劉士全，雋 揚，蔡潔明，魏敬和，黃 正

（中國電子科技集團公司第58研究所，江蘇 無錫 214035）

1 引言

20世紀60年代，由導航/平顯/武器瞄準系統(tǒng)(INS/HUD/WACS)組成的綜合火控系統(tǒng)，配上遠距空射武器，使戰(zhàn)斗機如虎添翼。但作戰(zhàn)信息數(shù)據(jù)總量暴漲，而設備間接口各異，互聯(lián)協(xié)同難度大，成為作戰(zhàn)效能的瓶頸。同時，由于缺乏統(tǒng)一標準，開發(fā)、維護和改進的成本不斷上升。

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-1553A標準。1973年的1553多路傳輸數(shù)據(jù)總線成為了未來軍用機將采用的技術，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。此標準的修訂版本于1978年公布，即MILSTD-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，而且已經成為一種國際標準。中國于1987年頒布了相應的軍標。

2 1553B總線簡介

2.1 1553B總線通信系統(tǒng)

一個綜合系統(tǒng)通常由若干子系統(tǒng)通過嵌入式總線接口并經過總線介質互連而成，各個子系統(tǒng)操作獨立，資源和功能則可通過網(wǎng)絡共享。從通信系統(tǒng)的角度看，在所有的子系統(tǒng)中有一個作為總線控制器（BC），其他的子系統(tǒng)都是遠程終端（RT）。例如在典型航空電子系統(tǒng)中，通過1553B總線可連接多達32個子系統(tǒng)（或稱終端RT），完成各子系統(tǒng)的通信和數(shù)據(jù)交換，以實現(xiàn)各子系統(tǒng)的集中控制和顯示。為了提高可靠性，一般都采用雙冗余總線結構?，F(xiàn)代飛機典型的航空電子系統(tǒng)及1553B總線應用框圖如圖1所示。

圖1 航空電子系統(tǒng)及1553B總線應用框圖

D1/D2為總線控制器，NA為非航電監(jiān)控處理機，RD為雷達子系統(tǒng)，SMS為外掛管理子系統(tǒng)，MC為任務計算機，DT為數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)，IN為慣性導航子系統(tǒng)，CNI為通信導航識別子系統(tǒng)，CA為中心大氣計算機，F(xiàn)CS為飛控子系統(tǒng)。

2.2 1553B總線的特點

由于1553B總線在減少電子設備的體積、重量、復雜性以及電子系統(tǒng)綜合費用諸方面的優(yōu)點，成為了機動平臺電子系統(tǒng)的主要工作支柱。它具有不同于一般電子網(wǎng)絡的鮮明特點。

（1）1553B總線是一種廣播式分布處理的計算機網(wǎng)絡，網(wǎng)絡上可掛接32個終端，所有的終端（節(jié)點）共享一條消息通路，任一時刻網(wǎng)絡中至多只有一個終端在發(fā)送消息，傳送中的消息可以被所有終端接收，實際接收的終端通過地址來識別。網(wǎng)絡結構簡單，終端的擴展十分方便，任一終端（除總線控制器外）的故障都不會造成整個網(wǎng)絡的故障，總線控制器則可以通過備份來提高可靠性。但是網(wǎng)絡對總線本身的故障比較敏感，因此通常采用雙余度總線。

（2）強調了實時性，1553B總線的傳輸碼速率為1 Mbps，每條消息最多包含32個字（每個字16位），因此傳輸一條消息的時間比較短。

（3）1553B總線按指令/響應的方式異步操作，即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回答（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)。

（4）兼顧實時性的條件下，采用了合理的差錯控制措施，即反饋重傳方法。

2.3 1553B總線協(xié)議介紹

2.3.1 1553B總線網(wǎng)絡拓撲結構

1553B總線（數(shù)字式時分制指令/響應型多路傳輸數(shù)據(jù)總線）由數(shù)據(jù)總線、終端或子系統(tǒng)終端接口組成。通過分時傳輸（TDM）方式，實現(xiàn)系統(tǒng)中任意兩個終端間相互交換信息。終端是數(shù)據(jù)總線和子系統(tǒng)的接口電子組件，從功能上說它可以是總線控制器（BC）、遠程終端（RT）或總線監(jiān)控器（BM）；從物理結構上說，它可以是獨立組件，也可以包含在子系統(tǒng)中。1553B總線的網(wǎng)絡拓撲結構如圖2所示。

2.3.2 1553B總線工作模式

1553B總線有三種工作模式：總線控制器（Bus Controller）、遠程終端（Remote Terminal）、總線監(jiān)視器（Bus Monitor）。

（1）總線控制器（BC）

總線控制器BC是總線上必不可少的重要組成部分，在1553B標準中只規(guī)定了送到總線上的命令，而對總線控制器內部如何工作沒有做出規(guī)定。其結構有三種類型：字控制器（Word Controller）、消息控制器（Message Controller）和幀控制器（Frame Controller）。BC按功能可分為標準模式和增強模式。

圖2 1553B總線網(wǎng)絡拓撲結構

（2）遠程終端（RT）

遠程終端RT在1553B系統(tǒng)中只能接收來自總線控制器的命令。RT具有一個接口模塊，負責總線和子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸。其在應用中有兩種情況：嵌入式和非嵌入式，如今多數(shù)RT已嵌入子系統(tǒng)中以此來提高系統(tǒng)的總體性能。遠程終端RT一般由收發(fā)送器、編碼/譯碼器、協(xié)議控制器、緩沖存儲器或存儲器以及子系統(tǒng)接口組成。而在最常用的雙冗余系統(tǒng)中需要兩個收發(fā)器、兩個編碼/譯碼器。在功能上，RT除了可以尋址存儲器，實現(xiàn)存儲器共享，還必須在進行數(shù)據(jù)傳輸以外能夠緩沖有用的數(shù)據(jù)、檢測傳輸錯誤、確認有效數(shù)據(jù)和報告信息傳輸?shù)臓顟B(tài)。對于雙冗余總線來說，RT還必須能夠同時接收和處理兩條總線的數(shù)據(jù)和命令。

（3）總線監(jiān)視器(BM)

總線監(jiān)視器BM是指監(jiān)聽和記錄總線上傳輸?shù)拿詈蛿?shù)據(jù)的終端。它受BC控制，不參與任何總線傳輸。BM有兩種工作模式：一種是字監(jiān)視模式，它監(jiān)視記錄總線上所有的消息字；另一種是選擇監(jiān)視模式，只對指定的RT地址進行監(jiān)視記錄。

2.3.3 1553B總線數(shù)據(jù)格式

1553B信息流由一串1553B消息構成。1553B消息由命令字、數(shù)據(jù)字、狀態(tài)字組成。命令字、數(shù)據(jù)字、狀態(tài)字都應是3位同步頭 + 16位有效位 + 1位奇偶校驗，總共20位構成。同步和奇偶校驗位被1553B硬件用在確定信息格式和數(shù)據(jù)錯誤的時候。

2.3.4 1553B總線通信方式

1553B信號以串行數(shù)字脈沖編碼調制（PCM）形式在數(shù)據(jù)總線上傳輸。采用曼徹斯特Ⅱ型雙相電平碼，邏輯1為雙極編碼信號1/0，即一個正脈沖繼之一個負脈沖；邏輯0為雙極編碼信號0/1，即一個負脈沖繼之一個正脈沖。1553B的數(shù)據(jù)傳輸為半雙工方式?？偩€上波特率為1 Mbps。1553B信號編碼方式如圖3所示。

圖3 1553B信號編碼方式

3 1553B總線的應用及國產化進程

3.1 1553B總線的應用

20世紀70年代，美國空軍萊特實驗室提出數(shù)字式航空電子信息系統(tǒng)(DAIS)計劃，開始為航空電子注入“綜合”的概念，這是航空電子系統(tǒng)發(fā)展歷程中的重要里程碑和分水嶺。DAIS計劃對航電系統(tǒng)的綜合依靠4個重要的標準，即MIL-STD-1750A美國空軍機載計算機指令集、MIL-STD-1589 JOVIAL高級語言、MIL-STD-1553B時分制指令/響應式多路數(shù)據(jù)傳輸總線、MIL-STD-1760外掛物管理接口。中國在20世紀90年代就已立項做1553B協(xié)議的研究與產品研制工作，并被納入軍標GJB 289A《數(shù)字式時分制指令/響應型多路傳輸數(shù)據(jù)總線》，且投入了大量的人力及物力。中國最早在殲-8Ⅱ戰(zhàn)斗機上應用1553B總線，總線本身平均無故障工作時間超過了10 000 h，在全系統(tǒng)中基本可忽略其故障率。采用1553B總線的連接方式比殲-8Ⅱ上原有聯(lián)結方式好得多，同時省去了飛機設備間復雜繁瑣的點對點聯(lián)結，僅此一項令全電子系統(tǒng)的重量減輕約5%，并節(jié)省空間和耗電。從目前公開展示的殲7MG、殲8-ⅡM、 超7（梟龍/FC-1型）等戰(zhàn)斗機及一些日常報道來看，中國的航空電子在向西方1553B標準靠攏。由于1553B總線的這些優(yōu)越性，目前機載、彈載、艦載、車載系統(tǒng)都已經將1553B總線列入系統(tǒng)的核心，預計在未來十年1553B總線還將得到廣泛的應用。

3.2 國產1553B協(xié)議芯片發(fā)展情況

由于1553B總線應用日益廣泛，美國、英國等西方國家的公司（如DDC公司、SCI公司和STC公司）紛紛推出了自己的數(shù)據(jù)總線接口（MBI）設計模式及協(xié)議芯片。其中DDC公司作為1553B標準的主要制定者和研制者，其1553B芯片以ACE系列最為著名。這些芯片在國內外用戶眾多。因其可靠性、抗惡劣環(huán)境強，這些芯片被廣泛用于航空、航天等領域的總線系統(tǒng)及其電子設備中。

由于1553B芯片使用的特殊性，加之1553B系列芯片的價格逐年上升，所以越來越多的用戶開始考慮使用國產化的1553B芯片替代DDC公司的產品。如用FPGA內置1553 IP核的方式替代ACE等協(xié)議芯片，制作1553B的通訊卡或仿真測試卡。這種方法使用方便、靈活而且價格低廉，國外很多1553B板卡也是用這種方式研制的，國內也有眾多的類似應用；但這種方式制作的1553B通迅卡或仿真測試卡只適合于實驗室使用，不適合作為裝備交付用戶。原因在于國外制造商可以直接購買到軍品級的FPGA，由于這些FPGA在設計上已經考慮了電磁兼容等諸多問題，所以寫入1553B IP核之后，可以直接使用，基本不影響整個協(xié)議芯片的功能。但國內的FPGA大部分是工業(yè)器件篩選出來的，性能遠遠達不到軍品器件的要求，加上制作成1553B協(xié)議芯片后，又很少按照標準進行嚴格測試，質量難以保證。類似情況在若干設備的使用中已多次發(fā)生。

對此，國家投入專項資金，進行技術攻關，經過數(shù)年的努力，終于研制出完全代替DDC公司ACE系列芯片的產品。這是完全用硬件電路實現(xiàn)的協(xié)議芯片，抗干擾能力達到軍品H級，與DDC公司同型號產品做背對背測試，各項指標完全滿足，可以完全實現(xiàn)BU-61580等芯片的原位替換，軟件硬件不用做任何改動。

目前，這些國產化的1553B芯片已經廣泛用于航空、航天、兵器系統(tǒng)的諸多型號研制中，獲得了用戶的廣泛認可。隨著電子器件國產化的推廣，在不遠的將來，國產的61580等芯片將完全取代進口芯片，占領整個1553B芯片市場。

4 1553B總線的發(fā)展趨勢

l553B總線是三十多年前針對當時的應用提出來的，目前應用已非常普遍。未來幾年內1553B總線將主要朝著兩個方向發(fā)展，一是芯片和網(wǎng)絡組件的功耗更小，抗惡劣環(huán)境、抗輻射的能力更強，1553B和計算機之間的接口也逐漸標準和統(tǒng)一，目前國內已有多家單位的1553B總線產品正朝著這個方向發(fā)展，并已研制出抗輻射的1553B總線控制器。二是1553B總線的傳輸速度將不斷提高，從最開始的1 Mbps發(fā)展到2 Mbps、4 Mbps、10 Mbps，目前市場上已經出現(xiàn)4 Mbps成熟的1553B總線產品。

[1]MIL-STD-1553 Protocol Tutorial[S].Condor Engineering，Inc.2004.

[2]BusTools／1553—API Software Reference Manual[M].Con-dor Engineering Inc，2004.

[3]DDC MIL-STD-1553B Designer S Guide[S].USA.1998.

[4]Rebirth of the 1553 databus[M].Feb 1,2006.

[5]DDC BU-65170/61580 and BU-61585.

[6]熊華鋼.1553B總線通信技術的應用與發(fā)展[J].電子技術應用，1997(8): 27-28.