原创 MIL-STD-1553B总线基本知识

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什么是MIL-STD-1553B总线？

奥林普科技　　　2010/06/12　　　作者：OLYPER　　　来源：OLYPER 　　　

一、什么是1553B总线
　　1553B总线是MIL－STD－1553总线的简称，其中B就是BUS，MIL-STD-1553B总线是飞机内部时分制命令/响应式多路复用数据总线。1553B数据总线标准是20世纪70年代由美国公布的一种串行多路数据总线标准。1553B总线能挂31个远置终端，1553B总线采用指令/响应型通信协议，它有三种终端类型：总线控制器（BC）、远程终端（RT）和总线监视器（BM）；信息格式有BC到RT、RT到BC、RT到RT、广播方式和系统控制方式；传输媒介为屏蔽双绞线，1553B总线耦合方式有直接耦合和变压器耦合；1553B总线为多冗余度总线型拓扑结构，具有双向传输特性，其传输速度为1Mbps传输方式为半双工方式，采用曼彻斯**进行编码传输。采用这种编码方式是因为适用于变压器耦合，由于直接耦合不利于终端故障隔离，会因为一个终端故障而造成整个总线网络的完全瘫痪，所以其协议中明确指出不推荐使用直接耦合方式。

　　在20世纪60年代以前，飞机机载电子系统没有标准的通用数据通道，各个电子设备单元之间连接往往需要大量的电缆。随着机载电子系统的不断复杂化，这种通信方式所用的电缆将会占用很大的空间和重量，而且对传输线的定义和测试也较为复杂，费用较高。为了解决这一问题，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
　　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**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。每类字的长度为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**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。　　
　　命令字、数据字和状态字各位的定义见图1

　　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。
　　 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。

四、1553B总线在武器通信中的应用
　　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。

　　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，以达到较高的可靠性、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极短，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、高安全性和性价比高等。1553B总线具有很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多的性能优势。　　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。　　

五、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 1553B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。　　

六、1553B技术发展情况
　　MIL-STD-1553B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。下面列举一些数据：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，足以满足第三代作战飞机的要求；字长度 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。 1553B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 10,000 小时，在全系统中基本可忽略其故障率，比歼-8Ⅱ原有联结方式好得多。同时可以省去歼-8Ⅱ设备间复杂繁琐的点对点联结，仅此一项可令全电子系统的重量减轻约 5％，并节省空间、功耗。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。 1553B协议最初是为空军设计的，随着1553B总线的优越性的不断体现和武器装备的升级换代，1553B协议已应用到各个兵种，在陆军和海军的武器和维护系统中已开始采用1553B总线。随着国防现代化的建设和武器系统的升级换代，我军也开始将1553B协议大量的应用到武器系统的设计中。

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