1553B总线在武器通信中的应用探讨

摘要：由于1553B总线良好的特性，在现代武器系统中，1553B总线正发挥着越来越重要的作用。本文介绍了1553B总线的特点和消息传输机制，并对其在武器通信中的应用情况进行了探讨。
关键字：1553B总线；武器；消息传输；通信；应用  

 1  引言
    随着科技的发展及战争的需要，战车、舰船、飞机等武器平台上电子设备越来越多，越来越复杂，于是将电子设备按一定的协议联网加以有效地综合，使之达到资源和功能共享已成为必然的要求。电子综合的支撑技术是联网技术，而武器平台上的联网技术不同于一般的局域网络技术，它特别强调网络的可靠性和实时性。1553B总线最初是在七十年代末为适应飞机的发展由美国提出的飞机内部电子系统联网标准，其后由于它的高可靠性和灵活性而在其他的机动武器平台上也得到了较广泛的应用。
2  1553B总线简介
    1553B总线是MIL－STD－1553B的简称，其全称是飞机内部时分制指令响应式多路传输数据总线。由于其传输速率高，设备之间连接简单灵活，噪声容限高，通信效率高而且可靠，为美军标所采用，将其作为机载设备相互通信的总线标准。从推出到现在，经过三十年的发展，1553B总线技术也在不断的改进。目前1553B总线已经成为在航空航天领域占统治地位的总线标准。
    1553B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总线有以下几个优良特点：
   (1)实时性好，1553B总线的传输码速率为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。
    (2)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。当总线控制器BC向某一终端RT发出一个命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。而方式命令不仅使系统能完成数据通讯控制任务，还能调查故障情况并完成容错管理功能。
    (3)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。
    (4)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操作。这种方式非常适合集中控制的分布式处理系统。
3  1553B总线消息传输机制
    1553B总线上的信息是以消息(Message)的形式调制成曼彻斯特码进行传输的。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。每类字的一个字长为20位，有效信息位是16位，每个字的前3位为单字的同步字头，而最后1位是奇偶校验位。有效信息(16位)及奇偶校验位在总线上以曼彻斯特码的形式进行传输，传输一位的时间为1 S(即码速率为1MHz)。同步字头占3位，先正后负为命令字和状态字，先负后正为数据字。
    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发出，它的内容代表RT对BC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。
    命令字，数据字以及状态字各位的定义见图1 
 
    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RT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)。帧的结构见图2。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。 
 
4 1553B总线在武器通信中的应用
    如前所述，现在武器上的电子设备不断增加，如何将这些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，减轻乘员工作负担，提高武器系统可靠性，降低成本，提高检测精度，增强系统的自治性等等。现代武器对系统通信的要求一般有以下几点：
    a、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;
     b、使通信相对独立地工作，对应用软件尽可能透明，且对主机的时间开销尽可能少;
     c、使通信系统灵活，易于修改。
     d、具有较强的抗干扰能力。
    而1553B总线的优良性能恰好能满足上面几点，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MIL－STD－1553B总线后，它就迅速的被应用于空军，在F－16、F－18、B－1和AV－SB等多种飞机上得到应用。图3就是1553B总线在战机中的通信应用模型示意图： 
 
    目前世界上可以作为军用标准和专门的舰用战术数据总线有许多种，但使用的最多的还是当推美国的MIL－STD－1553B。1553B的传输介质有同轴电缆、屏蔽双绞线、光缆等，通过变压器藕合或直接藕合方式把终端藕合到总线上去。这种数据总线的传输速率、传输距离、远程终端数，能较好的满足各类中小型舰艇以及潜艇系统通信的要求，故应用十分普及。
    军用车辆及各类战车作为陆军地面武器的作战平台，经常工作在强振动、高噪音、粉尘多，温度变化大的恶劣环境中。因此，其内部电子设备间的数据通信要求通过严格的故障检测，以达到高的可靠性、残存性和容错能力。在实时性方面，动力系统一体化控制要分别对发动机和变速器进行控制，二者之间的数据通信要求一条消息的最大响应时间一般不能超过 ，这样才能实现对发动机和变速器的实时控制，从而提高整个动力系统的综合性能。此外，还有一些对数据通信的特殊要求，如协议简单性、短帧信息传输、信息交换的频繁性、网络负载的稳定性、高安全性和性价比等。1553B总线具有高的可靠性和很好的实时性，对于动力传动一体化控制这种数据通信种类多、数据量大、实时性要求较高、网络节点少的系统，1553B总线比现有的绝大多数总线具有更好的性能优势
    1553B总线在武器通信应用中的关键技术一般有以下几点：
    1）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。
    2）接口控制文件（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。
    3）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。
5  结论
    武器系统是一个复杂的系统，而且空间狭窄，它对数据通信的实时性、可靠性以及抗干扰能力都要求甚高。1553B 总线由于传输速率高、可靠性高、实时性好等优点在武器系统中得到了较广泛的应用。但1553B 总线价格高昂，限制了它在工业领域的进一步应用。
参考文献
[1]《MIL－STD－1553 DESIGNER’S GUIDE》.DDC公司.[S].USA.1998
[2]刘桂山，胡军程.《1553B总线信息流设计》.《北京理工大学学报》，第23卷第3期2003年6月
[3]徐亚军，熊华钢，《基于PCI的1553B总线接口卡的设计与实现》，《遥测遥控》，2002年3月
[4]王世奎.《航空电子通信系统关键技术问题的浅析》.《航空计算技术》.第31卷第4期2001年12月