1553B總線分析及國產(chǎn)化研究

張秀梅 吳祖民

摘 要：1553B總線是一種集中式的時分串行總線，目前已廣泛應用于海、陸、空三軍，具有一網(wǎng)蓋三軍之稱。但是由于基于1553B標準的總線核心技術(shù)長期由歐美公司所壟斷，因此，自主研發(fā)1553B總線的協(xié)議芯片及產(chǎn)品具有重要的戰(zhàn)略意義。文章詳盡分析了1553B總線系統(tǒng)的耦合方式、網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)、總線字格式、通信協(xié)議以及優(yōu)勢，還介紹了1553B總線技術(shù)的各種應用、國產(chǎn)化研究情況以及發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：1553B總線；應用；國產(chǎn)化

為實現(xiàn)航電系統(tǒng)過程控制和狀態(tài)管理、各子系統(tǒng)或模塊之間的資源共享、減輕互連介質(zhì)的重量、降低復雜性，提高信息傳輸?shù)膶崟r性和可靠性；另外，由于航電系統(tǒng)長時間工作在高空、高溫、高速、強電磁干擾以及高強度振動環(huán)境中，工作環(huán)境比較惡劣，勢必需要一種比較可靠的通信方式。在數(shù)據(jù)總線領域先后提出了一系列的標準和規(guī)范，常見的有ARINC429總線、MIL-STD-1553B總線等[1]。其中ARINC429總線協(xié)議是點對點的單向傳輸總線，系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸是通過屏蔽雙絞線實現(xiàn)的，它的缺點是速度慢、效率低，不能滿足復雜的航空電子綜合系統(tǒng)的要求；MIL-STD-1553B總線（以下簡稱“1553B總線”）是一種時分制指令/響應多路傳輸數(shù)據(jù)總線，采用半雙工的通信方式，能把系統(tǒng)通信有效地集成，采用綜合控制和顯示，由于其高可靠性、高速率性和高穩(wěn)定性，在聯(lián)合式航電系統(tǒng)中得以廣泛應用。但是由于基于1553B標準的總線核心技術(shù)長期由歐美公司所壟斷，因此，自主研發(fā)1553B總線的協(xié)議芯片及產(chǎn)品具有重要的戰(zhàn)略意義。國內(nèi)873項目頒發(fā)了國軍標289A，它目前是國產(chǎn)作戰(zhàn)飛機的主流數(shù)據(jù)總線。本文詳細分析了1553B總線系統(tǒng)的耦合方式、網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)、總線字格式、通信協(xié)議以及優(yōu)勢，還介紹了1553B總線技術(shù)的各種應用、國產(chǎn)化研究情況以及發(fā)展趨勢。

1 1553B總線介紹

1553B總線采用半雙工的通信方式，傳輸速度為1 Mb/s，每個字字長20位，數(shù)據(jù)有效位為16位，消息最長長度為32個字，傳輸媒介為屏蔽雙絞線，傳輸協(xié)議為命令/響應方式，數(shù)據(jù)傳輸采用曼徹斯特Ⅱ型碼調(diào)制信號[2]。

1.1 系統(tǒng)概述

1553B總線系統(tǒng)主要包括接口模塊、耦合器、電纜等，各個節(jié)點之間使用雙絞屏蔽線和總線耦合器連接，耦合方式有直接耦合和變壓器耦合兩種，第一種方式是節(jié)點直連到總線上，最長約為30 cm，它的優(yōu)點是重量輕，維護少；第二種方式是通過隔離變壓器再連接到總線上，最長約為6 m，它的優(yōu)點是將RT和總線相隔離，減少信號失真度，抑制了共模噪聲，實際應用中通常選擇變壓耦合方式。

1553B總線系統(tǒng)有3種典型的節(jié)點：總線控制器（Bus Controller，BC）（唯一一個），遠程終端（Remote Terminal，RT）（最多31個）和總線監(jiān)視器（Monitor Terminal，MT）。這3種節(jié)點的主要分別功能如下[3]。

（1）BC。BC是被安排為執(zhí)行建立和啟動數(shù)據(jù)傳輸任務的唯一終端，對于整個飛機總線網(wǎng)絡而言，飛機控制系統(tǒng)即是BC，控制整個飛機各個子系統(tǒng)之間的通信。

（2）RT。RT是接入1553B總線網(wǎng)絡的各個子節(jié)點，一個1553B總線網(wǎng)絡最多能接入31個RT。RT是用戶子系統(tǒng)到數(shù)據(jù)總線上的接口，在BC的控制下發(fā)送或接收數(shù)據(jù)。對于整個飛機總線網(wǎng)絡而言，導航系統(tǒng)、雷達系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)、發(fā)動機控制系統(tǒng)等都屬于RT，只有當總線控制器BC向某RT發(fā)出指令后，該RT才能與BC或者別的RT進行通信。

（3）MT。MT是系統(tǒng)中用于有選擇地接收、記錄總線上傳輸?shù)男畔⒔K端?？偩€監(jiān)控器不傳輸數(shù)據(jù)，只受總線控制器BC控制。

1553B總線網(wǎng)絡中所有終端共享一條信息通路，每個終端扮演唯一總線角色，任一時刻網(wǎng)絡中只有一個終端在發(fā)送信息，信息可被所有終端接收，接收后終端通過地址來識別。這種網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)簡單，任一終端的故障都不會造成系統(tǒng)的癱瘓。總體來說，1553B總線具有以下優(yōu)點。

（1）線性拓撲結(jié)構(gòu)：便于維護，易于增加或刪除節(jié)點，提高系統(tǒng)的可靠性和靈活性。

（2）可靠的傳輸協(xié)議：總線按指令/響應的方式異步操作。

（3）冗余容錯能力：傳輸線、總線接口都存在熱備份，極大提高了系統(tǒng)的可靠性。

（4）實時傳輸性：1553B總線的傳輸速率可達1 Mb/s，每條消息最多僅含32個字，因此實時性很強。

（5）高可靠的電氣傳輸：1553B總線傳輸采用變壓器耦合方式，每個終端都能夠安全地與總線隔離。

1.2 1553B總線字格式及通信協(xié)議

1553B總線上的數(shù)據(jù)流由一條條消息組成，而每條消息都由3種類型的字組成：命令字、數(shù)據(jù)字和狀態(tài)字。

1.2.1 字格式

字是一個比特位序列，命令字、數(shù)據(jù)字和狀態(tài)字這3種類型字的字長均為20位：包含同步頭（前3位）、有效數(shù)據(jù)位（后16位）及奇偶校驗位（最后1位），詳細格式定義如圖1所示[4]。

1.2.2 通信協(xié)議

1553B總線每條消息都是由1個命令字、1個狀態(tài)字和若干數(shù)據(jù)字（數(shù)目0～32不等）及狀態(tài)響應間隔組成的傳輸序列。按照功能劃分，共有10種消息格式：BC->RT、RT-> BC、RT->RT、帶數(shù)據(jù)字的方式指令（發(fā)送）、帶數(shù)據(jù)字的方式指令（接收）、不帶數(shù)據(jù)字的方式指令、BC向各RT的通播（廣播接收）、RT->RT廣播、帶數(shù)據(jù)字的廣播方式指令、不帶數(shù)據(jù)字的廣播方式指令[5]。前6種消息是在BC的直接控制下進行，要求被訪問的RT作出特定的響應；后4種消息是廣播方式，允許BC或某個RT將消息發(fā)送給所有其他終端，但不需要確認接收終端的狀態(tài)（無需確認接收端狀態(tài)，傳輸效率高但不可靠）[6]。

2 1553B總線的應用和國產(chǎn)化研究

2.1 1553B總線的應用

當總線通信出現(xiàn)問題時，根據(jù)總線信息只能判斷出是某個子系統(tǒng)的故障，而難以判斷出是該子系統(tǒng)設備還是對應總線出現(xiàn)了故障，所以很有必要對傳輸信號的波形特征及信息內(nèi)容進行綜合監(jiān)測。國外推出的通用航空總線測試系統(tǒng)，已在航空航天綜合測試領域有了廣泛應用，但因成本及協(xié)議保密問題，不能很好地引進到國內(nèi)。文獻[5]針對此問題編制了一個總線信息監(jiān)控軟件系統(tǒng)，用來采集、保存信號，并與接口控制文件（ Interface Control Document，ICD）庫進行比對，實現(xiàn)信息內(nèi)容的解析，具備良好的人機交互界面，便于操作者觀察和分析，在解決此類監(jiān)測總線問題方面有很好的借鑒意義。

遠程終端是總線系統(tǒng)的重要組成部分，借助現(xiàn)代集成電路的不斷集成化，將遠程終端實現(xiàn)片上系統(tǒng)化（System on a Chip，SoC）有很大的實用意義。文獻[5]設計并實現(xiàn)了1553B總線系統(tǒng)掛載SoC模型的遠程終端，實現(xiàn)了上述的10種消息格式，并能夠按照消息通信協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸和異常消息處理，為總線系統(tǒng)設計和驗證的國產(chǎn)化提供了極重要的參考價值。

2.2 1553B總線的國產(chǎn)化研究

1553B總線在實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸功能時，需要使用具備靈活的接口模式，能夠與各種CPU連接的協(xié)議芯片，其中典型代表是DDC公司的“ACE”系列協(xié)議處理器BU61580和BU65170等最為常用[10]。為更好地保障通信信息安全，擺脫1553B系列芯片市場長期被歐美壟斷的境地，我國于1997年11月發(fā)布了GJB289A-97，該標準已成功應用于國內(nèi)各型飛機研制項目中。目前國內(nèi)一些科研院所和企事業(yè)單位研發(fā)出了多款優(yōu)秀的產(chǎn)品。

很多研發(fā)團隊考慮用FPGA實現(xiàn)協(xié)議功能的方式替代ACE等協(xié)議芯片，這種方法使用方便、靈活而且價格低廉，但只適合于實驗室使用，不適合作為裝備交付用戶。原因是國內(nèi)的大部分FPGA電磁兼容性能遠遠達不到軍品器件的要求。對此，國家進行技術(shù)攻關(guān)，終于研制出一種完全用硬件電路實現(xiàn)的協(xié)議芯片，抗干擾能力達到軍品H級，與DDC公司同型號產(chǎn)品做背對背測試，各項指標完全滿足，可完全代替DDC公司ACE系列芯片的產(chǎn)品[8]；芯片EP-H31580，B61580也是屬于自主研制，在功能和性能上能夠達到DDC公司的BU61580的水平，并且研發(fā)成本遠遠降低，在實際產(chǎn)品研發(fā)生產(chǎn)中已得到應用。

當前，在航電系統(tǒng)迅猛發(fā)展的強烈需求之下，對1553B總線方面的技術(shù)人才需求日益增多，為培養(yǎng)更多的此類型優(yōu)秀人才，一種基于HKS1553BCRT芯片的多功能仿真平臺應運而生，此平臺以先進的SoC技術(shù)、ARM嵌入式系統(tǒng)和1553B總線技術(shù)為基礎，以普及1553B總線應用和SoC架構(gòu)的芯片編程設計為出發(fā)點，對推廣1553B總線技術(shù)知識以及SoC芯片的一些基本的使用技巧具有很好的工程應用價值[9]。這些成果在一定程度上改變了軍用1553B芯片及相關(guān)產(chǎn)品完全依賴進口的局面，隨著國家對電子器件國產(chǎn)化的日益重視，相信不久，國產(chǎn)芯片會占領越來越多的市場，并且所研發(fā)的產(chǎn)品會更具競爭力。

3 1553B總線發(fā)展趨勢

MIL-STD-1773總線是1553B總線的光纖版，具有傳輸速率高（20 MB/s）、電磁兼容（Electro Magnetic Compatibility，EMC）好和不產(chǎn)生電磁干擾（Electro Magnetic Interference，EMI）的優(yōu)點，但是該技術(shù)是目前國際最尖端和最前沿的學科，我國技術(shù)人員還未掌握該項技術(shù)核心，離真正可靠、成熟的應用于航空領域，還需要走很長一段路[10]。在未來一段時間內(nèi)，1553B總線由于它的高可靠性、實時性、靈活性，仍將在各軍事領域發(fā)揮著重要的作用，并且核心技術(shù)會朝著抗惡劣環(huán)境、抗輻射能力更強以及傳輸速度更快的方向發(fā)展。