基于MIL-STD-1553B的通信原理教學(xué)軟件設(shè)計(jì)與開發(fā)

周琪棟，江志東，張 弟，周 浩，班海麗

(1.中國人民解放軍海軍航空大學(xué)青島校區(qū) 航空電子工程與指揮系，青島 266041；2.中國人民解放軍91188部隊(duì)，?？?571122)

0 引言

MIL-STD-1553B總線是第三代戰(zhàn)機(jī)航空電子系統(tǒng)的“骨架”和“神經(jīng)”，具有實(shí)時性好、可靠性高等諸多優(yōu)點(diǎn)，在第四代戰(zhàn)機(jī)中也有局部應(yīng)用[1]。1553B總線標(biāo)準(zhǔn)自發(fā)布以來，逐漸被廣泛應(yīng)用于飛機(jī)綜合航電系統(tǒng)、外掛物管理與集成系統(tǒng)、飛行控制系統(tǒng)，并逐步擴(kuò)展到軍用車輛、船艦、航天等領(lǐng)域[2]。學(xué)習(xí)和掌握1553B總線的相關(guān)知識，如通信原理、協(xié)議組成、傳輸控制等，是深入學(xué)習(xí)聯(lián)合式航電系統(tǒng)的基礎(chǔ)。

然而，目前現(xiàn)有1553B總線實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)對理論教學(xué)的支撐不足，不能滿足學(xué)員綜合能力和應(yīng)用創(chuàng)新能力的高階性培養(yǎng)需求。另外，一線部隊(duì)維護(hù)保障人員對航電總線的理解和維護(hù)停留在較淺層次，現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)無法支撐對部隊(duì)開展有關(guān)三代戰(zhàn)機(jī)主總線的深層原理培訓(xùn)。

針對以上不足，設(shè)計(jì)開發(fā)一款初學(xué)者易上手、實(shí)驗(yàn)科目難度適宜、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容層層深入、人機(jī)交互界面友善的1553B總線通信原理演示系統(tǒng)軟件尤為重要?；谠撥浖梢詭椭褂谜呓⑷鷻C(jī)聯(lián)合式航電系統(tǒng)整體概念，從而滿足院校理論與實(shí)驗(yàn)輔助教學(xué)，同時可為部隊(duì)開展培訓(xùn)提供支撐。

1 需求分析

目前市面上鮮有用于輔助1553B總線原理教學(xué)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，幾乎沒有專門針對教學(xué)需求開發(fā)的1553B總線通信原理實(shí)驗(yàn)軟件。而1553B總線模塊自帶的軟件系統(tǒng)主要用于其基本功能的演示驗(yàn)證，存在的主要問題如下：

1)部分軟件功能單一，不滿足1553B總線原理展示及多層次高層次學(xué)習(xí)的需求，僅能進(jìn)行簡單的通信演示，可視化界面不夠友善，其他功能則需要進(jìn)行二次開發(fā)。

2)部分軟件功能冗余，操作復(fù)雜，且人機(jī)交互體驗(yàn)差，缺乏相應(yīng)提示信息，配置調(diào)試過程異常繁瑣，不能突出把握學(xué)習(xí)重點(diǎn)，不能正常投入教學(xué)使用。

3)無科目化實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)，不滿足分層次學(xué)習(xí)實(shí)踐的需求，而且無法開展綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，不便于學(xué)習(xí)者建立聯(lián)合式航電系統(tǒng)的整體概念。

國內(nèi)外航空類院校面臨無合適1553B總線系統(tǒng)教學(xué)輔助軟件用的尷尬境地，供求失衡日益突出。無法滿足院校學(xué)生綜合能力與應(yīng)用創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，這是一個需要不斷進(jìn)行學(xué)習(xí)-思考-實(shí)踐-再學(xué)習(xí)-再思考-再實(shí)踐的過程[3]。基于此，本文設(shè)計(jì)并開發(fā)了基于MIL-STD-1553B的1553B通信原理教學(xué)軟件。

2 1553B總線通信架構(gòu)簡介

1553B總線拓?fù)浼軜?gòu)和協(xié)議結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)本文所開發(fā)教學(xué)軟件的理論基礎(chǔ)，總線硬件模塊是本文教學(xué)軟件實(shí)現(xiàn)的底層硬件基礎(chǔ)，上位機(jī)開發(fā)環(huán)境是本文教學(xué)軟件的開發(fā)工具。

2.1 1553B總線拓?fù)浼軜?gòu)

1553B總線系統(tǒng)主要由四大部分組成[4]：

1)總線控制器BC(BusController)：負(fù)責(zé)全局指令發(fā)送。用于總線消息傳輸?shù)目刂?、掃描和監(jiān)視[5]。

2)總線監(jiān)視器BM(BusMonitor)：由具備監(jiān)控功能和信息傳輸功能的設(shè)備擔(dān)任，監(jiān)視總線上傳輸?shù)男畔ⅰ?/p>

3)遠(yuǎn)程終端RT(Remote Terminal)：各子系統(tǒng)與總線網(wǎng)絡(luò)間的通信橋梁，在BC的指令控制下傳輸數(shù)據(jù)。

4)傳輸介質(zhì)(雙絞屏蔽電纜)：負(fù)責(zé)總線連接組件之間、總線連接組件和終端之間的信號傳輸。為提高可靠性，一般為雙余度(總線電纜A、B)，故障時可余度切換。

總線系統(tǒng)整體拓?fù)浼軜?gòu)如圖1所示。

圖1 1553B總線拓?fù)浼軜?gòu)

2.2 1553B總線協(xié)議結(jié)構(gòu)

1553B總線通信系統(tǒng)分為5層，自頂向下分別是應(yīng)用層、驅(qū)動層、傳輸層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層[6]。在5層協(xié)議模型中，其中應(yīng)用層和驅(qū)動層位于各航電子系統(tǒng)計(jì)算機(jī)中，傳輸層和鏈路層位于總線接口模塊(MBI)。

1)應(yīng)用層。應(yīng)用層是通信系統(tǒng)的最高層，它實(shí)現(xiàn)通信系統(tǒng)的管理和解釋功能，包括系統(tǒng)的啟動、維護(hù)、重構(gòu)、終止總線通信等功能。

2)驅(qū)動層。驅(qū)動層是實(shí)現(xiàn)主機(jī)應(yīng)用軟件與MBI間的接口控制，它實(shí)現(xiàn)控制MBI卡的初始化、啟動、運(yùn)行、停止、連接、脫離連接、啟動自檢、狀態(tài)監(jiān)視和數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋?/p>

3)傳輸層。傳輸層用于控制多路數(shù)據(jù)傳輸總線上的數(shù)據(jù)傳輸，在擔(dān)任總線控制器的MBI板中實(shí)現(xiàn)。傳輸層規(guī)定了在物理層上每條消息的發(fā)出順序。除此之外，傳輸層還負(fù)責(zé)故障處理、雙余度總線的管理切換及實(shí)時時鐘RTC同步等。

4)數(shù)據(jù)鏈路層。數(shù)據(jù)鏈路層規(guī)定了命令/響應(yīng)型介質(zhì)訪問控制協(xié)議，定義了3種字格式和十種消息格式，控制每條消息中各類字的傳輸順序。

5)物理層。物理層包括物理介質(zhì)(電纜系統(tǒng))和處理物理介質(zhì)上位流的傳輸，規(guī)定了編碼格式、數(shù)據(jù)率、電氣特性等，確保只有滿足規(guī)定物理傳輸特性的信號才能被傳輸?shù)綌?shù)據(jù)鏈路層。

1553B總線通信結(jié)構(gòu)核心內(nèi)容由編碼方式、字格式、消息格式及消息傳輸四部分構(gòu)成。在1553B總線上進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時，字是消息組成的最基本單元，協(xié)議字分為三類：命令字、數(shù)據(jù)字、狀態(tài)字[7]，每個字20位，每一位采用雙相曼徹斯特Ⅱ型編碼。每種字的前3個比特位為同步頭，接著是16個比特位的有效信息數(shù)據(jù)，最后1位是奇偶校驗(yàn)位[8-9]。

1553B總線定義了數(shù)據(jù)傳輸、廣播消息(Broadcast)和方式控制(Modecode)三類消息傳輸格式。數(shù)據(jù)傳輸消息格式有3種，包含BC→RT、RT→BC及RT→RT，所有傳輸均是在BC的控制下完成的[10]?？偩€傳輸?shù)南⒅g的最小間隔時間為4.0μs，遠(yuǎn)程終端響應(yīng)總線控制器有效命令字的間隔時間為4.0 μs～12.0 μs，如果響應(yīng)時間超出界定值14 μs，則應(yīng)該做超時處理[11]。在總線上傳輸?shù)陌匆欢ǜ骂l率發(fā)送的消息稱為周期消息，其余為事件消息。

2.3 1553B總線硬件模塊

CAV-1553B-USB為一款便攜式USB2.0接口的雙通道雙冗余的1553B總線適配器，可根據(jù)不同的配置實(shí)現(xiàn)多種1553B功能，如1553B總線設(shè)備和系統(tǒng)的仿真、測試、監(jiān)控。

在應(yīng)用時，可以同時實(shí)現(xiàn)一個BC、多個RT(最多31個)的通信[12]。其支持1553B總線信號波形采集，可通過測試端口測取總線上傳輸?shù)膶?shí)時波形，通過對波形解析，加深對總線通信的理解。本文所使用的CAV-1553B-USB模塊如圖2所示。

圖2 CAV-1553B-USB模塊

2.4 開發(fā)語言及開發(fā)環(huán)境

基于通信原理教學(xué)軟件設(shè)計(jì)與開發(fā)的現(xiàn)實(shí)需求，選擇以C作為上位機(jī)軟件開發(fā)語言。采用C語言可以方便快捷地實(shí)現(xiàn)軟件高效率開發(fā)，并且質(zhì)量更高，后期維護(hù)更為簡單[13]。軟件集成開發(fā)環(huán)境為支持C語言的IDE。IDE開發(fā)工具相比較而言更為實(shí)用并且功能全面且強(qiáng)大，提供的統(tǒng)一開發(fā)平臺大大降低軟件開發(fā)難度，可以實(shí)現(xiàn)可視化桌面應(yīng)用程序開發(fā)。

3 1553B通信教學(xué)軟件總體設(shè)計(jì)

結(jié)合1553B總線通信原理教學(xué)需求，以軟件工程思想和分層設(shè)計(jì)思想為指導(dǎo)，立足于上位機(jī)軟件可視化界面友善、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目層次清晰、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容合理且具有針對性等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)該教學(xué)軟件的功能框架和總體開發(fā)方案。該軟件以期能夠滿足教學(xué)需求并實(shí)現(xiàn)高效率教學(xué)，貼近日常學(xué)習(xí)，聚焦實(shí)際教學(xué)，具有顯著創(chuàng)新型和廣泛實(shí)用性[14]。

3.1 功能框架設(shè)計(jì)

以系統(tǒng)工程思想和分層設(shè)計(jì)思想為指導(dǎo)，為滿足實(shí)驗(yàn)內(nèi)容先易后難，學(xué)習(xí)過程層層深入的要求[15]，將該軟件設(shè)計(jì)分為三層功能模塊：

第一層設(shè)置基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，可一鍵啟動實(shí)驗(yàn)并配合使用示波器測取波形，結(jié)合配備的理想?yún)⒖疾ㄐ芜M(jìn)行學(xué)習(xí)及分析驗(yàn)證；

第二層設(shè)置原理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，可自行配置消息參數(shù)實(shí)現(xiàn)消息傳輸以調(diào)動實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)典型消息格式等數(shù)據(jù)傳輸內(nèi)容的深層次高質(zhì)量學(xué)習(xí)，進(jìn)一步加深對1553B通信原理的學(xué)習(xí)；

第三層設(shè)置綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，學(xué)員可通過多消息通信掌握大小周期、事件消息等消息調(diào)度內(nèi)容，并可進(jìn)行余度備份切換、消息延遲重發(fā)等通信機(jī)制及故障處理機(jī)制的學(xué)習(xí)。

軟件的運(yùn)行流程如圖3所示。

圖3 軟件運(yùn)行流程圖

3.2 開發(fā)方案設(shè)計(jì)

1553B總線通信教學(xué)軟件本質(zhì)為上位機(jī)軟件，通過板卡提供的基本API與底層的1553B總線模塊(即本軟件開發(fā)所基于的CAV-1553B-USB模塊)進(jìn)行交互。在Visual Studio 2017平臺搭建Windows窗體應(yīng)用程序，調(diào)用相應(yīng)動態(tài)鏈接庫以驅(qū)動底層1533B硬件[16-17]，完成軟件各項(xiàng)功能。

4 1553B通信教學(xué)軟件實(shí)現(xiàn)與驗(yàn)證

本章首先對軟件主界面實(shí)現(xiàn)進(jìn)行描述，然后依次對基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、原理實(shí)驗(yàn)及綜合實(shí)驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)與驗(yàn)證進(jìn)行論述。

4.1 軟件主界面

主界面具有實(shí)驗(yàn)引導(dǎo)功能，可以根據(jù)學(xué)員的需求，實(shí)現(xiàn)其到基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)頁面、原理實(shí)驗(yàn)頁面及綜合實(shí)驗(yàn)頁面的跳轉(zhuǎn)，以及可以實(shí)現(xiàn)從3個實(shí)驗(yàn)頁面返回主界面功能。主界面主題鮮明，控件元素設(shè)置合理且具有提示信息，人機(jī)交互程度高，便于學(xué)員高效操作使用。

4.2 基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)與驗(yàn)證

1553B總線通信原理涉及到編碼方式、字格式、消息格式、消息調(diào)度、通信機(jī)制、故障及異常處理機(jī)制等多元內(nèi)容，基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目預(yù)期實(shí)驗(yàn)效果即為促進(jìn)學(xué)員對編碼方式的理解，強(qiáng)化對字格式的認(rèn)識，加深對典型消息格式的了解，為學(xué)員后續(xù)深入學(xué)習(xí)1553B總線通信原理打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。設(shè)計(jì)并開發(fā)出便捷操作，即學(xué)員可在不配置相關(guān)參數(shù)的前提下，通過一鍵啟動的形式調(diào)用演示系統(tǒng)軟件固定寫好的參數(shù)來成功啟動實(shí)驗(yàn)，直接得到相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目涵蓋BC→RT、RT→BC、RT→RT、Broadcast及Modecode消息通信實(shí)例。

4.2.1 BC→RT消息格式實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)與驗(yàn)證

BC→RT消息格式類型實(shí)驗(yàn)所實(shí)現(xiàn)的總線通信實(shí)質(zhì)為總線控制器BC向遠(yuǎn)程終端RT發(fā)送數(shù)據(jù)消息。根據(jù)1553B消息格式，BC→RT的消息是以BC向RT下達(dá)接收命令字開啟，然后BC發(fā)出一系列數(shù)據(jù)字，接收方RT收到BC的數(shù)據(jù)字，校驗(yàn)后向BC發(fā)出接收狀態(tài)字表明數(shù)據(jù)已成功接收。

基于實(shí)驗(yàn)開發(fā)平臺，BC→RT消息格式實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)步驟如下：BC初始化→分配MsgBuffers→定義并寫入BC Block與 MsgBuffers→啟動BC→初始化并使能RT→分配SA Buffers→啟動RT。在完成這些步驟后BC→RT消息開始傳輸，消息傳輸完畢后關(guān)閉BC與RT。對其中重要的步驟論述如下。

BC Block配置寫入：要實(shí)現(xiàn)1553B總線通信，任何消息的傳輸都需要進(jìn)行BC Block的配置寫入。配置其結(jié)構(gòu)并寫入板卡時，需設(shè)置不同的標(biāo)識符才可調(diào)用模塊實(shí)現(xiàn)不同消息格式傳輸。如設(shè)置BC→RT消息格式時，需設(shè)置標(biāo)識符為BC_BLOCK_TYPE_MSG_BCRT，字符值為“0x00000001”。

線程定時器設(shè)置：為了讓消息持續(xù)不斷發(fā)送，方便使用示波器測取波形[18]，一鍵啟動實(shí)驗(yàn)后，需要周期性循環(huán)進(jìn)行消息發(fā)送。本實(shí)驗(yàn)開發(fā)中設(shè)置了一定時間間隔的線程定時器，以循環(huán)調(diào)用發(fā)送消息的函數(shù)。

BC→RT消息格式實(shí)驗(yàn)的界面如圖4所示。

圖4 BC→RT消息格式實(shí)驗(yàn)界面

此界面為主界面選取的“基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)”項(xiàng)目的跳轉(zhuǎn)，可單擊“啟動”按鈕進(jìn)行BC→RT消息的一鍵配置及傳輸。傳輸過程中，使用示波器通過測試點(diǎn)測取到實(shí)時傳輸波形如圖5所示，總線監(jiān)視器監(jiān)控到實(shí)時傳輸?shù)南⑷鐖D6所示。

圖5 BC→RT消息格式實(shí)時傳輸波形

圖6 總線監(jiān)視器監(jiān)控消息

可將測取到的傳輸波形圖與界面中的消息格式參考圖、字格式參考圖、理想波形參考圖進(jìn)行對比驗(yàn)證。實(shí)時波形圖中的波形可大致分為三段，分別對應(yīng)命令字波形、數(shù)據(jù)字波形、狀態(tài)字波形?？山馕龀龃讼锽C發(fā)送接收命令字至RT01，然后發(fā)送數(shù)據(jù)字，經(jīng)一定消息間隔后，RT01發(fā)送狀態(tài)字至BC，符合BC→RT消息格式。我們以中間段的數(shù)據(jù)字波形為例進(jìn)行分析，前三位為同步頭，最后一位為奇偶校驗(yàn)位，其余16位可讀出數(shù)據(jù)字為“0x0505”，與預(yù)先寫入BC Message Buffer的數(shù)據(jù)一致。

總線監(jiān)視器監(jiān)控到總線上實(shí)時傳輸?shù)南?，命令字為?x0821”，表示終端設(shè)備RT01子地址SA01接收1個數(shù)據(jù)字，緊接著是數(shù)據(jù)字“0x0505”，終端地址RT01發(fā)出的狀態(tài)字為“0x0800”。完全符合示波器測取的實(shí)時波形，與軟件實(shí)驗(yàn)界面設(shè)置的消息格式一致。

4.2.2 基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)其余消息格式實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)與驗(yàn)證

RT→BC、RT→RT、Broadcast及Modecode消息格式實(shí)驗(yàn)開發(fā)流程與BC→RT開發(fā)流程類似。根據(jù)選取的消息格式，將BC Block和 BC Message Buffer寫入不同參數(shù)實(shí)現(xiàn)通信。

在RT→BC、RT→RT實(shí)驗(yàn)開發(fā)步驟中，除了與BC→RT開發(fā)流程類似的過程，還需要進(jìn)行RT SA Buffer的內(nèi)存分配和配置寫入。本實(shí)驗(yàn)開發(fā)中主要配置的參數(shù)如下：配置輸入檢測m_legalWc為“0xFFFFFFFF”表示輸入數(shù)據(jù)合法；中斷使能字m_intEnable為“0x00010000”表示記錄相應(yīng)的中斷；32個16bit數(shù)據(jù)data_wds[32]中data_wds[0]設(shè)置為“0x1111”，其余31個數(shù)據(jù)暫不設(shè)置，使用默認(rèn)“0x0000”。

RT→BC、RT→RT、Broadcast及Modecode消息格式界面及實(shí)驗(yàn)功能驗(yàn)證與BC→RT界面及驗(yàn)證類似，不再贅述。

中世紀(jì)奠定了近代西方市民社會的基礎(chǔ)。 首先，出現(xiàn)了政治國家和社會組織相分離的現(xiàn)象。 在這一時期基督教產(chǎn)生，它反對古典時期賦予國家道德上的認(rèn)可，認(rèn)為國家是一種壓迫性的政治組織，為反對這種壓迫，教會便以神權(quán)為基礎(chǔ)將自己發(fā)展成了社會組織，逐漸地以神權(quán)自居的教會所形成的社會組織從以國家為代表的政治組織中分離了出來。 其次，商品經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，一批與新的生產(chǎn)關(guān)系有關(guān)的“市民”在封建制度內(nèi)部得到了培育。 十一世紀(jì)，西歐商品經(jīng)濟(jì)帶來生產(chǎn)力的提高，手工業(yè)和農(nóng)業(yè)產(chǎn)生了分離，專職工商業(yè)者離開農(nóng)村后聚集起來形成了工商業(yè)“特區(qū)”，社會分工產(chǎn)生了簡單的交換關(guān)系。

4.3 原理實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)與驗(yàn)證

人機(jī)交互技術(shù)作為人與計(jì)算機(jī)之間信息交流的接口和以人為中心指導(dǎo)系統(tǒng)開發(fā)的方法論，能夠使系統(tǒng)更好滿足用戶功效性和情感性的需求，提高用戶與計(jì)算機(jī)之間的交互質(zhì)量和用戶體驗(yàn)[19]。

按照人機(jī)交互的指導(dǎo)要求，區(qū)別于基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的一鍵操作，原理實(shí)驗(yàn)在界面上設(shè)置鼠標(biāo)和鍵盤的輸入端口，使學(xué)員可以自行配置相關(guān)消息通信參數(shù)，以便調(diào)動學(xué)員積極性，實(shí)現(xiàn)更高效率的學(xué)習(xí)，并且教員可使用該項(xiàng)目設(shè)置問題以檢驗(yàn)學(xué)員掌握程度，從而及時對教學(xué)做出調(diào)整。

4.3.1 原理實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)

原理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目承上啟下，可進(jìn)一步有效強(qiáng)化學(xué)員對1553B總線通信原理的學(xué)習(xí)，并為后續(xù)綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的學(xué)習(xí)做準(zhǔn)備。原理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目包含BC→RT、RT→BC、RT→RT、Broadcast消息通信實(shí)例。在原理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中，學(xué)員可以自行選擇不同的消息通信類型，選擇相應(yīng)參數(shù)以配置命令字，啟用數(shù)據(jù)編輯板塊進(jìn)行相應(yīng)傳輸數(shù)據(jù)的編輯，最終完成消息通信參數(shù)配置以完成實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)開發(fā)依次包含兩大工作：通信參數(shù)準(zhǔn)備工作和消息通信實(shí)現(xiàn)工作。

通信參數(shù)準(zhǔn)備工作詳細(xì)步驟如下。

1)通信消息類型寫入：實(shí)現(xiàn)通信消息類型配置，主要是Label控件與commoBox控件配置使用。使用commoBox控件選擇BC→RT、RT→BC、RT→RT及Broadcast消息傳輸類型之一。

2)命令字參數(shù)寫入：命令字的16 bit有效信息數(shù)據(jù)中，5 bit為遠(yuǎn)程終端地址RT，1 bit為收發(fā)參數(shù)RT，5 bit為子地址SA，5 bit為數(shù)據(jù)字個數(shù)WC。通過commoBox控件依次設(shè)置以上4個參數(shù)的字符串，將字符串轉(zhuǎn)換為16位無符號整數(shù)，寫入硬件板卡CAV-1553B-USB中。

3)通信總線及幀周期選擇與寫入：1553B總線有BusA總線和BusB總線兩條總線，當(dāng)其中一條總線出現(xiàn)故障時可自動切換到另一條總線上進(jìn)行通信[20]。通過radioButton控件選擇BusA或BusB總線任一進(jìn)行通信。選擇板卡CAV-1553B-USB的子幀模式進(jìn)行通信，設(shè)置其幀周期即可實(shí)現(xiàn)周期通訊。

4)編輯傳輸數(shù)據(jù)：單獨(dú)設(shè)置數(shù)據(jù)編輯頁面，具有輸入限制、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、一鍵清除等功能方便學(xué)員快速輸入。編輯框限制只能輸入合法的四位二進(jìn)制數(shù)據(jù)，需要實(shí)現(xiàn)textBox無法輸入字母以及無法輸入超過4位數(shù)字。數(shù)據(jù)編輯部分設(shè)置二進(jìn)制數(shù)據(jù)輸入端口，需要實(shí)現(xiàn)4個4位二進(jìn)制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為1個4位十六進(jìn)制數(shù)據(jù)，從而寫入消息傳輸程序中。為了滿足學(xué)員輸入數(shù)據(jù)后便捷清零的需求，實(shí)現(xiàn)學(xué)員高效率使用本輔助教學(xué)軟件，故在數(shù)據(jù)編輯功能中設(shè)置“清零”按鈕?！扒辶恪惫δ艿膶?shí)現(xiàn)主要借助button控件及groupBox控件。

原理實(shí)驗(yàn)消息通信的實(shí)現(xiàn)工作與基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中所述步驟基本一致，不再贅述。

4.3.2 原理實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

結(jié)合原理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目界面，并選擇BC→RT消息通信實(shí)例進(jìn)行參數(shù)配置，并將驗(yàn)證過程進(jìn)行展示。其余消息通信實(shí)例配置及驗(yàn)證過程與之相似，不再論述。

BC→RT消息通信實(shí)例參數(shù)配置界面如圖7所示。選擇BC→RT消息時由于BC僅需要下達(dá)接收RT命令字，因此“命令字2”將變灰不可用。學(xué)員可根據(jù)場景配置“命令字1”以定義接收RT的地址、子地址SA和傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量WC。假設(shè)配置接收RT地址為10，SA為24，WC為4。選擇“BusA”通道，配置幀周期為100ms，點(diǎn)擊“啟動”。點(diǎn)擊“數(shù)據(jù)編輯”，進(jìn)入數(shù)據(jù)編輯界面，依次進(jìn)行4個數(shù)據(jù)字內(nèi)容的編輯，將前4個數(shù)據(jù)字設(shè)為“0x1111”、 “0x2222”、“0x3333”和“0x4444”，如圖8所示。

圖7 BC→RT消息通信實(shí)例參數(shù)配置界面

圖8 數(shù)據(jù)編輯界面

完成數(shù)據(jù)編輯之后，點(diǎn)擊“確定”，軟件跳轉(zhuǎn)到參數(shù)配置界面。點(diǎn)擊配置界面的“運(yùn)行”啟動通信，軟件按照所選消息格式和數(shù)據(jù)字調(diào)度板卡開始消息傳輸。傳輸過程中，使用示波器通過測試點(diǎn)測取到實(shí)時傳輸波形如圖9所示，總線監(jiān)視器監(jiān)控到實(shí)時傳輸?shù)南⑴c基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)類似，不再贅述。

圖9 BC→RT消息格式實(shí)時傳輸波形

按照曼徹斯特II編碼解析，實(shí)時波形依次為：0x5304(命令字)，0x1111、0x2222、0x3333、0x4444(4個數(shù)據(jù)字)，0x5000(狀態(tài)字)。符合BC向終端RT10的子地址SA24傳輸所設(shè)置的4個數(shù)據(jù)字，并收到RT10發(fā)出的通信正常狀態(tài)字反饋，與軟件原理實(shí)驗(yàn)界面配置的消息類型和消息數(shù)據(jù)內(nèi)容一致。

4.4 綜合實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)與驗(yàn)證

設(shè)計(jì)開發(fā)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和原理實(shí)驗(yàn)，并不能完成1553B總線通信原理完全意義上的教學(xué)。基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和原理實(shí)驗(yàn)可以輔助學(xué)員理解1553B總線命令響應(yīng)的控制機(jī)制，實(shí)現(xiàn)的是任意兩個終端之間的通信，而1553B總線實(shí)現(xiàn)的是多個終端在同一套總線上的有序通信，對于如何確保多個終端在同一套總線上通信不沖突毫無涉及。

綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的目的就是輔助學(xué)員理解1553B總線的通信機(jī)理，即采用大小周期的時分制調(diào)度機(jī)制。在實(shí)際通信過程中，有時還會涉及到非周期消息的觸發(fā)，而且根據(jù)不同情況也會出現(xiàn)余度備份切換和消息延遲重發(fā)等機(jī)制。因此設(shè)計(jì)開發(fā)能夠?qū)崿F(xiàn)大小周期、非周期消息等消息調(diào)度教學(xué)內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)深層次余度備份切換和消息延遲重發(fā)等通信協(xié)議和故障排除機(jī)制教學(xué)功能，能夠幫助學(xué)員建立三代機(jī)聯(lián)合式航電系統(tǒng)整體概念的綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目就顯得格外重要。

4.4.1 綜合實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)

綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)總線消息通信實(shí)際內(nèi)容，按周期傳輸固定消息，并且引入的非周期消息發(fā)送，支持學(xué)員自行觸發(fā)非周期消息，學(xué)員可通過多個終端界面讀取每個終端實(shí)時接收到的消息，通過每個終端實(shí)時接收到的消息以分析得出每個消息的消息周期，并推測出大小周期。通過設(shè)置典型故障，可輔助學(xué)員理解故障處理機(jī)制，如某終端子系統(tǒng)一根總線斷開，消息會在另一條備份總線上重發(fā)；如果將某個終端關(guān)閉，模擬終端故障，消息可在當(dāng)前通道重發(fā)、以及切換通道重發(fā)。

綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目是在參考某型戰(zhàn)機(jī)航電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的前提下，通過開發(fā)實(shí)現(xiàn)一個總線控制器BC(顯示控制管理子系統(tǒng)DCMS)、5個終端設(shè)備RT(RT1為雷達(dá)子系統(tǒng)RD；RT2為外掛物管理子系統(tǒng)SMS；RT3為慣導(dǎo)子系統(tǒng)INS；RT4為大氣數(shù)據(jù)子系統(tǒng)ADC；RT5為任務(wù)計(jì)算子系統(tǒng)MC)不同子界面，多終端子系統(tǒng)同時啟動、配合實(shí)現(xiàn)該型戰(zhàn)機(jī)完成一次空空火力打擊消息傳輸全過程[21]，有助于學(xué)員對三代機(jī)聯(lián)合式航電系統(tǒng)整體概念進(jìn)行理解。假設(shè)戰(zhàn)機(jī)執(zhí)行某次空空火力打擊任務(wù)過程中，所需傳輸?shù)目偩€消息如表1所示。

表1 一次空空火力打擊總線消息表

參照戰(zhàn)機(jī)的1553B傳輸層消息調(diào)度方式對以上總線消息進(jìn)行調(diào)度排列，形成的總線消息調(diào)度時間軸如圖10所示。

圖10 一次空空火力打擊總線消息調(diào)度

一次空空火力打擊中一個大周期(240 ms)傳輸?shù)南⒓s40條(Msg1--Msg12消息流向接收發(fā)送的子地址不同而會重復(fù)發(fā)送多條)，類型可分為BC→RT、RT→BC、RT→RT，根據(jù)消息周期不同形成消息鏈表。

所有消息傳輸都在BC(顯示控制管理子系統(tǒng)DCMS)的管理下完成，軟件中通過應(yīng)用層算法模擬傳輸層的消息調(diào)度，首先計(jì)算大小周期分別為240 ms和30 ms，然后依據(jù)優(yōu)先級(非周期消息優(yōu)先級高、周期消息優(yōu)先級相同)、消息編號、消息周期生成靜態(tài)總線表，供BC依照表進(jìn)行調(diào)度[22]。實(shí)現(xiàn)時，需將生成的總線表配置到BC BLOCK并寫入板卡中。其中非周期消息需要添加觸發(fā)條件并定義優(yōu)先級進(jìn)行發(fā)送，與實(shí)際應(yīng)用需求一致。

5個終端系統(tǒng)RT也需依次進(jìn)行發(fā)送或接收消息的配置，需依次分配和配置子地址的SA BUFFER，并寫入板卡。

4.4.2 綜合實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在顯示控制管理子系統(tǒng)BC界面上，點(diǎn)擊“啟動”按鈕可啟動DCMS。在各接收RT均處于啟動狀態(tài)時，點(diǎn)擊“發(fā)射”按鈕即可觸發(fā)非周期消息的發(fā)送。通過下拉菜單可依次選擇不同消息進(jìn)行接收并顯示到下方消息框中。右側(cè)狀態(tài)框可對操作過程進(jìn)行記錄，如圖11所示。

圖11 綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目BC端界面

這里以顯示控制管理子系統(tǒng)(BC)與雷達(dá)子系統(tǒng)(RT1)通信為例演示通信結(jié)果，其余子系統(tǒng)過程相似。

雷達(dá)子系統(tǒng)(RT1)界面如圖12所示。子系統(tǒng)界面的下拉菜單“選擇接收消息”可篩選不同發(fā)送端發(fā)來的消息。此時選擇的是由慣導(dǎo)子系統(tǒng)(RT3)發(fā)送、雷達(dá)子系統(tǒng)(RT1)接收的目標(biāo)跟蹤指引消息Msg6(消息RT3_3→RT1_2中的3和2代表子地址)，可以發(fā)現(xiàn)消息周期約為60 ms。

圖12 雷達(dá)子系統(tǒng)界面接收目標(biāo)跟蹤指引消息

將各子系統(tǒng)之間的所發(fā)的第一個大周期(<240 ms)進(jìn)行消息次序統(tǒng)計(jì)，與理論上分析所得的消息次序(圖10)一致，且每條消息的周期與預(yù)先設(shè)置(表1)一致，驗(yàn)證了綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)置的消息調(diào)度算法，為學(xué)員掌握這一難點(diǎn)提供實(shí)踐手段。同時，總線監(jiān)視器上監(jiān)控到的總線上傳輸?shù)乃邢?，分析其消息序列和消息中的?shù)據(jù)字值，與總線消息表一致。

綜合實(shí)驗(yàn)中還模擬了1553B總線通訊異常，仿真了消息延遲重發(fā)、總線余度切換和終端下線功能。所實(shí)現(xiàn)功能為：當(dāng)消息首次傳輸異常(狀態(tài)字響應(yīng)時間超過14 μs)，則進(jìn)行一次消息延遲重發(fā)；若重發(fā)后恢復(fù)正常則認(rèn)為是偶然故障，進(jìn)行彈窗提示；若首次重發(fā)后依然通信異常則將切換到余度線纜重發(fā)，并在控制器端提示。若余度總線切換后發(fā)送也出現(xiàn)傳輸異常，則調(diào)用板卡API使終端下線，并進(jìn)行彈窗提示。

通過綜合實(shí)驗(yàn)，學(xué)員將在1553B總線單條消息傳輸?shù)幕A(chǔ)上，學(xué)習(xí)多條消息的時分制調(diào)度策略。通過一個模擬機(jī)載應(yīng)用實(shí)例，徹底掌握抽象的1553B總線傳輸層調(diào)度策略，達(dá)到預(yù)期的進(jìn)階學(xué)習(xí)效果。

5 結(jié)束語

本文結(jié)合1553B總線通信原理實(shí)際教學(xué)需求，通過三類實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目引導(dǎo)學(xué)員層層深入，有效達(dá)到掌握1553B總線通信原理的教學(xué)目標(biāo)，滿足深層次、高效率的教學(xué)需求。

在軟件使用過程中，將結(jié)合新的教學(xué)需求不斷對其進(jìn)行優(yōu)化和迭代。后續(xù)可進(jìn)一步優(yōu)化界面，完善各個實(shí)驗(yàn)功能，并可將綜合實(shí)驗(yàn)中的通信數(shù)據(jù)設(shè)為具有實(shí)際意義的物理量，添加ICD轉(zhuǎn)換這一過程。另外，還將完善各子系統(tǒng)的二級仿真界面，進(jìn)一步貼合實(shí)戰(zhàn)實(shí)裝，達(dá)到更好的教學(xué)效果。