一種1553B 總線原理教學(xué)訓(xùn)練系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

李 良， 李亭亭， 黃家彬， 楊遠科， 郝煒亮

（96921 部隊， 北京 100020）

0 引言

20 世紀60 年代的機載電子系統(tǒng)設(shè)備之間通過龐雜的電纜束進行連接，隨著機載電子系統(tǒng)要求提升和功能增加， 傳統(tǒng)點對點電纜通信方式將會占用很大的空間和重量，對傳輸線的定義和測試較為復(fù)雜，故障率也比較高。為了解決這一問題，美國于1973 年研制出1553B 多路傳輸數(shù)據(jù)總線，它取代了在傳感器、控制器和其它單機設(shè)備間傳遞數(shù)據(jù)的大量電纜及中間裝置，減輕了設(shè)備重量，使得系統(tǒng)可擴展性好，系統(tǒng)的自治性增強。 隨著1553B 總線的優(yōu)越性的不斷體現(xiàn)和設(shè)備的迭代升級，國內(nèi)很多領(lǐng)域也開始將1553B 協(xié)議用到機電設(shè)備中。 為了使操作人員更好的掌握高度集成設(shè)備原理，更快的分析排除故障，設(shè)計一種1553B 總線原理教學(xué)訓(xùn)練系統(tǒng)顯得尤為緊迫和至關(guān)重要。 本文將闡述一種軟硬件可裁剪、可擴展的1553B 總線原理教學(xué)訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計思路和實現(xiàn)方式，訓(xùn)練內(nèi)容可根據(jù)用戶實際需求進行軟硬件配置和更新，以便使用人員盡快生成設(shè)備操作使用和維護維修能力。

1 1553B 總線原理教學(xué)訓(xùn)練系統(tǒng)功能

1553B 總線原理教學(xué)訓(xùn)練系統(tǒng)主要用于熟悉設(shè)備原理和提升操作技能，深入理解基于1553B 總線通信設(shè)備的閉環(huán)控制數(shù)據(jù)流和設(shè)備故障， 為故障定位打下理論和實踐基礎(chǔ)。 功能包括四個部分： 一是認知1553B 總線。 直觀認知1553B 總線電纜、終端電阻、耦合器、1553B 接口電路板、協(xié)議芯片以及整個通信鏈路的硬件實現(xiàn)， 還可以通過示波器直觀分析總線通信協(xié)議；二是實現(xiàn)操作訓(xùn)練功能。通過仿真各單機之間的數(shù)據(jù)通信及操作控制， 熟悉操作流程和安全注意事項；三是與操作同步的設(shè)備原理演示功能。與操作流程同步顯示設(shè)備原理，做到邊操作邊學(xué)習(xí)，另外開發(fā)多媒體素材庫，用于離線學(xué)習(xí)設(shè)備原理和新技術(shù)；四是與操作同步的實時故障解析功能。在操作的同時，同步顯示設(shè)備故障代碼及含義，追根溯源，理解設(shè)備發(fā)生故障的原理機理。

2 原理教學(xué)訓(xùn)練系統(tǒng)硬件組成

該系統(tǒng)主要包括硬件和軟件兩大部分， 通過1553B總線搭建通信鏈路， 實現(xiàn)測試設(shè)備和仿真單機之間數(shù)據(jù)通信以及相關(guān)測試功能。 硬件組成架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 1553B 總線原理教學(xué)訓(xùn)練系統(tǒng)總體硬件組成

2.1 總體硬件組成

1553B 總線原理教學(xué)訓(xùn)練系統(tǒng)硬件主要包括4 臺仿真單機、1 臺測試操作的中心計算機、1 臺故障解析計算機、1臺測試原理同步演示計算機、1 臺深化原理學(xué)習(xí)計算機、網(wǎng)絡(luò)交換機、示波器、顯示系統(tǒng)和視頻切換組件等。 該系統(tǒng)用網(wǎng)絡(luò)交換機將中心計算機、故障解析計算機和測試原理同步解析計算機構(gòu)建成局域網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)將中心計算機的測試控制信息與故障解析計算機、測試原理同步解析計算機互聯(lián)互通， 達到故障實時解析和原理同步顯示的設(shè)計目的。示波器用于抓取1553B 通信協(xié)議，協(xié)助分析設(shè)備故障。

2.2 仿真單機網(wǎng)絡(luò)拓撲

該系統(tǒng)共包括4 臺為實現(xiàn)特定功能的仿真單機，每臺仿真單機主要包括DSP-1553B 主控模塊、 電源模塊和功能模塊等。在仿真單機設(shè)計時，采取硬件基本通用、軟件定制的原則進行。標準的硬件接口使得插卡易拆卸、易拓展，可根據(jù)用戶需求設(shè)計仿真單機內(nèi)部的子功能板卡，從而實現(xiàn)硬件功能的擴展與裁剪。仿真單機的通信鏈路采用分布式拓撲結(jié)構(gòu)，通過耦合器連接各終端設(shè)備，如圖2 所示。

圖2 設(shè)備仿真單機拓撲示意圖

線纜選擇1553B 專用的屏蔽雙絞線纜， 具有極高的安全性。 耦合器根據(jù)要求，選擇線式耦合器，耦合器樣式如圖3 所示。

圖3 線式耦合器示意圖

1553B 電纜分設(shè)A 總線和B 總線兩條冗余電纜，兩條電纜形式完全相同。 每條電纜分為三段：主電纜、對接終端電阻和可選擇性插入前兩條電纜中間的總線端引出測試電纜，三者的結(jié)構(gòu)形式分別如圖4、圖5 和圖6。 主電纜由7 個單子線線耦串聯(lián)組成，左端帶固定的終端電阻，右端不帶終端電阻，但有連接“對接終端電阻”或“總線端引出測試電纜”的連接器（PL75-47）。各線耦的短截線（子線）長度均為1m。各短截線頭上的插頭，分別為連接四個仿真單機的PL75-47 連接器、連接地面中心機、執(zhí)行機構(gòu)插頭和示波器BNC 插頭。

圖4 1553B 主電纜

圖5 對接終端電阻

圖6 總線端引出測試電纜

對接終端電阻為線式終端電阻連接CJ70-47 線式插座（可與主電纜或總線端引出測試電纜的PL75-47 連接器對接），線纜長度0.1m。 總線端引出測試電纜， 用于可選擇性地插入前兩條電纜中間， 引出總線信號至示波器測試。 形式為PL75-47 連接器 （接終端電阻） 引出兩個電纜， 一根用0.3m 1553B 電纜引出接CJ70-47 連接器 （對接主電纜），另一根為1m 1553B 電纜引出接BNC 插頭（接示波器）。

2.3 仿真單機硬件組成

仿真單機實現(xiàn)1553B 總線通信和單機功能程序運行，其核心是主控模塊，它按照預(yù)定程序要求控制其它功能模塊的工作。仿真單機內(nèi)部采用模塊化設(shè)計，內(nèi)部有電源模塊、主控模塊以及預(yù)留功能模塊，各個模塊均有外形尺寸相同的鋁合金外殼包裹且各個模塊部件之間的距離相同，可進行同位替換，如圖7 所示。

圖7 仿真單機內(nèi)部布局圖

由于DSP 片內(nèi)通信資源有限且固定，F(xiàn)PGA 可以通過編程實現(xiàn)功能邏輯接口設(shè)計、外圍電路少、可擴展性高等特性， 因此主控模塊采用基于DSP+FPGA嵌入式設(shè)計方案[1-2]，位比特率為1Mbps。 1553B 通信采用DSP+FPGA+1553B 驅(qū)動芯片的設(shè)計方式，其基本設(shè)計原理如框圖8 所示。 電源模塊將外部輸入的直流電源變?yōu)閱螜C內(nèi)部需要的各種電源， 輸入電壓范圍：直流9V～36V，輸出按單機內(nèi)部板卡需要，帶過壓過流保護。

圖8 DSP-1553B 原理框圖

FPGA 芯片通過編程可以實現(xiàn)總線譯碼和1553B 總線通信功能， 也通過編程設(shè)置總線控制器BC 或遠程終端RT，完成1553B 協(xié)議規(guī)定的消息傳輸，有很強的穩(wěn)定性和檢錯能力；DSP 板載4MB FALSH 存儲器，可以對配置參數(shù)進行存儲， 主要完成數(shù)據(jù)解算和功能程序控制；1553B 驅(qū)動芯片主要實現(xiàn)對輸出信號的電平轉(zhuǎn)換，達到總線上所需電壓范圍要求。 模塊單獨預(yù)留2 路隔離RS-232/422，用于調(diào)試和控制。

2.4 教學(xué)訓(xùn)練系統(tǒng)計算機

教學(xué)訓(xùn)練系統(tǒng)計算機包括1 臺中心計算機、1 臺故障解析計算機、1 臺原理同步演示計算機和1 臺深化原理學(xué)習(xí)計算機。 在4 臺計算機中，中心計算機、故障解析機、原理演示計算機與網(wǎng)絡(luò)交換機之間組成一個局域網(wǎng)，并采取UDP 通信協(xié)議進行網(wǎng)絡(luò)通信，中心計算機作為消息發(fā)送方， 將測試信息通過網(wǎng)絡(luò)交換機發(fā)送至測試原理同步演示計算機和實時故障解析計算機。

使用人員通過操作使用中心計算機，熟悉界面流程，提高實踐動手能力。 中心計算機里面安裝有支持1553B總線通信的板卡，與仿真單機通過總線相連。

故障解析計算機接收中心計算機通過局域網(wǎng)發(fā)送的故障代碼數(shù)據(jù)，故障解析計算機軟件解析故障代碼，從而判定設(shè)備狀態(tài)，顯示設(shè)備故障或健康信息。

深化原理學(xué)習(xí)計算機為高圖形性能的計算機， 雙顯示輸出，獨立運行，不在地面局域網(wǎng)內(nèi)。 它把設(shè)備原理通過虛擬動畫、動態(tài)圖表、數(shù)據(jù)流向直觀演示，并配有語音解說和文字，方便使用人員盡快熟悉原理。

原理同步演示計算機接收中心計算機通過局域網(wǎng)發(fā)送的流程步驟，與操作流程實時同步顯示設(shè)備的實時工作原理。

2.5 顯示系統(tǒng)及投屏切換

為了達到同步顯示、任意觀看某一計算機信息，教學(xué)訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計了一套3 路雙顯示系統(tǒng)，如圖9 所示。含3 個一分二視頻分線器、3 臺桌面顯示器、1 個顯示切換模塊及配套顯示電纜。三個視頻分線器的輸入，分別連接故障解析計算機、原理演示計算機和深化原理學(xué)習(xí)計算機，每個視頻分線器的兩路輸出，一路接臺式顯示器，另一路接顯示切換模塊的一個輸入。顯示切換模塊輸出為HDMI 信號， 投到前方大屏；另單獨有1 臺中心計算機接獨立顯示器，可根據(jù)實際需求選擇投屏或不投屏，本平臺選擇不投屏。

圖9 顯示系統(tǒng)及投屏切換示意圖

3 1553B 總線原理教學(xué)訓(xùn)練系統(tǒng)軟件組成及設(shè)計

3.1 教學(xué)訓(xùn)練系統(tǒng)軟件組成

該系統(tǒng)軟件部分主要是由仿真單機內(nèi)嵌軟件、中心計算機內(nèi)嵌程序、故障解析軟件、原理同步演示軟件和深化原理學(xué)習(xí)多媒體教學(xué)軟件等組成。軟件設(shè)計總體原則是滿足當(dāng)前需求，通過少量修改可擴展至不同的應(yīng)用領(lǐng)域。

3.2 仿真單機內(nèi)嵌軟件設(shè)計

仿真單機內(nèi)嵌軟件是指主控板上運行的主控軟件，包括DSP 內(nèi)嵌的主控程序、FPGA 內(nèi)嵌的1553B 總線通信程序和功能板卡子程序。 主控程序和功能板卡上的子程序根據(jù)對象需求編寫。

1553B 總線通信程序沒有采取傳統(tǒng)的1553B 總線協(xié)議芯片，而是通過FPGA 實現(xiàn)1553B 總線通信功能，主要包括模擬收發(fā)器、 曼徹斯特編解碼器和協(xié)議處理邏輯三個子功能模塊。 模擬收發(fā)器完成FPGA 輸出信號與總線信號之間的電平轉(zhuǎn)換， 曼徹斯特編解碼器和協(xié)議處理邏輯是通信接口的程序主體。 曼徹斯特編解碼器主要完成消息字的解碼，并將其串并轉(zhuǎn)換后輸出。協(xié)議處理模塊實現(xiàn)RT、MT、BC 三種總線終端的協(xié)議處理， 主要包括數(shù)據(jù)接收部分、數(shù)據(jù)發(fā)送部分和數(shù)據(jù)緩存部分組成，此外還包括超時檢測、地址譯碼及讀寫控制、中斷管理等。

3.3 計算機教學(xué)訓(xùn)練軟件設(shè)計

故障解析軟件、測試原理同步演示軟件和深化原理學(xué)習(xí)多媒體教學(xué)軟件，均是采用Unity 3D 引擎開發(fā)的軟件系統(tǒng)框架，用C#語言進行開發(fā)設(shè)計。Unity 3D 是交互式圖形化的專業(yè)開發(fā)工具， 它有專業(yè)的物理引擎和圖像渲染引擎，支持多格式導(dǎo)入。在這三臺計算機軟件設(shè)計中，考慮到新技術(shù)更新、學(xué)習(xí)資源庫更新等后續(xù)維護需求，采取軟件框架獨立，學(xué)習(xí)資源自行配置的方式進行程序設(shè)計，通過讀取JSON 配置文件的形式加載所需學(xué)習(xí)資源。 如需改動或者增加學(xué)習(xí)內(nèi)容，只需修改配置文件即可。 軟件中使用到的三維模型均采用3Ds max 建模軟件開發(fā)完成，視頻動畫采用AE 視頻軟件或FLASH 開發(fā)制作完成， 所有素材資料包進行配音輔助講解，便于使用人員更好地學(xué)習(xí)。

中心計算機軟件主要運行測試程序， 與仿真單機和2 臺子功能計算機進行總線通信和流程控制。

4 結(jié)論

本文分析了1553B 總線原理教學(xué)訓(xùn)練系統(tǒng)的設(shè)計目的、軟硬件組成和系統(tǒng)架構(gòu)，通過少量軟件修改和仿真單機內(nèi)子功能板卡定制即可擴展至不同領(lǐng)域。通過研制后的實踐運用，這種基于1553B 總線通信網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練教學(xué)系統(tǒng)為使用人員掌握設(shè)備原理和操作技能提供了切實可行的訓(xùn)練平臺，既方便后期資源維護，也方便擴展應(yīng)用，可以為相關(guān)單位的訓(xùn)練保障條件建設(shè)提供了思路和借鑒。