1、1553B 总线技术概述一、1553B 总线的起源二十世纪60 年代以前，航空电子学是简单、独立的系统，航空、通信、飞行控制和显示器由模拟系统构成；信号主要由模拟电压、同-异步信号和接触式开关构成。上世纪60 年代，由导航/平显/武器瞄准系统(INS/HUD/WACS)组成的综合火控系统，配上远距空射武器，使战斗机如虎添翼。但作战信息数据总量暴涨，而设备间接口各异，互联协同难度大，成为作战效能的瓶颈。同时，由于缺乏统一标准，开发、维护和改进的成本不断上升。另一方面，为了减少系统所需要的“黑箱子”数量，在各系统之间共享信息也变得越来越需要了。随着数字技术的出现，数字计算机已应用到航空设备系统中，
2、然而需要数模转换仍限制其在此领域的广泛应用。随着技术的不断完善和发展，航空电子设备系统也变成数字化了；然而航空电子设备之间的通信仍然十分复杂和凌乱，且需要不同的硬件接口来应付不同的航空设备（如图1）；在不同的航空设备接口连线也十分复杂和混乱，安全性能也不高。为了简化这一状况，就提出了数据总线，即在不同的时刻和不同的航空电子设备之间能相互通信（如图2）。图 1 老式航空设备通讯图 2 航空设备数据总线通讯美国 SAE A2K 委员会在军方和工业界的支持下于 1968 年决定开发标准的信号多路传输系统，并于 1973 年公布了 MIL-STD-1553B 标准。1973 年的 1553B 多路传输
3、数据总线成为了未来军机将采用的技术，它取代了在传感器、计算机、指示器和其他飞机设备间传递数据的庞大设备，大大减少了飞机重量，并且使用简单、灵活，此标准的修订本于 1978年公布，即 MIL-STD-1553B 标准。1980 年，美国空军又对该标准作了局部修改和补充。该标准作为美国国防部武器系统集成和标准化管理的基础之一，被广泛的用于飞机综合航电系统、外挂物管理与集成系统，并逐步扩展到飞行控制等系统及坦克、舰船、航天等领域。它最初由美国空军用于飞机航空电子系统，目前已广泛应用于美国和欧洲海、陆、空三军，而且正在成为一种国际标准。我国于 1987 年颁布了相应的军标。二、1553B 总线的特点1
4、553B 总线是一种集中式的时分串行总线，其主要特点是分布处理、集中控制和实时响应。其可靠性机制包括防错功能、容错功能、错误的检测和定位、 错误的隔离、错误的校正、系统监控及系统恢复功能。采用双冗余系统，有两个传输通道，保证了良好的容错性和故障隔离。综合起来 1553B 总线有以下几个特点： 一是实时性好，1553B 总线的数据传输率为 1Mbps，每条消息最多包含 32 个字，传输一个固定不变的消息所需时间短。数据传输速率比一般的通讯网高。 二是合理的差错控制措施和特有的方式命令，为确保数据传输的完整性，1553B 采用了合理的差错控制措施反馈重传纠错方法。当 BC 向某一 RT 发出一个命
5、令或发送一个消息时，终端应在给定的响应时间内发回一个状态字，如果传输的消息有错，终端就拒绝发回状态字，由此报告上次消息传输无效。而特有的方式命令不仅使系统能完成数据通讯控制任务，还能检查故障情况并完成容错管理功能。三是总线效率高， 总线形式的拓扑结构对总线效率的要求比较高，为此 1553B 对涉及总线效率指标的某些强制性要求如命令响应时间、消息间隔时间以及每次消息传输的最大和最小数据块的长度都有严格限制。 四是具有命令/响应以及 “广播”通讯方式，BC 能够以“ 广播”方式向所有 RT 发送一个时间同步消息，这样总线上的所有消息传输都由总线控制器发出的指令来控制，相关终端对指令应给予响应并执行
6、操作。这种方式非常适合集中控制的分布式处理系统。但 1553B 总线价格高昂，限制了它在工业领域的普遍性应用。三、1553B 总线的传输机制1553B总线上的信息是以消息(Message) 的形式调制成曼彻斯 *进行传输的。每条消息最长由32个字组成，所有的字分为三类：命令字、数据字和状态字。 每个字的长度为20 位比特，且由3 部分组成：同步域（3 个比特位）、消息块（16 个比特位）和奇偶位（1 个比特位）。在同步域中（第1 到第3 位）1 个半比特位为高电平， 1 个半比特位为低电平；命令字和状态字在同步域中相同，先高电平再为低电平；而数据字则相反，先低电平再为高电平。在消息块中（第4
7、到第19 位）它们之间都不相同；第 20 位为奇偶位。命令字、数据字和状态字各位的定义见图3。在这三种类型的字中，命令字位于每条消息的起始部分，其内容规定了该次传输的具体要求。状态字只能由RT(远程终端) 发出，它的内容代表 RT对BC(总线控制器) 发出的有效命令的反馈。BC可以根据状态字的内容来决定下一步采取什么样的操作。数据字既可以由BC传输到某RT，也可以从某 RT传输至BC，或者从某RT传输到另一RT，它的内容代表传输的数据。1553B总线上消息传输的过程是:总线控制器向某一终端发布一个接收/ 发送指令，终端在给定的响应时间范围内发回一个状态字并执行消息的接收/ 发送。BC通过验收R
8、T回答的状态字来检验传输是否成功并做后续的操作。消息是构成1553B总线通讯的基本单位，如果需要完成一定的功能，就要将多个消息组织起来，形成一个新的结构叫做帧(Frame)。帧的结构示意图见图 4。在图中，完成一个消息的时间称为消息时间，两个消息之间的间隔称为消息间隔时间，完成一个帧的时间称为帧时间。在实际应用中这三种时间都是可以通过编程设置的。帧传输方式可分为两部分：帧传输方式和广播帧传输方式。在帧传输方式中有六种帧传输格式，分别为BC 到RT、RT 到BC、RT 到RT 和命令模式三种（即不带数据的命令模式、带数据发送的命令模式和带数据接受的命令模式）；在广播帧传输方式中有四种广播帧传输格
9、式，分别为BC 到RT、 RT 到 RT 和广播命令模式二种（不带数据的广播命令模式和带数据的广播命令模式）。图 3 命令字、数据字和状态字各位的定义图 4 帧的结构示意图四、1553B 总线的优点1、线性局域网络结构 合理的拓扑结构使得 1553B 总线成为航空系统或地面车辆系统中分布式设备的理想连接方式。与点对点连接 相比，它减少了所需电缆、所需空间和系统的重量。便于维护，易于增加或删除节点，提高设计灵活性。2、冗余容错能力 由于其固有的双通道设计，1553B 总线通过在两个通道间自动切换来获得冗余容错能力，提高可靠性。通道的自动切换对软件透明。3、支持“哑 ”节点和“智能” 节点 155
10、3B 总线支持非智能的远程终端。这种远程终端提供与传感器和激励器的连接接口。十分适合智能中央处理模块和分布式从属设备的连接。4、高水平的电器保障性能 由于采用了电气屏蔽和总线耦合方式，每个节点都能够安全地与网络隔离；减少了潜在的损坏计算机等设备的可能性。5、良好的器件可用性 1553B 总线器件的制造工艺满足了大范围温度变化以及军标的要求。器件的商品化使得 1553B 总线得以广泛地应用在苛刻环境的项目当中。6、保证了的实时可确定性 1553B 总线的命令/响应的协议方式保证了实时的可确定性。这可能是大多数系统设计者在设计使命关键系统中选择 1553B 总线的最主要的原因。五、1553B 总线
11、的发展现状基于军事上的需要，现在武器上的电子设备不断增加，如何将电子设备加以有效的综合，从而使之达到资源和功能的综合已成为武器发展的必然要求。武器综合电子系统的基础就是采用数据总线结构，利用数据总线使处理机（包括硬件和软件）、信息传输以及控制显示 3 个分系统为各种任务所共用。这样就具有以下优点：减少武器设备体积和重量，提高武器系统可靠性，降低成本，提高检测精度等。现代武器对本身通信系统的要求一般有以下几点：一是能有效实现各子系统之间的数据传输，且满足特定的通信特性;二是通信子系统相对独立地工作，对应用软件尽可能透明，且占用主机的时间尽可能少。三是通信系统灵活，易于修改。四是通信子系统具有较强
12、的抗干扰能力。而 1553B 总线的优良性能恰好能满足上面几点要求，从而使其在现代武器系统中得到了越来越多的重视，已成为战车、舰船、飞机等武器平台上电子系统的主要工作支柱。航空电子系统通常包括十多个机载计算机子系统，如何有效的实现各子系统之间的数据通信对整个航空系统的成败无疑起着关键性的作用。自 1973 年美国公布了军用标准MILSTD 1553B 总线后，它就迅速的被应用于空军，在 F16 、F18、B1 和AVSB 等多种飞机上得到应用。1553B 总线在武器通信系统应用中的关键技术一般有以下几条：一是总线接口硬件和软件设计。采用接口卡或接口控制器形式与武器各子系统的硬件连接。同时，需要
13、编写相应的通信控制软件，包括传输层软件和驱动层软件，通过信息和资源的共享，按照武器的作战目标，在应用层上真正实现功能的综合。二是接口控制文件（Interface Control Document 缩写 ICD）。ICD 由通过 1553B 数据总线在武器各电子设备之间互联的接口信号组成。根据武器的控制策略和控制目标，必须编写符合要求的 ICD 文件，确定总线上传输的周期性数据和随机数据。只有这样才能确定数据流之间的相互关系，高效率的实现功能的综合，有效提升武器的作战性能。三是总线表。总线表是指一个周期内所有可能传输的总线命令集。根据武器平台的控制要求，确定一个周期内传输的命令和消息队列，按照大
14、小周期划分时间片，对消息队列进行排序和优化，使总线负载达到平衡，提高总线的利用率和数据传输的实时性。图 5 战机 1553B 总线结构我国军队正处在由机械化到信息化的发展阶段，我国新型战斗机已经全面换装GJB289A(MIL-STD-1553B)数据总线，如：歼八 II、歼 11、“山鹰“ 号新一代教练机、FC-1 等，我国军舰也正在采用 MIL-STD-1553B 数据总线，例如 167 驱逐舰。其它武器平台也将逐步采用 GJB289A(MIL-STD-1553B)数据总线。在航天方面，我国已经将 MIL-STD-1553B 数据总线应用到卫星/飞船的应用系统中，并取得了一定成果。利用 MIL-STD-1553B 数据总线不仅可以将卫星/飞船的各个分系统有机结合起来，而且大大提高了系统的可扩展性与可维护性。例如：GX-1 卫星就采用了MIL-STD-1553B 数据总线。可以预见, MIL-STD-1553B 总线将在航天领域得到广泛的应用未来的十年到十五年内，MIL-STD-1553B 仍将是国内航空航天的主要航电总线之一。随着现代航电综合化要求的加强，航电通讯系统的重要性不断提高， MIL-STD-1553B 作为目前首选的航电总线，其关键作用也日益突出。
