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                1553B總線的特點/傳輸機制/優點/應用2022-04-12

                來源:ScilogyHunter     作者:ScilogyHunter

                一、什么是1553B總線

                1553B總線是MIL-STD-1553總線的簡稱,其中B就是BUS,MIL-STD-1553B總線是飛機內部時分制命令/響應式多路復用數據總線。1553B數據總線標準是20世紀70年代由美國公布的一種串行多路數據總線標準。1553B總線能掛31個遠置終端,1553B總線采用指令/響應型通信協議,它有三種終端類型:總線控制器(BC)、遠程終端(RT)和總線監視器(BM);信息格式有BC到RT、RT到BC、RT到RT、廣播方式和系統控制方式;傳輸媒介為屏蔽雙絞線,1553B總線耦合方式有直接耦合和變壓器耦合;1553B總線為多冗余度總線型拓撲結構,具有雙向傳輸特性,其傳輸速度為1Mbps傳輸方式為半雙工方式,采用曼徹斯特碼進行編碼傳輸。采用這種編碼方式是因為適用于變壓器耦合,由于直接耦合不利于終端故障隔離,會因為一個終端故障而造成整個總線網絡的完全癱瘓,所以其協議中明確指出不推薦使用直接耦合方式。

                在20世紀60年代以前,飛機機載電子系統沒有標準的通用數據通道,各個電子設備單元之間連接往往需要大量的電纜。隨著機載電子系統的不斷復雜化,這種通信方式所用的電纜將會占用很大的空間和重量,而且對傳輸線的定義和測試也較為復雜,費用較高。為了解決這一問題,美國SAEA2K委員會在軍方和工業界的支持下于1968年決定開發標準的信號多路傳輸系統,并于1973年公布了MIL-STD-1553B標準。1973年的1553B多路傳輸數據總線成為了未來軍機將采用的技術,它取代了在傳感器、計算機、指示器和其他飛機設備間傳遞數據的龐大設備,大大減少了飛機重量,并且使用簡單、靈活,此標準的修訂本于1978年公布,即MIL-STD-1553B標準。1980年,美國空軍又對該標準作了局部修改和補充。該標準作為美國國防部武器系統集成和標準化管理的基礎之一,被廣泛的用于飛機綜合航電系統、外掛物管理與集成系統,并逐步擴展到飛行控制等系統及坦克、艦船、航天等領域。它最初由美國空軍用于飛機航空電子系統,目前已廣泛應用于美國和歐洲海、陸、空三軍,而且正在成為一種國際標準。我國于1987年頒布了相應的軍標。

                二、1553B總線的特點

                1553B總線是一種集中式的時分串行總線,其主要特點是分布處理、集中控制和實時響應。其可靠性機制包括防錯功能、容錯功能、錯誤的檢測和定位、錯誤的隔離、錯誤的校正、系統監控及系統恢復功能。采用雙冗余系統,有兩個傳輸通道,保證了良好的容錯性和故障隔離。綜合起來1553B總線有以下幾個特點:

                一是實時性好,1553B總線的數據傳輸率為1Mbps,每條消息最多包含32個字,傳輸一個固定不變的消息所需時間短。數據傳輸速率比一般的通訊網高。

                二是合理的差錯控制措施和特有的方式命令,為確保數據傳輸的完整性,1553B采用了合理的差錯控制措施――反饋重傳糾錯方法。當BC向某一RT發出一個命令或發送一個消息時,終端應在給定的響應時間內發回一個狀態字,如果傳輸的消息有錯,終端就拒絕發回狀態字,由此報告上次消息傳輸無效。而特有的方式命令不僅使系統能完成數據通訊控制任務,還能檢查故障情況并完成容錯管理功能。

                三是總線效率高,總線形式的拓撲結構對總線效率的要求比較高,為此1553B對涉及總線效率指標的某些強制性要求如命令響應時間、消息間隔時間以及每次消息傳輸的最大和最小數據塊的長度都有嚴格限制。

                四是具有命令/響應以及“廣播”通訊方式,BC能夠以“廣播”方式向所有RT發送一個時間同步消息,這樣總線上的所有消息傳輸都由總線控制器發出的指令來控制,相關終端對指令應給予響應并執行操作。這種方式非常適合集中控制的分布式處理系統。但1553B總線價格高昂,限制了它在工業領域的普遍性應用。

                三、1553B總線消息傳輸機制

                1553B總線上的信息是以消息(Message)的形式調制成曼徹斯特碼進行傳輸的。每條消息最長由32個字組成,所有的字分為三類:命令字、數據字和狀態字。每類字的長度為20位,有效信息位是16位,每個字的前3位為單字的同步字頭,而最后1位是奇偶校驗位。有效信息(16位)及奇偶校驗位在總線上以曼徹斯特碼的形式進行傳輸,傳輸一位的時間為1us(即碼速率為1MHz)。同步字頭占3位,先正后負為命令字和狀態字,先負后正為數據字。

                在這三種類型的字中,命令字位于每條消息的起始部分,其內容規定了該次傳輸的具體要求。狀態字只能由RT發出,它的內容代表RT對BC發出的有效命令的反饋。BC可以根據狀態字的內容來決定下一步采取什么樣的操作。數據字既可以由BC傳輸到某RT,也可以從某RT傳輸至BC,或者從某RT傳輸到另一RT,它的內容代表傳輸的數據。

                1553B總線上消息傳輸的過程是:總線控制器向某一終端發布一個接收/發送指令,終端在給定的響應時間范圍內返回一個狀態字并執行消息的接收/發送。BC通過驗收RT回答的狀態字來檢驗傳輸是否成功并做后續的操作。

                消息是構成1553B總線通訊的基本單位,如果需要完成一定的功能,就要將多個消息組織起來,形成一個新的結構叫做幀(Frame)。幀的結構見圖2。在圖中,完成一個消息的時間稱為消息時間,兩個消息之間的間隔稱為消息間隔時間,完成一個幀的時間稱為幀時間。在實際應用中這三種時間都是可以通過編程設置的。

                四、1553B總線在武器通信中的應用

                基于軍事上的需要,現在武器上的電子設備不斷增加,如何將電子設備加以有效的綜合,從而使之達到資源和功能的綜合已成為武器發展的必然要求。武器綜合電子系統的基礎就是采用數據總線結構,利用數據總線使處理機(包括硬件和軟件)、信息傳輸以及控制顯示3個分系統為各種任務所共用。這樣就具有以下優點:減少武器設備體積和重量,提高武器系統可靠性,降低成本,提高檢測精度等?,F代武器對本身通信系統的要求一般有以下幾點:

                能有效實現各子系統之間的數據傳輸,且滿足特定的通信特性;

                通信子系統相對獨立地工作,對應用軟件盡可能透明,且占用主機的時間盡可能少。

                通信系統靈活,易于修改。

                通信子系統具有較強的抗干擾能力。

                而1553B總線的優良性能恰好能滿足上面幾點要求,從而使其在現代武器系統中得到了越來越多的重視,已成為戰車、艦船、飛機等武器平臺上電子系統的主要工作支柱。

                航空電子系統通常包括十多個機載計算機子系統,如何有效的實現各子系統之間的數據通信對整個航空系統的成敗無疑起著關鍵性的作用。自1973年美國公布了軍用標準MIL-STD-1553B總線后,它就迅速的被應用于空軍,在F-16、F-18、B-1和AV-SB等多種飛機上得到應用。

                目前世界上可以作為軍用標準和專門的艦用戰術數據總線有許多種,但使用的最多的還是當推美國的MIL-STD-1553B。1553B的傳輸介質有同軸電纜、屏蔽雙絞線、光纜等,通過變壓器藕合或直接藕合方式把終端藕合到總線上去。這種數據總線的傳輸速率、傳輸距離、遠程終端數,能較好的滿足各類中小型艦艇以及潛艇系統通信的要求,故應用十分普及。

                軍用車輛及各類戰車作為陸軍地面武器的作戰平臺,經常工作在強振動、高噪音、粉塵多,溫度變化大的惡劣環境中。因此,其內部電子設備間的數據通信要求通過嚴格的故障檢測,以達到較高的可靠性、殘存性和容錯能力。在實時性方面,動力系統一體化控制要分別對發動機和變速器進行控制,二者之間的數據通信要求一條消息的最大響應時間一般極短,這樣才能實現對發動機和變速器的實時控制,從而提高整個動力系統的綜合性能。此外,還有一些對數據通信的特殊要求,如協議簡單性、短幀信息傳輸、信息交換的頻繁性、網絡負載的穩定性、高安全性和性價比高等。1553B總線具有很高的可靠性和很好的實時性,對于動力傳動一體化控制這種數據通信種類多、數據量大、實時性要求較高、網絡節點少的系統,1553B總線比現有的絕大多數總線具有更多的性能優勢。

                1553B總線在武器通信系統應用中的關鍵技術一般有以下幾條:

                一是總線接口硬件和軟件設計。采用接口卡或接口控制器形式與武器各子系統的硬件連接。同時,需要編寫相應的通信控制軟件,包括傳輸層軟件和驅動層軟件,通過信息和資源的共享,按照武器的作戰目標,在應用層上真正實現功能的綜合。

                二是接口控制文件(InterfaceControlDocument縮寫ICD)。ICD由通過1553B數據總線在武器各電子設備之間互聯的接口信號組成。根據武器的控制策略和控制目標,必須編寫符合要求的ICD文件,確定總線上傳輸的周期性數據和隨機數據。只有這樣才能確定數據流之間的相互關系,高效率的實現功能的綜合,有效提升武器的作戰性能。

                三是總線表??偩€表是指一個周期內所有可能傳輸的總線命令集。根據武器平臺的控制要求,確定一個周期內傳輸的命令和消息隊列,按照大小周期劃分時間片,對消息隊列進行排序和優化,使總線負載達到平衡,提高總線的利用率和數據傳輸的實時性。

                五、1553B總線的優點

                線性局域網絡結構

                合理的拓撲結構使得1553B總線成為航空系統或地面車輛系統中分布式設備的理想連接方式。與點對點連接相比,它減少了所需電纜、所需空間和系統的重量。便于維護,易于增加或刪除節點,提高設計靈活性。

                冗余容錯能力

                由于其固有的雙通道設計,1553B總線通過在兩個通道間自動切換來獲得冗余容錯能力,提高可靠性。通道的自動切換對軟件透明。

                支持“啞”節點和“智能”節點

                1553B總線支持非智能的遠程終端。這種遠程終端提供與傳感器和激勵器的連接接口。十分適合智能中央處理模塊和分布式從屬設備的連接。

                高水平的電器保障性能由于采用了電氣屏蔽和總線耦合方式,每個節點都能夠安全地與網絡隔離;減少了潛在的損壞計算機等設備的可能性。

                良好的器件可用性

                1553B總線器件的制造工藝滿足了大范圍溫度變化以及軍標的要求。器件的商品化使得1553B總線得以廣泛地應用在苛刻環境的項目當中。

                保證了的實時可確定性1553B總線的命令/響應的協議方式保證了實時的可確定性。這可能是大多數系統設

                六、1553B技術發展情況

                MIL-STD-1553B總線具有高速、靈活的特點,通信效率高,修改、擴充和維護簡便。下面列舉一些數據:MIL-STD-1553B是數字命令/響應式時分制多路傳輸數據總線,傳輸速率1M比特/秒,足以滿足第三代作戰飛機的要求;字長度20比特,數據有效長度16比特;半雙工傳輸方式,雙冗余故障容錯方式,傳輸媒介為屏蔽雙絞線。1553B總線的冗余度設計,提高了子系統和全系統的可靠性??偩€本身(包括總線控制器、雙絞線、偶合器等)平均無故障工作時間超過10,000小時,在全系統中基本可忽略其故障率,比殲-8Ⅱ原有聯結方式好得多。同時可以省去殲-8Ⅱ設備間復雜繁瑣的點對點聯結,僅此一項可令全電子系統的重量減輕約5%,并節省空間、功耗。數字傳輸方式與傳統的模電方式相比,速度更快、反應時間更短、保密性更好、抗干擾能力更強,能充分發揮火控設備性能。字差錯率小于千萬分之一。在后勤維護方面,標準的接口、插卡非常容易拆卸,可以方便的通過數字式工具進行測試/虛擬。經測試僅地面測試一項,就可比以往減少30%的維護工時。1553B協議最初是為空軍設計的,隨著1553B總線的優越性的不斷體現和武器裝備的升級換代,1553B協議已應用到各個兵種,在陸軍和海軍的武器和維護系統中已開始采用1553B總線。隨著國防現代化的建設和武器系統的升級換代,我軍也開始將1553B協議大量的應用到武器系統的設計中。


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