某型船舶控制系統(tǒng)1553B總線數(shù)據(jù)監(jiān)測與分析研究

摘 要： 通過對1553B通信系統(tǒng)的組成及數(shù)據(jù)傳輸指令的分析，設(shè)計了一種1553B總線數(shù)據(jù)監(jiān)測與分析的方法，在此基礎(chǔ)上研制了數(shù)據(jù)監(jiān)測與分析軟件。以某型船舶控制系統(tǒng)為實例，對其1553B總線數(shù)據(jù)進行了監(jiān)測、顯示及保存。通過分離出有效數(shù)據(jù)并加以分析研究，得到了通信數(shù)據(jù)的報文格式、編碼規(guī)律和具體含義。研究結(jié)果表明，該方法合理可行，為其他類似控制系統(tǒng)的1553B網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)分析提供了有益借鑒。

關(guān)鍵詞： 控制系統(tǒng)； 1553B總線； 數(shù)據(jù)監(jiān)測； 解碼

中圖分類號： TN915.05?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）03?0040?05

Study on data monitoring and analysis of 1553B bus in a ship control system

HU Jin?hui， HU Da?bin， XIAO Jian?bo

（Naval University of Engineering， Wuhan 430033， China）

Abstract： By analyzing of composition and data transfer commands of communication system with 1553B bus， a data monitoring and analysis method of 1553B bus was designed. Based on this， the data monitoring and analysis software was developed. Taking a ship control system for example， its 1553B bus data was monitored， displayed and saved. The message format， encoding law and specific meaning were acquired by isolation and research of the valid data. The research results prove that the method is reasonable and feasible. It provided a reference for 1553B bus network data analysis of other similar control systems.

Keywords： control system； 1553B bus； data monitoring； decoding

0 引 言

隨著科技的發(fā)展，現(xiàn)代武器裝備上的電子設(shè)備越來越復雜。將電子設(shè)備按一定的協(xié)議聯(lián)網(wǎng)并加以有效地綜合，使之達到資源和功能共享已成為必然的要求。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)，由于其嚴苛的工作環(huán)境及其特殊的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標，網(wǎng)絡(luò)的可靠性和實時性的要求特別高。

1553B總線是由美國提出的飛機內(nèi)部電子系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)的標準，由于其可靠性高、傳輸率較高、技術(shù)成熟、易于擴展等優(yōu)點，在航空航天、軍事裝備等方面得到了廣泛應(yīng)用。

在某引進型艦船控制系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)總線及網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)就采用了1553B總線技術(shù)，其中央控制系統(tǒng)與眾多分系統(tǒng)相互聯(lián)接，聯(lián)接關(guān)系十分復雜。由于其具體通信協(xié)議未知，系統(tǒng)一旦出現(xiàn)故障，很難對其進行定位與排除，嚴重影響到裝備作戰(zhàn)效能的發(fā)揮，不利于艦船遂行海上任務(wù)。為了使系統(tǒng)在備件測試、維修檢測等過程中，對發(fā)生的故障或技術(shù)問題能夠準確定位、及時排除，從而保證系統(tǒng)的正常運行，迫切需要對其1553B通信協(xié)議進行分析解碼。

本文通過對該型艦船控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和1553B總線技術(shù)的研究，在對遠程終端、總線控制器、總線監(jiān)視器進行分別設(shè)計的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了1553B數(shù)據(jù)監(jiān)測與分析硬件平臺，開發(fā)了數(shù)據(jù)監(jiān)測軟件，以導航系統(tǒng)為例對其通信信號進行了監(jiān)測與分析，得到了通信數(shù)據(jù)格式、編碼規(guī)律和具體含義，為協(xié)議的解碼奠定了基礎(chǔ)。

1 1553B通信系統(tǒng)的組成及數(shù)據(jù)傳輸指令

1553B總線系統(tǒng)通常由若干子系統(tǒng)通過嵌入式總線接口，經(jīng)過總線介質(zhì)互聯(lián)而成，各個子系統(tǒng)操作獨立，資源和功能則可通過網(wǎng)絡(luò)共享。1553B總線有三種終端：一個總線控制器（BC）來管理和控制總線上的信息傳輸；一個總線監(jiān)視器（MT）來接收總線上的信息用于總線的測試；其余的都是遠程終端（RT）。每個終端被分配了惟一的總線地址。典型的雙冗余1553B數(shù)據(jù)總線系統(tǒng)如圖1所示。

BC發(fā)起總線上的數(shù)據(jù)傳輸，只有當BC向某RT發(fā)出總線指令后，該RT才能參與數(shù)據(jù)傳輸。總線指令分為發(fā)送指令、接收指令和方式指令，這些指令分別用來命令某RT發(fā)送、接收、或執(zhí)行由方式指令指定的某個動作。BC通過RT回答的狀態(tài)字來檢驗傳輸是否成功。總線上的信息是以消息的形式調(diào)制成曼徹斯特碼進行傳送的。總共有10種消息定義，如BC至RT傳輸定義、RT至BC傳輸定義、不帶數(shù)據(jù)字的方式指令定義等。消息由指令字、數(shù)據(jù)字和狀態(tài)字組成，其中指令字結(jié)構(gòu)如圖2所示。

由如上結(jié)構(gòu)可以看出，一個BC最多帶30個RT，每個RT又可以分為30個子地址，并且通過此字結(jié)構(gòu)就可區(qū)分是發(fā)送指令、接收指令還是方式指令。

2 控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)監(jiān)測總體設(shè)計

2.1 數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計原則

要實現(xiàn)對該控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)有效地監(jiān)測，必須開發(fā)出智能化的、易用的、易維護、高可靠性且能夠滿足實際需求的監(jiān)測系統(tǒng)。在系統(tǒng)設(shè)計中，需要滿足以下要求：

（1） 數(shù)據(jù)采集方式的便利性。由于艦船空間的限制，不能安裝大量的傳感器和測試設(shè)備，而且對系統(tǒng)主干網(wǎng)絡(luò)不能改動。

（2） 數(shù)據(jù)接收的實時性。數(shù)據(jù)監(jiān)測的一個重要特征就是在對總線數(shù)據(jù)監(jiān)測期間，能實時接收到總線數(shù)據(jù)并保存。

（3） 可靠性和容錯技術(shù)。監(jiān)測系統(tǒng)的一個重要特性就是長時間可靠工作，還要避免系統(tǒng)癱瘓、數(shù)據(jù)丟失、漏采誤報等情況，而且系統(tǒng)本身的故障不能對被測設(shè)備產(chǎn)生影響。

（4） 良好的人機交互性。要求操作界面簡潔明了，易于操作，減少現(xiàn)場的軟、硬件的維護，提高系統(tǒng)的智能化和使用的靈活性。

2.2 數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

該控制系統(tǒng)通過1553B 總線進行聯(lián)系的設(shè)備有中央控制臺、數(shù)據(jù)交換儀和導航系統(tǒng)中的部分設(shè)備，結(jié)構(gòu)簡圖如圖3所示。各設(shè)備通過數(shù)據(jù)交換儀連接組成系統(tǒng)的1553B網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，采用便攜式工控機作為監(jiān)控計算機，利用1553B總線三端耦合器接入網(wǎng)絡(luò)。

便攜式工控機和EP?H6273 PCI板卡如圖4所示。EP?H6273是一款高性能的MIL?STD?1553B接口模塊，可以應(yīng)用于1553B總線系統(tǒng)的測試、仿真。該板卡提供了雙通道的多功能模塊，允許在同一時刻運行BC、BM和RTs的任意組合，可用于系統(tǒng)的測試或仿真等多種功能。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 軟件流程及部分軟件模塊設(shè)計

1553B總線數(shù)據(jù)監(jiān)測軟件主要完成兩個方面的工作，一是實現(xiàn)1553B總線數(shù)據(jù)的模擬通信，二是對總線數(shù)據(jù)進行監(jiān)測并保存。軟件采用Borland C++ Builder編制。

根據(jù)1553B總線的特點，軟件設(shè)計首要實現(xiàn)的是最基本的通信功能，既能在工控機上實現(xiàn)BC、BM、RT功能，又能實現(xiàn)各功能模塊的通信。軟件設(shè)計總體框圖如圖5所示。

圖5 軟件設(shè)計總體框圖

軟件的主程序部分，通過中斷判斷諸如BC、BM或RT等需要響應(yīng)的事件，對板卡的功能進行選擇。

3.1.1 1553B總線遠程終端RT

（1） 在設(shè)置RT模式時要求先對全局參數(shù)進行設(shè)置，全局設(shè)置包含：Eph6273_SetBroadcast（）和Eph6273_SetSa31（）。

（2） 調(diào)用API函數(shù)Eph6273_RT_Init（）初始化RT操作模式，初始化操作設(shè)置RT的初始值和分配存儲器。

（3） RT設(shè)置

① 設(shè)置RT地址Buffer，在Eph6273_RT_AbufWrite（）函數(shù)中設(shè)置BUSA、BUSB允許位，同時設(shè)置RT狀態(tài)字和BIT字；

② 設(shè)置RT控制Buffer，調(diào)用函數(shù)Eph6273_RT_ CbufWrite（）；

③ 初始化RT數(shù)據(jù)Buffer，Eph6273_RT_MessageWrite（）函數(shù)設(shè)置中斷允許位和寫入發(fā)送數(shù)據(jù)。

（4） 調(diào)用函數(shù)Eph6273_RT_StartStop（）開始RT仿真。

（5）應(yīng)用程序在RT開始仿真后，調(diào)用函數(shù)Eph6273_GetMessageid（）將memory地址轉(zhuǎn)換成RT Buffer地址。利用函數(shù)Eph6273_RT_MessageRead（）從Memory Buffer讀RT消息。

（6） 利用函數(shù)Eph6273_RT_StartStop（）停止所有RT的仿真。

3.1.2 1553B總線控制器BC

總線上所有消息的傳輸都由BC激勵和控制，是總線通信的開關(guān)。因此，其軟件設(shè)計的好壞關(guān)系到整個系統(tǒng)的性能。其設(shè)計思路為：

（1） Eph6273板卡初始化

調(diào)用API函數(shù)Eph6273_Init（）。

（2） 初始化BC

調(diào)用API函數(shù)Eph6273 _BC_Init（）初始化BC設(shè)置，并進行Minor Frame頻率設(shè)置、不響應(yīng)時間設(shè)置、最遲響應(yīng)時間和重試條件設(shè)置。

（3） 初始化BC消息

調(diào)用API函數(shù)Eph6273_ BC_MessageWrite（）初始化消息隊列。

（4） 定義幀

（5） 啟動BC

通過調(diào)用函數(shù)Eph6273_BC_StartStop（）開始BC操作，flag為1時開始BC操作。

BC也可以執(zhí)行簡單的OneShot模式，在OneShot模式中只發(fā)送一次指定的消息隊列。在執(zhí)行OneShot模式時要求設(shè)置OneShot參數(shù)Eph6273_BC_OneShotInit（）和執(zhí)行OneShot消息Eph6273_BC_OneShotExecute（）。

（6） 組織RT發(fā)送及接收信息

通過調(diào)用函數(shù)Eph6273_BC_MessageRead（）和Eph6273_BC_MessageWrite（）讀寫信息。

（7） 停止BC操作

調(diào)用Eph6273_BC_StartStop（）函數(shù)結(jié)束BC操作。

（8） 停止線程運行

通過調(diào)用函數(shù)Eph6273_Close（）停止所有正在運行的線程。

3.1.3 1553B總線監(jiān)視器BM

BM模式提供了監(jiān)視和記錄所有消息的功能，也可以過濾掉某些消息。同時BM提供了消息的時間標記和命令、數(shù)據(jù)、狀態(tài)的錯誤信息。

BM記錄所有出現(xiàn)在總線上的消息。BM存儲所有收到的命令、數(shù)據(jù)和狀態(tài)到BM數(shù)據(jù)存儲區(qū)，每個BM Buffer可以存儲10 240個BM消息，BM Buffer是一個首尾相連的存儲空間，當存儲到Buffer尾時自動從頭開始，此時將覆蓋原來的消息。Microcode根據(jù)消息狀態(tài)和BM中斷允許WORD，判斷是否將消息指針加入中斷隊列。BM可以在中斷控制下工作，Windows在響應(yīng)中斷時可以獲得中斷類型和存儲器地址，用Eph6273_BM_GetMessageid（）函數(shù)將存儲器地址轉(zhuǎn)換為BM Buffer消息地址，應(yīng)用程序用Eph6273_BM_MessageRead（）從存儲器讀BM消息。

Microcode在存儲BM消息到BM Buffer時，不判斷存儲器是否有數(shù)據(jù)和是否已被讀出，在應(yīng)用程序中要考慮消息接收速度和BM消息訪問速度，如果消息訪問速度遠小于消息接收速度，將會出現(xiàn)丟失消息的可能。

在BM初始化時，默認是記錄所有消息，也可以過濾掉不關(guān)心的數(shù)據(jù)。過濾是基于命令字處理的（在RT to RT是基于第一個命令字的）。Microcode可以禁止/允許各類消息存儲到BM Buffer中，另外過濾選項可以設(shè)置記錄指定消息的第幾條。

應(yīng)用程序也可以指定一個或多個觸發(fā)條件。在BM觸發(fā)之前，Microcode不記錄1553B總線上的消息，當觸發(fā)條件滿足時，Microcode開始記錄BM消息。

對于每個BM消息，Microcode存儲以下幾項到BM Buffer中：消息中的每一個WORD（命令字、數(shù)據(jù)字、狀態(tài)字）；消息時間標記（命令字的Parity Bit出現(xiàn)時的時間點）；消息傳輸中的錯誤信息，另外，BM測量RT的響應(yīng)時間，同時存入到BM Buffer。

BM接收的消息是以命令字開始的，不同的消息類型在命令字后的內(nèi)容不同，可能是數(shù)據(jù)字、狀態(tài)字，甚至命令字。在此設(shè)備中，所有這些都在Microcode中處理，對于應(yīng)用程序來說處理都是統(tǒng)一長度和固定格式的數(shù)據(jù)塊API_BM_MBUF。

BM軟件的設(shè)置如下：

（1） 用Eph6273_Init或Eph6273_AutoConnectFirst函數(shù)初始化模塊，在調(diào)用所有的函數(shù)之前，都需要先初始化模塊。

（2） 調(diào)用Eph6273_BM_Init（）函數(shù)，此函數(shù)設(shè)置BM操作。

在默認操作下Microcode記錄所有消息，可以根據(jù)需要過濾掉不關(guān)心的問題。利用函數(shù)Eph6273_BM_FilterWrite（）可編輯過濾消息，此函數(shù)可以過濾掉RT address/Sub address/ receive?transmit flag相匹配的消息。默認情況下BM記錄所有信息，而不必調(diào)用Eph6273_BM_FilterWrite（）函數(shù)?？梢酝ㄟ^API函數(shù)Eph6273_BM_TriggerWrite（）改變觸發(fā)條件，當觸發(fā)后Microcode開始記錄消息。默認的觸發(fā)條件是從第一條消息開始記錄。

（3） 所有設(shè)置完成以后調(diào)用Eph6273_BM_StartStop（）開始記錄BM消息（根據(jù)觸發(fā)條件），當收到消息時根據(jù)中斷條件產(chǎn)生中斷。消息記錄從觸發(fā)后開始，一直到調(diào)用[Eph6273_BM_StartStop（）]停止記錄或Eph6273_API_ Close（）。

總線監(jiān)視器（BM）軟件設(shè)計流程圖如圖6所示。

圖6 總線監(jiān)視器（BM）軟件工作流程圖

3.2 用戶界面設(shè)計

用戶界面包含界面管理。界面管理是將系統(tǒng)中各個子系統(tǒng)功能模塊之間有機結(jié)合起來的“紐帶”，負責系統(tǒng)中各個子系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)控制和調(diào)度。用戶可以通過友好的人機界面，自然語言環(huán)境下利用鍵盤、鼠標向系統(tǒng)、計算機發(fā)出各種指令完成對總線上的信號的監(jiān)測，并在硬盤上進行存儲。所設(shè)計的軟件主界面如圖7所示。

圖7 1553B總線監(jiān)測軟件主界面

軟件啟動后，進入圖7所示界面。在當前界面單擊“連接設(shè)備”，若彈出對話框顯示“Connect Successfully”，則代表設(shè)備連接成功，接下來即可進行數(shù)據(jù)監(jiān)測。用鼠標單擊“BM初始化”，開始監(jiān)測總線數(shù)據(jù)。在BM顯示窗口里顯示監(jiān)測到的總線數(shù)據(jù)，而在右側(cè)BM小窗口顯示的是消息類型、命令字、中斷狀態(tài)、RT狀態(tài)、時間等信息。

4 數(shù)據(jù)監(jiān)測與分析實例

實船數(shù)據(jù)的獲取是檢驗所研究的1553B數(shù)據(jù)監(jiān)測與分析軟件工作正常與否的重要方面之一。利用1553B總線三端耦合器，將安裝有EP?H6273 PCI板卡的便攜式工控機置于實船被監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中，通過上述數(shù)據(jù)分析軟件對采集到的1553B數(shù)據(jù)進行采集、顯示及保存。試驗流程圖如圖8所示。

由于選用的EP?H6273板卡是多功能的，通過軟件還可以在便攜式工控機上實現(xiàn)1553B總線數(shù)據(jù)的仿真?zhèn)鬏敼δ?，即同時實現(xiàn)BC、BM、RT間的數(shù)據(jù)通信。

以某采集過程為例：通過在中央控制臺手動輸入?yún)?shù)，獲得導航系統(tǒng)經(jīng)由數(shù)據(jù)交換儀與中央控制臺之間進行通信的數(shù)據(jù)包A1，A20。由相關(guān)資料可知，數(shù)據(jù)包A1是以1 Hz的頻率發(fā)送的，其內(nèi)容為：日期、定位時間、本船緯度、本船經(jīng)度、流速、流向、位置誤差、航向誤差、絕對速度誤差、相對速度誤差、龍骨水下深度等；數(shù)據(jù)包A20是以20 Hz的頻率發(fā)送的，其內(nèi)容為：本船航向、航跡、橫傾、縱傾、指北速度分量、指東速度分量、絕對速度、相對速度、定位時間、校驗碼。試驗通過改變某一參數(shù)來確定與之對應(yīng)的代碼，之后多次改變輸入?yún)?shù)，進行多次采樣。所采集到的數(shù)據(jù)以文本格式導出并保存，便于利用相關(guān)軟件進行數(shù)據(jù)處理。

由監(jiān)測到的數(shù)據(jù)得知：以0200為標志符的數(shù)據(jù)包出現(xiàn)20次后，緊接著出現(xiàn)一個以0100為標識符的數(shù)據(jù)包，由此知以0200為標志符的數(shù)據(jù)包就是A20數(shù)據(jù)包，以0100為標志符的數(shù)據(jù)包就是A1數(shù)據(jù)包。

總線數(shù)據(jù)代碼與實際參數(shù)的對應(yīng)關(guān)系包括許多數(shù)據(jù)常數(shù)，可分為經(jīng)緯度常數(shù)、角度常數(shù)、距離常數(shù)、速度常數(shù)、時間常數(shù)等。從數(shù)據(jù)格式的表示可知，數(shù)據(jù)的范圍為0～ffff。對不同類別的數(shù)據(jù)可通過一定的比例因子進行轉(zhuǎn)換表示。如下式所示：

[y=a?i=14xi?116i]

式中：[a]為比例因子；[xi]為十六進制數(shù)據(jù)的從左邊起第[i]位數(shù)；[y]為十進制數(shù)。

通過對鍵盤輸入?yún)?shù)與相應(yīng)存儲器的數(shù)據(jù)比較進行分析。比如，求取緯度與其總線數(shù)據(jù)代碼關(guān)系的方法時，根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)，利用Matlab工具編程可得到比例因子[a=180°×2-31。]依次類推，可計算出大部分常數(shù)的比例因子，如緯度、經(jīng)度、流速、流向、位置誤差、航向誤差、絕對速度誤差、航向、航跡、橫傾、縱傾等。

5 結(jié) 語

本文通過對1553B通信系統(tǒng)的組成及數(shù)據(jù)傳輸指令的分析，設(shè)計了一種1553B總線數(shù)據(jù)監(jiān)測與分析的方法，在此基礎(chǔ)上研制了數(shù)據(jù)監(jiān)測與分析軟件。以某型船舶控制系統(tǒng)為實例，對其1553B總線數(shù)據(jù)進行了監(jiān)測、顯示及保存。通過分離出有效數(shù)據(jù)并加以分析研究，得到了通信數(shù)據(jù)的報文格式、編碼規(guī)律和具體含義，有助于實現(xiàn)系統(tǒng)各分設(shè)備之間的信號調(diào)試與檢測等工作，并為處理其他類似問題提供了有益借鑒。

參考文獻

[1] 熊鷹.MIL?STD?1553B總線控制器在SST中的應(yīng)用[D].北京：中國科學院研究生院，2002.

[2] 楊春英.1553B數(shù)據(jù)總線的設(shè)計[J].艦船科學技術(shù)，1998（5）：61?65.

[3] 石紅梅.用FPGA實現(xiàn)1553B總線接口中的曼徹斯特編碼器[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2004（4）：42?46.

[4] 侯青劍，繆棟.1553B總線及其在測控網(wǎng)絡(luò)中的實現(xiàn)[J].計算與測量技術(shù)，2005，32（3）：24?26.

[5] 劉云峰，繆棟，劉凡軍.1553B總線及其在電液伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].機床與液壓，2004（9）：106?108.

[6] 王錦超，李飛，沈明玉.網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的協(xié)議分析算法設(shè)計與實現(xiàn)[J].計算機技術(shù)與發(fā)展，2006，16（4）：30?32.