基于1553B總線的導(dǎo)彈武器系統(tǒng)通信協(xié)議設(shè)計(jì)與仿真*

張 楊，徐宏偉，黎玉剛，吳 超，李延寧

(中國(guó)兵器工業(yè)第203研究所，西安 710065)

0 引言

隨著現(xiàn)代科技的快速發(fā)展，導(dǎo)彈武器系統(tǒng)各部件間的通訊也越來(lái)越復(fù)雜，系統(tǒng)的通信方式也從原來(lái)的模擬量向 RS422總線、CAN 總線、1553B［1］等總線式通信轉(zhuǎn)變。

作為導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的“神經(jīng)”網(wǎng)絡(luò)，總線式通信能夠保證武器系統(tǒng)正常、有序的工作，完成各項(xiàng)功能。信息傳輸品質(zhì)的好壞直接影響整個(gè)武器系統(tǒng)的制導(dǎo)精度。文中針對(duì)基于1553B總線的導(dǎo)彈武器系統(tǒng)通信協(xié)議設(shè)計(jì)中的協(xié)議可行性驗(yàn)證困難的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了彈上系統(tǒng)1553B總線通信協(xié)議并進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

1 武器系統(tǒng)總線通信協(xié)議設(shè)計(jì)

1.1 彈上系統(tǒng)信息流分析

導(dǎo)彈武器系統(tǒng)主要由彈載計(jì)算機(jī)、導(dǎo)引頭、組合導(dǎo)航裝置、安全自毀裝置、舵機(jī)、彈載記錄儀組成［2］。在導(dǎo)彈的飛行過(guò)程中，導(dǎo)引頭和組合導(dǎo)航裝置不斷獲取目標(biāo)信息、導(dǎo)彈運(yùn)動(dòng)參數(shù)等，并實(shí)時(shí)發(fā)送給彈載計(jì)算機(jī)，彈載計(jì)算機(jī)在收到有關(guān)數(shù)據(jù)后，立即進(jìn)行高速制導(dǎo)和導(dǎo)航運(yùn)算，得到相應(yīng)控制參數(shù)，并將其發(fā)送給舵機(jī)，舵機(jī)控制導(dǎo)彈按照預(yù)定的軌道飛行。在導(dǎo)彈未命中目標(biāo)時(shí)，彈載計(jì)算機(jī)給安全自毀裝置發(fā)送安全自毀命令，導(dǎo)彈自毀。彈載記錄儀負(fù)責(zé)記錄彈上所有通信數(shù)據(jù)?；谏鲜龇治隹芍搹椛舷到y(tǒng)信息流可以分為指令消息(如安全自毀命令)、應(yīng)答消息(如自毀裝置反饋的應(yīng)答結(jié)果)和周期性傳輸消息(如目標(biāo)信息)。

1.2 1553B總線拓?fù)浼皯?yīng)用層協(xié)議設(shè)計(jì)

1553B總線為數(shù)字式時(shí)分制指令/響應(yīng)型數(shù)據(jù)總線，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 多路傳輸數(shù)據(jù)總線基本結(jié)構(gòu)圖

基于上述分析及彈上數(shù)據(jù)流特點(diǎn)，得到該彈上系統(tǒng)總線拓?fù)洌鐖D2所示。

圖2 導(dǎo)彈武器總線通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

GJB289A-97［1］定義了1553B總線的10種消息格式，具體分析后可以總結(jié)為以下8種:M1:表示BC到RT或RT到BC消息傳送方式;M2:表示RT到RT消息傳送方式;M3:表示BC到RT消息廣播傳送方式;M4:表示RT到RT消息廣播傳送方式;M5:表示不帶數(shù)據(jù)字的方式指令傳送方式;M6:表示帶數(shù)據(jù)字的方式指令發(fā)送或接收方式;M7:表示方式指令，不帶數(shù)據(jù)字的廣播傳送方式;M8:表示方式指令，帶數(shù)據(jù)字的廣播傳送方式。

對(duì)于彈載計(jì)算機(jī)發(fā)向部件的控制指令可以采用M1方式或者M(jìn)3方式，如彈載計(jì)算機(jī)發(fā)送給各個(gè)部件的自檢命令可以采用M3的廣播傳送方式來(lái)完成。結(jié)合彈上數(shù)據(jù)流特點(diǎn)，根據(jù)消息格式的不同，該彈上系統(tǒng)1553B總線數(shù)據(jù)傳輸如表1所示。

1.3 1553B總線系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)

1553B總線系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)主要有總線負(fù)載、總線效率、總線傳輸延遲時(shí)間、系統(tǒng)的可靠性和誤字率等［3］。

總線負(fù)載衡量總線上信息傳輸擁擠程度，是指總線上實(shí)際傳輸信息所需的時(shí)間占通信系統(tǒng)總激活時(shí)間的百分比?？偩€效率是指總線在傳輸消息的時(shí)間內(nèi)，傳輸有效數(shù)據(jù)位占總的傳輸位的百分比，它只與1553B總線消息傳輸?shù)墓潭ǜ袷接嘘P(guān)，是1553B總線自身特性的一種體現(xiàn)。傳輸延遲時(shí)間是指1553B總線上消息從一個(gè)子系統(tǒng)發(fā)送出去到另一個(gè)子系統(tǒng)接收到所用時(shí)間，它與總線負(fù)載相關(guān)，當(dāng)總線負(fù)載率在某一范圍內(nèi)時(shí)，總線傳輸延遲對(duì)總線設(shè)計(jì)的影響可以不予考慮。由于1553B總線采用了余度設(shè)計(jì)和故障隔離設(shè)計(jì)可以有效保障其硬件可靠性。在傳輸數(shù)據(jù)過(guò)程中由于受到噪聲等各種干擾可能產(chǎn)生錯(cuò)誤的概率，即為誤字率。1553B總線采用重傳技術(shù)，使1553B總線系統(tǒng)對(duì)各種干擾具有很強(qiáng)的抑制能力。

表1 1553B總線數(shù)據(jù)傳輸表

綜上所述，1553B總線系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)中，對(duì)總線設(shè)計(jì)影響最大最直接的是總線負(fù)載率和總線傳輸延遲時(shí)間，其中總線傳輸延遲時(shí)間與總線負(fù)載率相關(guān)聯(lián)，因此，通過(guò)對(duì)總線負(fù)載率設(shè)計(jì)計(jì)算及試驗(yàn)仿真，可以對(duì)1553B總線應(yīng)用層協(xié)議設(shè)計(jì)的有效性和可行性進(jìn)行驗(yàn)證。

在軍用條件下，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，總線負(fù)載率應(yīng)嚴(yán)格規(guī)定不能超過(guò)80%。超出該界限，總線的定時(shí)和數(shù)據(jù)傳輸必須嚴(yán)格控制，否則，在異常情況(如出錯(cuò)處理或非周期數(shù)據(jù)突發(fā)處理)下，會(huì)打破系統(tǒng)的處理機(jī)制，引起通信阻塞。通常軍用場(chǎng)合允許的總線負(fù)載率為50% ～70%，保留30% ～50%的總線吞吐量的余量，為系統(tǒng)升級(jí)保留足夠的余度［4］。

2 武器系統(tǒng)總線負(fù)載率計(jì)算

根據(jù)1553B總線標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議［1］，1553B總線的標(biāo)準(zhǔn)傳輸速率為1 Mbps，即8 μs可以傳輸8 Bit的數(shù)據(jù)。此外在計(jì)算總線負(fù)載率時(shí)，需要做如下符合標(biāo)準(zhǔn)的假設(shè):

假定響應(yīng)時(shí)間平均值為8 μs(1553B標(biāo)準(zhǔn)中響應(yīng)時(shí)間規(guī)定為 4～12 μs)，消息的間隔假定為8 μs(1553B標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定最小消息間的間隔為4 μs)。

在以上假設(shè)的前提下，由所總結(jié)的8種消息格式可得到表2。

根據(jù)表1中數(shù)據(jù)及表2中公式，可以方便的計(jì)算出1553B總線通信系統(tǒng)的理論負(fù)載率［5］。

在計(jì)算時(shí)，需要兩種狀態(tài)下的總線負(fù)載率:一種是只考慮周期性數(shù)據(jù)下的總線負(fù)載率，稱之為半載負(fù)載率;另一種是將周期性數(shù)據(jù)和非周期性數(shù)據(jù)都考慮的總線負(fù)載率，而且非周期性數(shù)據(jù)在周期性數(shù)據(jù)中一個(gè)最大周期時(shí)間段內(nèi)全部發(fā)送的情況(這是一種理想狀態(tài))，稱之為滿載負(fù)載率，也稱為最大負(fù)載率。

表2 1553B總線負(fù)載率計(jì)算表

1553B系統(tǒng)的理論總線負(fù)載率計(jì)算公式如下:

只考慮周期性數(shù)據(jù)，可由表2計(jì)算總線半載負(fù)載率如下:

1)完成該系統(tǒng)每10 ms內(nèi)傳輸?shù)闹芷谛詳?shù)據(jù)量累計(jì)為1 476 Bit;

2)10 ms總線上的最大傳輸數(shù)據(jù)量為10 000 Bit;

3)根據(jù)式(1)，可得所設(shè)計(jì)通信系統(tǒng)的理論總線半載負(fù)載率為14.76%。

考慮周期性數(shù)據(jù)和非周期性數(shù)據(jù)，可由表2計(jì)算總線滿載負(fù)載率如下:

1)完成該系統(tǒng)每10 ms內(nèi)傳輸?shù)目倲?shù)據(jù)量累計(jì)為2 672 Bit;

2)根據(jù)式(1)，可得所設(shè)計(jì)通信系統(tǒng)的理論總線滿載負(fù)載率為26.72%。

所設(shè)計(jì)的武器通信系統(tǒng)的理論總線滿載負(fù)載率為26.72%，半載負(fù)載率為14.76%，遠(yuǎn)小于最大負(fù)載率50%～70%的要求，導(dǎo)彈武器系統(tǒng)1553B總線通信協(xié)議的理論設(shè)計(jì)是可行的。

3 1553B通信系統(tǒng)仿真

仿真驗(yàn)證系統(tǒng)構(gòu)成如圖3，主要包括:單通道多功能1553B通信板(模擬BC)、多通道多功能1553B通信板(模擬4個(gè)RT和BM)、差分示波器、若干變壓耦合器、2個(gè)120 Ω終端電阻。

仿真驗(yàn)證表明:所設(shè)計(jì)的總線應(yīng)用層協(xié)議能夠正常通信;并得到了不同工況下的總線實(shí)時(shí)通信波形，如圖4～圖7所示。通過(guò)測(cè)量圖4、圖6中的總線占用時(shí)間，可以得到該協(xié)議條件下的總線負(fù)載率。

從圖4中，可以得到半載情況下數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹芷跒?0 ms，與所設(shè)置的周期是一致的;從圖5中，可以得到在10 ms周期內(nèi)，傳輸完所有周期性消息所用時(shí)間為1.432 ms;從圖6中，可以得到滿載情況下數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹芷跒?0 ms;與所設(shè)置的周期是一致的。從圖7中，可以得到在10 ms周期內(nèi)，傳輸完所有非周期性和周期性消息所用時(shí)間為2.644 ms。

圖3 仿真驗(yàn)證系統(tǒng)布置圖

圖4 半載情況下的波形全貌

圖5 半載情況下一個(gè)周期中發(fā)送的消息

圖6 滿載情況下的波形全貌

圖7 滿載情況下發(fā)送的消息

1553B總線的實(shí)際負(fù)載率計(jì)算公式如下:

根據(jù)上述公式，可得所設(shè)計(jì)的武器系統(tǒng)的1553B總線通信系統(tǒng)的實(shí)際半載負(fù)載率為14.32%，滿載負(fù)載率為26.44%。

所算出的實(shí)際半載負(fù)載率為14.32%，滿載負(fù)載率為26.44%，而在前面所算的理論半載負(fù)載率為14.76%，滿載負(fù)載率為26.72%，由于示波器存在測(cè)量誤差以及前文所提假設(shè)的誤差導(dǎo)致理論與實(shí)際負(fù)載率之間存在一定誤差。

4 結(jié)論

基于1553B總線的導(dǎo)彈武器通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)是導(dǎo)彈電氣系統(tǒng)彈上信息一體化設(shè)計(jì)的重要組成部分。結(jié)合導(dǎo)彈通信系統(tǒng)的傳輸特點(diǎn)，從總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、總線傳輸數(shù)據(jù)流等方面對(duì)導(dǎo)彈武器系統(tǒng)進(jìn)行了分析研究，并進(jìn)行了試驗(yàn)仿真驗(yàn)證，最終得到如下結(jié)論:

1)所設(shè)計(jì)的總線應(yīng)用層協(xié)議能夠正常通信;

2)所設(shè)計(jì)通信系統(tǒng)的實(shí)際總線半載負(fù)載率14.76%、滿載負(fù)載率26.72%遠(yuǎn)小于最大負(fù)載50%～70%的要求，所設(shè)計(jì)的武器系統(tǒng)1553B總線通信系統(tǒng)方案合理可行。

該設(shè)計(jì)方案為武器系統(tǒng)研制提供了有效保障，并為今后設(shè)計(jì)基于1553B總線武器系統(tǒng)的通信設(shè)計(jì)提供了借鑒。

［1］國(guó)防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會(huì).GJB 289A-97飛機(jī)內(nèi)部時(shí)分制指令/響應(yīng)型多路傳輸數(shù)據(jù)總線要求［S］.北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社.

［2］陳亮，劉麗霞，劉經(jīng)宇.基于1553B協(xié)議的導(dǎo)彈控制系統(tǒng)信息流設(shè)計(jì)探討［J］.計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2012，20(8):2180-2182.

［3］張昳玲，向軍.測(cè)發(fā)控系統(tǒng)1553B總線試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)［C］∥第二屆上海航天科技論壇暨上海市宇航學(xué)會(huì)2007學(xué)術(shù)年會(huì)，2007:257-262.

［4］侯朝建.1553B總線通信信道負(fù)載和效率評(píng)估［D］.成都:電子科技大學(xué)電子與通信學(xué)院，2007.

［5］趙昶宇，顏昌翔，于平.1553B總線上消息的實(shí)時(shí)調(diào)度［J］.光學(xué)精密工程，2010，18(3):732-740.