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什么是1553B總線?1553B總線基礎知識介紹
什么是1553B總線?1553B總線基礎知識介紹

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(nèi)部時分制命令/響應式多路復用數(shù)據(jù)總線。1553B數(shù)據(jù)總線標準是20世紀70年代由美國公布的一種串行多路數(shù)據(jù)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(xié)議，它有三種終端類型：總線控制器（BC）、遠程終端（RT）和總線監(jiān)視器（BM）；信息格式有BC到RT、RT到BC、RT到RT、廣播方式和系統(tǒng)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(wǎng)絡的完全癱瘓，所以其協(xié)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(tǒng)沒有標準的通用數(shù)據(jù)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(tǒng)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SAE A2K委員會在軍方和工業(yè)界的支持下于1968年決定開發(fā)標準的信號多路傳輸系統(tǒng)，并于1973年公布了MIL-STD-1553B標準。1973年的1553B多路傳輸數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(tǒng)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(tǒng)、外掛物管理與集成系統(tǒng)，并逐步擴展到飛行控制等系統(tǒng)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(tǒng)，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總線消息傳輸機制

1553B總線上的信息是以消息(Message)的形式調(diào)制成曼徹斯特碼進行傳輸?shù)摹Ｃ織l消息最長由32個字組成，所有的字分為三類:命令字、數(shù)據(jù)字和狀態(tài)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(shù)據(jù)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(nèi)容規(guī)定了該次傳輸?shù)木唧w要求。狀態(tài)字只能由RT發(fā)出，它的內(nèi)容代表RT對BC發(fā)出的有效命令的反饋。BC可以根據(jù)狀態(tài)字的內(nèi)容來決定下一步采取什么樣的操作。數(shù)據(jù)字既可以由BC傳輸?shù)侥砇T，也可以從某RT傳輸至BC，或者從某RT傳輸?shù)搅硪籖T，它的內(nèi)容代表傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。

1553B總線上消息傳輸?shù)倪^程是:總線控制器向某一終端發(fā)布一個接收/發(fā)送指令，終端在給定的響應時間范圍內(nèi)發(fā)回一個狀態(tài)字并執(zhí)行消息的接收/發(fā)送。BC通過驗收RT回答的狀態(tài)字來檢驗傳輸是否成功并做后續(xù)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。

三、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(tǒng)監(jiān)控及系統(tǒng)恢復功能。采用雙冗余系統(tǒng)，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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)傳輸速率比一般的通訊網(wǎng)高。
　　

二是合理的差錯控制措施和特有的方式命令，為確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾�性�?553B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(fā)出一個命令或發(fā)送一個消息時，終端應在給定的響應時間內(nèi)發(fā)回一個狀態(tài)字，如果傳輸?shù)南�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效。而特有的方式命令不僅使系統(tǒng)能完成數(shù)據(jù)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?shù)淖畲蠛妥钚��?shù)據(jù)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(fā)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(fā)出的指令來控制，相關終端對指令應給予響應并執(zhí)行操作。這種方式非常適合集中控制的分布式處理系統(tǒng)。但1553B 總線價格高昂，限制了它在工業(yè)領域的普遍性應用。

四、1553B總線的優(yōu)點

1、線性局域網(wǎng)絡結構 合理的拓撲結構使得1553B總線成為航空系統(tǒng)或地面車輛系統(tǒng)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(tǒng)的重量。便于維護，易于增加或刪除節(jié)點，提高設計靈活性。

2、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。

3、支持“啞”節(jié)點和“智能”節(jié)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。

4、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(jié)點都能夠安全地與網(wǎng)絡隔離；減少了潛在的損壞計算機等設備的可能性。

5、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(huán)境的項目當中。

6、保證了的實時可確定性 1553B總線的命令/響應的協(xié)議方式保證了實時的可確定性。這可能是大多數(shù)系統(tǒng)設計者在設計使命關鍵系統(tǒng)中選擇1553B總線的最主要的原因。

五、1553B總線在武器通信中的應用

基于軍事上的需要，現(xiàn)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(fā)展的必然要求。武器綜合電子系統(tǒng)的基礎就是采用數(shù)據(jù)總線結構，利用數(shù)據(jù)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(tǒng)為各種任務所共用。這樣就具有以下優(yōu)點：減少武器設備體積和重量，提高武器系統(tǒng)可靠性，降低成本，提高檢測精度等。現(xiàn)代武器對本身通信系統(tǒng)的要求一般有以下幾點：

一是能有效實現(xiàn)各子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸，且滿足特定的通信特性;

二是通信子系統(tǒng)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。

三是通信系統(tǒng)靈活，易于修改。

四是通信子系統(tǒng)具有較強的抗干擾能力。

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

航空電子系統(tǒng)通常包括十多個機載計算機子系統(tǒng)，如何有效的實現(xiàn)各子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通信對整個航空系統(tǒng)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(zhàn)術數(shù)據(jù)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(zhì)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(shù)據(jù)總線的傳輸速率、傳輸距離、遠程終端數(shù)，能較好的滿足各類中小型艦艇以及潛艇系統(tǒng)通信的要求，故應用十分普及。

軍用車輛及各類戰(zhàn)車作為陸軍地面武器的作戰(zhàn)平臺，經(jīng)常工作在強振動、高噪音、粉塵多，溫度變化大的惡劣環(huán)境中。因此，其內(nèi)部電子設備間的數(shù)據(jù)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(tǒng)一體化控制要分別對發(fā)動機和變速器進行控制，二者之間的數(shù)據(jù)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(xiàn)對發(fā)動機和變速器的實時控制，從而提高整個動力系統(tǒng)的綜合性能。此外，還有一些對數(shù)據(jù)通信的特殊要求，如協(xié)議簡單性、短幀信息傳輸、信息交換的頻繁性、網(wǎng)絡負載的穩(wěn)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(shù)據(jù)通信種類多、數(shù)據(jù)量大、實時性要求較高、網(wǎng)絡節(jié)點少的系統(tǒng)，1553B總線比現(xiàn)有的絕大多數(shù)總線具有更多的性能優(yōu)勢。 　　1553B總線在武器通信系統(tǒng)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(tǒng)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(qū)動層軟件，通過信息和資源的共享，按照武器的作戰(zhàn)目標，在應用層上真正實現(xiàn)功能的綜合。

二是接口控制文件（Interface Control Document 縮寫ICD）。ICD由通過1553B數(shù)據(jù)總線在武器各電子設備之間互聯(lián)的接口信號組成。根據(jù)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?shù)闹芷谛詳?shù)據(jù)和隨機數(shù)據(jù)。只有這樣才能確定數(shù)據(jù)流之間的相互關系，高效率的實現(xiàn)功能的綜合，有效提升武器的作戰(zhàn)性能。

三是總線表。總線表是指一個周期內(nèi)所有可能傳輸?shù)目偩�命令集。根據(jù)武器平臺的控制要求，確定一個周期內(nèi)傳輸?shù)拿�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(yōu)化，使總線負載達到平衡，提高總線的利用率和數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性。 　　



六、1553B技術發(fā)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(shù)據(jù)：MIL-STD-1553B 是數(shù)字命令/響應式時分制多路傳輸數(shù)據(jù)總線，傳輸速率 1M 比特/秒，足以滿足第三代作戰(zhàn)飛機的要求；字長度 20 比特，數(shù)據(jù)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(tǒng)和全系統(tǒng)的可靠性。總線本身（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(tǒng)中基本可忽略其故障率，比殲-8Ⅱ原有聯(lián)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(lián)結，僅此一項可令全電子系統(tǒng)的重量減輕約 5％，并節(jié)省空間、功耗。數(shù)字傳輸方式與傳統(tǒng)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(fā)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(shù)字式工具進行測試/虛擬。經(jīng)測試僅地面測試一項，就可比以往減少 30% 的維護工時。 1553B協(xié)議最初是為空軍設計的，隨著1553B總線的優(yōu)越性的不斷體現(xiàn)和武器裝備的升級換代，1553B協(xié)議已應用到各個兵種，在陸軍和海軍的武器和維護系統(tǒng)中已開始采用1553B總線。 隨著國防現(xiàn)代化的建設和武器系統(tǒng)的升級換代，我軍也開始將1553B協(xié)議大量的應用到武器系統(tǒng)的設計中。