1553B總線(xiàn)在武器通信中的應用探討

摘要：由于1553B總線(xiàn)良好的特性，在現代武器系統中，1553B總線(xiàn)正發(fā)揮著(zhù)越來(lái)越重要的作用。本文介紹了1553B總線(xiàn)的特點(diǎn)和消息傳輸機制，并對其在武器通信中的應用情況進(jìn)行了探討。 
關(guān)鍵字：1553B總線(xiàn)；武器；消息傳輸；通信；應用   

 1  引言 
    隨著(zhù)科技的發(fā)展及戰爭的需要，戰車(chē)、艦船、飛機等武器平臺上電子設備越來(lái)越多，越來(lái)越復雜，于是將電子設備按一定的協(xié)議聯(lián)網(wǎng)加以有效地綜合，使之達到資源和功能共享已成為必然的要求。電子綜合的支撐技術(shù)是聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，而武器平臺上的聯(lián)網(wǎng)技術(shù)不同于一般的局域網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，它特別強調網(wǎng)絡(luò )的可靠性和實(shí)時(shí)性。1553B總線(xiàn)最初是在七十年代末為適應飛機的發(fā)展由美國提出的飛機內部電子系統聯(lián)網(wǎng)標準，其后由于它的高可靠性和靈活性而在其他的機動(dòng)武器平臺上也得到了較廣泛的應用。 
2  1553B總線(xiàn)簡(jiǎn)介 
    1553B總線(xiàn)是MIL－STD－1553B的簡(jiǎn)稱(chēng)，其全稱(chēng)是飛機內部時(shí)分制指令響應式多路傳輸數據總線(xiàn)。由于其傳輸速率高，設備之間連接簡(jiǎn)單靈活，噪聲容限高，通信效率高而且可靠，為美軍標所采用，將其作為機載設備相互通信的總線(xiàn)標準。從推出到現在，經(jīng)過(guò)三十年的發(fā)展，1553B總線(xiàn)技術(shù)也在不斷的改進(jìn)。目前1553B總線(xiàn)已經(jīng)成為在航空航天領(lǐng)域占統治地位的總線(xiàn)標準。 
    1553B總線(xiàn)是一種集中式的時(shí)分串行總線(xiàn)，其主要特點(diǎn)是分布處理、集中控制和實(shí)時(shí)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(gè)傳輸通道，保證了良好的容錯性和故障隔離。綜合起來(lái)1553B總線(xiàn)有以下幾個(gè)優(yōu)良特點(diǎn)： 
   (1)實(shí)時(shí)性好，1553B總線(xiàn)的傳輸碼速率為1Mbps，每條消息最多包含32個(gè)字，傳輸一個(gè)固定不變的消息所需時(shí)間短。數據傳輸速率比一般的通訊網(wǎng)高。 
    (2)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。當總線(xiàn)控制器BC向某一終端RT發(fā)出一個(gè)命令或發(fā)送一個(gè)消息時(shí)，終端應在給定的響應時(shí)間內發(fā)回一個(gè)狀態(tài)字，如果傳輸的消息有錯，終端就拒絕發(fā)回狀態(tài)字，由此報告上次消息傳輸無(wú)效。而方式命令不僅使系統能完成數據通訊控制任務(wù)，還能調查故障情況并完成容錯管理功能。 
    (3)總線(xiàn)效率高， 總線(xiàn)形式的拓撲結構對總線(xiàn)效率的要求比較高，為此1553B對涉及總線(xiàn)效率指標的某些強制性要求如命令響應時(shí)間、消息間隔時(shí)間以及每次消息傳輸的最大和最小數據塊的長(cháng)度都有嚴格限制。 
    (4)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(fā)送一個(gè)時(shí)間同步消息，這樣總線(xiàn)上的所有消息傳輸都由總線(xiàn)控制器發(fā)出的指令來(lái)控制，相關(guān)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。 
3  1553B總線(xiàn)消息傳輸機制 
    1553B總線(xiàn)上的信息是以消息(Message)的形式調制成曼徹斯特碼進(jìn)行傳輸的。每條消息最長(cháng)由32個(gè)字組成，所有的字分為三類(lèi):命令字、數據字和狀態(tài)字。每類(lèi)字的一個(gè)字長(cháng)為20位，有效信息位是16位，每個(gè)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(xiàn)上以曼徹斯特碼的形式進(jìn)行傳輸，傳輸一位的時(shí)間為1 S(即碼速率為1MHz)。同步字頭占3位，先正后負為命令字和狀態(tài)字，先負后正為數據字。 
    在這三種類(lèi)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(tài)字只能由RT發(fā)出，它的內容代表RT對BC發(fā)出的有效命令的反饋。BC可以根據狀態(tài)字的內容來(lái)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。 
    命令字，數據字以及狀態(tài)字各位的定義見(jiàn)圖1  
  
    1553B總線(xiàn)上消息傳輸的過(guò)程是:總線(xiàn)控制器向某一終端發(fā)布一個(gè)接收/發(fā)送指令，終端在給定的響應時(shí)間范圍內發(fā)回一個(gè)狀態(tài)字并執行消息的接收/發(fā)送。BC通過(guò)驗收RT回答的狀態(tài)字來(lái)檢驗傳輸是否成功并做后續的操作。 
    消息是構成1553B總線(xiàn)通訊的基本單位，如果需要完成一定的功能，就要將多個(gè)消息組織起來(lái)，形成一個(gè)新的結構叫做幀(Frame)。幀的結構見(jiàn)圖2。在圖中，完成一個(gè)消息的時(shí)間稱(chēng)為消息時(shí)間，兩個(gè)消息之間的間隔稱(chēng)為消息間隔時(shí)間，完成一個(gè)幀的時(shí)間稱(chēng)為幀時(shí)間。在實(shí)際應用中這三種時(shí)間都是可以通過(guò)編程設置的。  
  
4 1553B總線(xiàn)在武器通信中的應用 
    如前所述，現在武器上的電子設備不斷增加，如何將這些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(fā)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(xiàn)結構，利用數據總線(xiàn)使處理機（包括硬件和軟件）、信息傳輸以及控制顯示3個(gè)分系統為各種任務(wù)所共用。這樣就具有以下優(yōu)點(diǎn)：減少武器設備體積和重量，減輕乘員工作負擔，提高武器系統可靠性，降低成本，提高檢測精度，增強系統的自治性等等?，F代武器對系統通信的要求一般有以下幾點(diǎn)： 
    a、能有效實(shí)現各子系統之間的數據傳輸，且滿(mǎn)足特定的通信特性; 
     b、使通信相對獨立地工作，對應用軟件盡可能透明，且對主機的時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)盡可能少; 
     c、使通信系統靈活，易于修改。 
     d、具有較強的抗干擾能力。 
    而1553B總線(xiàn)的優(yōu)良性能恰好能滿(mǎn)足上面幾點(diǎn)，從而使其在現代武器系統中得到了越來(lái)越多的重視，已成為戰車(chē)、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(gè)機載計算機子系統，如何有效的實(shí)現各子系統之間的數據通信對整個(gè)航空系統的成敗無(wú)疑起著(zhù)關(guān)鍵性的作用。自1973年美國公布了軍用標準MIL－STD－1553B總線(xiàn)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。圖3就是1553B總線(xiàn)在戰機中的通信應用模型示意圖：  
  
    目前世界上可以作為軍用標準和專(zhuān)門(mén)的艦用戰術(shù)數據總線(xiàn)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(zhì)有同軸電纜、屏蔽雙絞線(xiàn)、光纜等，通過(guò)變壓器藕合或直接藕合方式把終端藕合到總線(xiàn)上去。這種數據總線(xiàn)的傳輸速率、傳輸距離、遠程終端數，能較好的滿(mǎn)足各類(lèi)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(chē)輛及各類(lèi)戰車(chē)作為陸軍地面武器的作戰平臺，經(jīng)常工作在強振動(dòng)、高噪音、粉塵多，溫度變化大的惡劣環(huán)境中。因此，其內部電子設備間的數據通信要求通過(guò)嚴格的故障檢測，以達到高的可靠性、殘存性和容錯能力。在實(shí)時(shí)性方面，動(dòng)力系統一體化控制要分別對發(fā)動(dòng)機和變速器進(jìn)行控制，二者之間的數據通信要求一條消息的最大響應時(shí)間一般不能超過(guò) ，這樣才能實(shí)現對發(fā)動(dòng)機和變速器的實(shí)時(shí)控制，從而提高整個(gè)動(dòng)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(xié)議簡(jiǎn)單性、短幀信息傳輸、信息交換的頻繁性、網(wǎng)絡(luò )負載的穩定性、高安全性和性?xún)r(jià)比等。1553B總線(xiàn)具有高的可靠性和很好的實(shí)時(shí)性，對于動(dòng)力傳動(dòng)一體化控制這種數據通信種類(lèi)多、數據量大、實(shí)時(shí)性要求較高、網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)少的系統，1553B總線(xiàn)比現有的絕大多數總線(xiàn)具有更好的性能優(yōu)勢 
    1553B總線(xiàn)在武器通信應用中的關(guān)鍵技術(shù)一般有以下幾點(diǎn)： 
    1）總線(xiàn)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(shí)，需要編寫(xiě)相應的通信控制軟件，包括傳輸層軟件和驅動(dòng)層軟件，通過(guò)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(shí)現功能的綜合。 
    2）接口控制文件（ICD）。ICD由通過(guò)1553B數據總線(xiàn)在武器各電子設備之間互聯(lián)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(xiě)符合要求的ICD文件，確定總線(xiàn)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(guān)系，高效率的實(shí)現功能的綜合，有效提升武器的作戰性能。 
    3）總線(xiàn)表?？偩€(xiàn)表是指一個(gè)周期內所有可能傳輸的總線(xiàn)命令集。根據武器平臺的控制要求，確定一個(gè)周期內傳輸的命令和消息隊列，按照大小周期劃分時(shí)間片，對消息隊列進(jìn)行排序和優(yōu)化，使總線(xiàn)負載達到平衡，提高總線(xiàn)的利用率和數據傳輸的實(shí)時(shí)性。 
5  結論 
    武器系統是一個(gè)復雜的系統，而且空間狹窄，它對數據通信的實(shí)時(shí)性、可靠性以及抗干擾能力都要求甚高。1553B 總線(xiàn)由于傳輸速率高、可靠性高、實(shí)時(shí)性好等優(yōu)點(diǎn)在武器系統中得到了較廣泛的應用。但1553B 總線(xiàn)價(jià)格高昂，限制了它在工業(yè)領(lǐng)域的進(jìn)一步應用。 
參考文獻 
[1]《MIL－STD－1553 DESIGNER’S GUIDE》.DDC公司.[S].USA.1998 
[2]劉桂山，胡軍程.《1553B總線(xiàn)信息流設計》.《北京理工大學(xué)學(xué)報》，第23卷第3期2003年6月 
[3]徐亞軍，熊華鋼，《基于PCI的1553B總線(xiàn)接口卡的設計與實(shí)現》，《遙測遙控》，2002年3月 
[4]王世奎.《航空電子通信系統關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題的淺析》.《航空計算技術(shù)》.第31卷第4期2001年12月