航电总线简介（中文版）

美国MIL-STD-1553B航电总线简介目录1. 1553B总线发展历史及应用现状上世纪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。于是1973年后，美军方先后公布MIL-STD-1553A(USAF)标准和1553B改进标准。粗略的说，单个机载电子设备就类似于计算机局域网LAN中的单个计算机，1553标准类似于通信协议，堪称现代作战飞机电子系统的“脊梁骨”。其核心就在于“标准”二字。有了1553，雷达光电探测、导航、本机传感、座舱显示、外挂管理和火控计算机等得以完美的联结综合，构成了第三代战斗机标志性的分布式集中控制系统。F-16A是采用1553A标准的第一种作战飞机。经过20多年的发展，1553总线已经广泛地应用于不同的军事平台(航空系统、地面车辆系统、舰艇系统) 系统,已经发展成国际公认的数据总线标准。西方发达国家的武器平台绝大部分采用MIL-STD-1553B总线作为连接各个分系统的神经枢纽，可以说基本实现了武器平台的信息化。这些武器平台包括：战斗机、武装直升机、坦克、战车、军舰，甚至导弹等。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。2. 1553B总线的特点1553总线具有高速、灵活的特点，通信效率高，修改、扩充和维护简便。MIL-STD-1553B是数字命令/响应式、时分制多路传输数据总线，传输速率1M比特/秒，字长20比特，数据有效长度16比特；半双工传输方式，双冗余故障容错方式，传输媒介为屏蔽双绞线。1553总线的冗余度设计，提高了子系统和全系统的可靠性。总线本身（包括总线控制器、双绞线、偶合器等）平均无故障工作时间超过10000小时，在全系统中基本可忽略其故障率，数字传输方式与传统的模电方式相比，速度更快、反应时间更短、保密性更好、抗干扰能力更强，能充分发挥火控设备性能。字差错率小于千万分之一。在后勤维护方面，标准的接口、插卡非常容易拆卸，可以方便的通过数字式工具进行测试/虚拟。经测试仅地面测试一项，就可比以往减少30%的维护工时。 3. 1553B在典型航空电子系统的应用框图在典型航空电子系统中, 通过 1553B 总线可连接多达 32 个子系统（或称终端 RT），完成各子系统的通信和数据交换，以实现各子系统的集中控制和显示。为了提高可靠性，一般都采用双冗余总线结构。现代飞机典型的航空电子系统及1553B 总线应用框图如图 1 所示。D1/D2 总线控制器NA 非航电监控处理机RD 雷达子系统SMS 外挂管理子系统MC 任务计算机DT 数据传输子系统IN 惯性导航子系统CNI 通信导航识别子系统CA 中心大气计算机FCS 飞控子系统 图 1 航空电子系统及 1553B 总线应用框图4. 1553B总线协议简介4.1 1553B 总线字格式01553B 总线字分为: 命令字、数据字、状态字。命令字是由同步头、远程终端地址字段、发送/接收位、子地址/方式字段、数据字个数/方式代码字段及奇偶位组成。数据字是由同步头、数据段和奇偶位组成。状态字是由同步头、远程终端地址、消息差错位、测试位、服务请求位、3 位备用位、广播命令接收位、忙位、子系统标志位、动态总线控制接收位、终端标志位及奇偶位组成。1553B 总线字格式: 每个字的字长为 16 个二进制位的有效值长度加同步头和奇偶位共 20 个二进制位的长度, PCM 化后, 去掉同步头和奇偶位, 16 位有效位的格式符合标准 GJB289-87。4.2 通信方式总线系统中传输的消息格式有 10 种, 这里仅介绍应用层的 3 种信息传输方式。4.2.1 总线控制器向远程终端的传输总线控制器向远程终端发出一个接收指令及数据字, 远程终端回送一个状态字,指令字和数据字没有间隔的连续发送。4.2.2 远程终端向总线控制器的传输总线控制器向远程终端发出一个发送指令, 远程终端回送一个状态字后, 继之以规定数目的数据字、状态字和数据字没有间隔地连续发送。4.2.3 远程终端向远程终端的传输总线控制器向远程终端 a 发出一个接收指令, 紧接着向远程终端 b 发出一个发送指令, 远程终端 b 发出一个状态字, 继之以规定数目的数据字、状态字和数据字没有间隔地连续发送。远程终端 a 接收到数据字后, 回送一个状态字。5、1553B总线数据的机载采集、记录与处理5.1 1553B 总线数据的采集与记录方式1553B 总线数据采集有两种方式：选择采集和 100%采集方式。1553B 总线数据选择采集是指由试飞工程师按总线字的定义（总线号、远程终端 RT 号、子地址 SA、逻辑块），从总线上挑选需要的命令字、状态字、数据字。对挑选的总线字，格式化为 4 个连续的 PCM 字，其中总线字格式化为 2 个 PCM 字，另两个为时间标识字，描述该总线字在总线上的精确时间。这些 PCM 字经 1553B专用采集器采集后形成一条选择的1553B数据流，通过RS422串行口到通用采集器，与其他测试数据合并形成一条主 PCM 数据流，供遥测发射到地面进行实时监控及机载记录。1553B 总线数据的 100%采集是指同时采集多条冗余度（一般为两条冗余度）1553B 总线上的全部信息。采集到的每个 20 位总线字（包括命令字、状态字、数据字），去掉 3 位同步头和 1 位奇偶校验位后的 16 位有效位，被转换为两个连续的 PCM字。在总线消息间隔处加入填充字，在总线消息的命令字后插入时间标识字（包括时、分、秒、毫秒、微秒），标明该消息到达的准确时间，同时在状态字之前插入消息响应时间。然后把这些 PCM 字按 IRIG-106 遥测标准格式，经过专用采集器采集后形成一条 PCM 化的 100%采集的 1553B 总线数据流，供机载记录器记录。随着记录技术的发展，还有一种直接采集、记录方式也在广泛应用，该方式一般通过具有 1553B 总线数据 100%采集功能的记录器完成。1553B 总线数据不再需要1553B 专用采集器，也不需要转换为 PCM 格式，而是由记录器直接采集，按 1553B消息块格式记录到磁带机上。1553B 总线数据的采集和记录如图 2 所示。图 1553B 总线数据的机载采集、记录框图5.2 1553B 总线采集器与记录器1553B 总线数据采集器用于采集飞机上 1553B 数据总线中信息，完成以下功能：1）获取多条符合 1553B 标准的总线数据；2）将每条总线的信息 100%采集后分别形成一条 PCM 数据流输出；3）通过用户定义选择多条总线上的部分总线信息（包括逻辑块中的数据字），形成一条混合的选择数据流输出；4）在输出数据流中对总线信息进行时间标识。1553B 总线采集器在总线系统中，只起监视作用，不参与总线通信。在有的总线系统中，也将其视为一个终端设备而分配一个 RT（终端）号，受总线控器的管理，以便向其传输专为飞行试验设置的消息块。1553B 总线记录器采用通用的 PCM 数据记录器。对于 1553B 总线数据的直接采集、记录方式，采用具有 1553B 采集功能的多输入数据源的采集、记录一体化记录器。5.3 1553B 总线数据的处理方式1553B 总线数据处理一般分为实时处理（实时监控）和事后处理方式。5.3.1 1553B 总线数据的实时处理(实时监控)方式飞行试验实时监控是确保试飞安全、提高试飞效率的重要手段。1553B 总线数据是试飞实时监控的重要参数。飞行试验中来自飞机机载遥测 PCM 流中选择的 1553B总线参数，是驱动实时监控显示画面的主要数据源，是实现可视化显现的基础。实时监控画面主要有模拟飞机多功能显示器画面，如飞机状态、航空电子状态、飞控状态、发动机状态，模拟的平显画面，另外还有飞机的三维姿态、航迹等各种图形、曲线、数字、表格形式的显示画面，为试飞指挥员、试飞工程师及时发现飞机故障、确保飞机试飞安全，提供了重要手段。5.3.2 1553B 总线数据的事后处理方式1553B 总线数据事后处理分为预处理和最终处理。预处理是按试飞工程师要求的参数名、时间段、采样率，从 100%记录的 1553B总线数据中提取要求的参数，并进行必要的处理和转换，以不同格式的数据文件输出，为 1553B 总线数据最终处理提供各种类型的数据文件。这为试飞工程师和主机厂所排故，提供了真实可靠的 1553B 总线数据，对缩短飞机系统和航空电子系统排故周期，加快试飞进度，有重要意义。最终处理是试飞工程师根据预处理结果，按照航电各专业（如火控、雷达、惯导等）的需求，对 100%的 1553B 工程单位数据进一步的分析与处理和综合处理。4 1553B总线数据事后预处理软件设计4.1软件功能设计 1553B总线数据处理软件的主要功能是按试飞工程师要求的参数名、时间段、采样率，从100%记录在磁带上的1553B总线数据中提取要求的参数，并进行必要的处理和转换，以不同格式的数据文件输出，为1553B总线数据最终处理提供各种类型数据。4.2软件组成与结构设计 采用模块化设计，主要由读带模块、主控模块、数据采集模块、加载ICD文件模块、获取物理块号模块、总线数据分析模块、数据字分析模块、数据输出模块等组成，如图3所示。4.3处理流程 软件总体结构分成两个进程，一个为主进程，一个为分析处理进程（子进程），处理流程见图4。 主进程: 它负责进程的总控，并负责接收用户对所有界面的选择以及界面上的输入设置。该进程主要完成总线通信地址和消息中数据字格式内容以及多种数据类型的输入（ICD文件）。它还通过邮件将分析处理所需的输入和设置发送到总线数据分析处理进程。 分析处理进程：它根据总线数据处理参数来对相应的总线数据进行分析处理，并将结果存放在文件中。该进程接收主进程用邮件方式传递来的信息，根据总线数据处理参数及总线数据描述表来完成总线数据分析处理的工作，这样总线数据处理时用户的设置与总线数据处理可以并行工作。 这两个进程并行运行，处理进程一直接收主进程发送来的邮件并做相应的处理。主进程随时接收子进程发送来的处理信息定时在界面上显示。4.4 输出格式3种类型数据文件分别为：可供用户阅读且做进一步处理的物理量文本文件；可供用户阅读且做进一步处理的总线消息文本文件；可供用户做进一步处理的物理量二进制文件。4.5 1553B总线数据预处理软件设计中的几个关键技术4.5.1 ICD数据库的利用接口控制数据文件（ICD）提供了总线数据的构成和解释，它定义了1553B 总线参数的名称、类型、格式、校准算法，参数（含开关量）的说明，还定义了1553B 总线数据块的所有信息是1553B总线数据处理的重要依据，如何有效利用ICD文件，把ICD库嵌入1553B总线数据处理软件，从而提高软件的方便性和可靠性，已成为1553B总线数据处理软件的关键技术之一。 本软件以数据库为基础，把ICD文件分为总线数据描述表和总线信息辅助表。 总线数据描述表按子系统划分, 每个子系统分为5层表, 即:块表、块元素表、信号表、信号元素表、字段表。5层表之间由某一关键字段关联。总线数据辅助表信息来源于总线地址通信表, 由于ICD文件中总线数据是用RT名和块号描述的, 而总线上的消息字是用RT地址和子地址描述的, 因此为了使RT名与RT地址对应, 块号与子地址对应, 必须建立使其对应的表, 称为辅助表。4.5.2 消息块参数的快速读取 1553B总线数据参数多、速率高，使100%记录的1553B总线数据量巨大。如何快速从大量的数据中提取需要的数据，是1553B总线数据处理软件的关键技术之一。虽然总线数据中包括大量的各种格式的消息，然而，作为飞行试验来说，只关心其中应用层的3种消息。因此，为了快捷而准确地过滤出所关心的消息块，必需设计一种高效的消息块读取函数，以完成消息块的读取与过滤。即从数据文件中，读取一块数据，剔除其中的无用字，最终输出一个完整的1553B消息块，然后对相应参数进行工程单位转换，从而完成一个处理循环。其主要算法如图5所示。4.5.3 数据的时间同步与修正数据的时间同步对试飞数据处理有着重要的影响。1553B总线通信的异步性和航空电子系统的延时，使1553B总线数据的时间同步成为一个技术难点，它涉及航空电子