(lái)，國(guó)產(chǎn)的61580等芯片將完全取代進(jìn)口芯片，占領(lǐng)整個(gè)1553B芯片市場(chǎng)。

4 1553B總線的發(fā)展趨勢(shì)

l553B總線是三十多年前針對(duì)當(dāng)時(shí)的應(yīng)用提出來(lái)的，目前應(yīng)用已非常普遍。未來(lái)幾年內(nèi)1553B總線將主要朝著兩個(gè)方向發(fā)展，一是芯片和網(wǎng)絡(luò)組件的功耗更小，抗惡劣環(huán)境、抗輻射的能力更強(qiáng)，1553B和計(jì)算機(jī)之間的接口也逐漸標(biāo)準(zhǔn)和統(tǒng)一，目前國(guó)內(nèi)已有多家單位的1553B總線產(chǎn)品正朝著這個(gè)方向發(fā)展，并已研制出抗輻射的1553B總線控制器。二是1553B總線的傳輸速度將不斷提高，從最開(kāi)始的1 Mbps發(fā)展到2 Mbps、4 Mbps、10 Mbps，目前市場(chǎng)上已經(jīng)出現(xiàn)4 Mbps成熟的1553B總線產(chǎn)品。

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