李國星,劉　明,黃如昌

(中國飛行試驗(yàn)研究院，西安　710089)

?

飛行試驗(yàn)中軍用1553B總線的實(shí)時采集技術(shù)

李國星,劉明,黃如昌

(中國飛行試驗(yàn)研究院，西安710089)

針對飛行試驗(yàn)中1553B總線的實(shí)時采集，提出了一種新型的實(shí)時采集方法，充分利用DSP的靈活性和FPGA的快速并行性，構(gòu)建了一種快速定位的1553B總線數(shù)據(jù)信息的查表機(jī)制，實(shí)現(xiàn)將1553B總線特定的數(shù)據(jù)字從總線數(shù)據(jù)中實(shí)時挑選出來，用于飛行試驗(yàn)的遙測監(jiān)控;詳細(xì)論述了飛行試驗(yàn)1553B總線采集的方法與特點(diǎn)，闡述了1553B總線數(shù)據(jù)快速過濾的方法與實(shí)現(xiàn);該方法經(jīng)過實(shí)驗(yàn)和飛行試驗(yàn)驗(yàn)證，不僅可以實(shí)現(xiàn)對機(jī)載1553B總線的數(shù)據(jù)采集功能，還可以將需要的1553B總線數(shù)據(jù)字從總線上實(shí)時篩選出來，滿足飛行試驗(yàn)的遙測監(jiān)控需要。

1553B總線標(biāo)準(zhǔn)；實(shí)時采集；實(shí)時過濾；查表法

0　引言

現(xiàn)代飛機(jī)內(nèi)部對各系統(tǒng)及設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸和控制要求越來越高，促使了航空電子綜合化技術(shù)的快速發(fā)展，從而使航空電子系統(tǒng)越來越復(fù)雜、越來越龐大。為此，現(xiàn)代飛機(jī)大量采用了先進(jìn)的總線技術(shù)，通過總線連接起航空電子系統(tǒng)中幾個到幾十個子系統(tǒng)(或終端設(shè)備)，以完成各子系統(tǒng)之間的通信和數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)各子系統(tǒng)的集中控制和顯示。早期的航空數(shù)據(jù)總線有RS422、RS485和ARINC429總線等。隨著航空電子技術(shù)的發(fā)展，航空電子設(shè)備間的交聯(lián)也變得越來越復(fù)雜，出現(xiàn)了與之相應(yīng)的“聯(lián)合航空電子系統(tǒng)”,它通過1553B總線將大多數(shù)航空電子系統(tǒng)交聯(lián)起來，實(shí)現(xiàn)了信息的統(tǒng)一調(diào)度與管理。1553B總線是一種時分制指令/響應(yīng)式多路傳輸總線，是美國軍方1978年為軍用飛機(jī)、車輛制定的一種總線標(biāo)準(zhǔn)，由于其傳輸可靠性、技術(shù)成熟和易于擴(kuò)展等優(yōu)良特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用各種軍用、民用飛機(jī)以及船舶領(lǐng)域[1]。隨著航空電子設(shè)備的發(fā)展，1533B總線幾乎成為航空電子設(shè)備間互聯(lián)的必選總線。

在飛行試驗(yàn)中，1553B總線上有著各種大量的數(shù)據(jù)信息，其中有描述飛機(jī)狀態(tài)的參數(shù)、有描述動力裝置和飛機(jī)系統(tǒng)的參數(shù)以及航空電子系統(tǒng)內(nèi)部各種設(shè)備的參數(shù)，還有系統(tǒng)內(nèi)部傳輸?shù)母鞣N信息。為了考核飛機(jī)的性能與指標(biāo)，試飛測試系統(tǒng)往往需要實(shí)時采集1553B總線，將總線中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)通過遙測鏈路實(shí)時下傳。在傳統(tǒng)中的1553B總線實(shí)時采集模塊中，采用分離元器件或者純FPGA邏輯電路實(shí)現(xiàn)，分離元器件電路體積大、功耗大、協(xié)議芯片昂貴，而純FPGA邏輯電路用戶可編程的靈活性差。在試飛測試系統(tǒng)的架構(gòu)下，基于DSP靈活性與FPGA的快速并行性，本文提出了一種1553B總線實(shí)時采集技術(shù)，可以將1553B總線中的部分?jǐn)?shù)據(jù)從1553B總線中速過濾出來，用于飛行試驗(yàn)的需要。本文將重點(diǎn)闡述試飛1553B總線采集技術(shù)的特點(diǎn)、方法，1553B總線數(shù)據(jù)的快速過濾的方法與實(shí)現(xiàn)。

1　1553B總線采集的特點(diǎn)與方法

1.11553B總線協(xié)議簡述

1553B總線，采用半雙工傳輸方式，具有雙向傳輸特性，采用命令/響應(yīng)傳輸協(xié)議，以曼徹斯特Ⅱ型碼調(diào)制信號，以屏蔽雙絞線為傳輸介質(zhì)，最大傳輸速率為1 Mbps[2]。

通過1553B總線，飛機(jī)各子系統(tǒng)可以交聯(lián)起來，從而實(shí)現(xiàn)各子系統(tǒng)間信息的無縫融合與快速處理，如圖1所示。

圖1　1553B總線應(yīng)用示意圖

1553B總線具有3種字格式，分別為數(shù)據(jù)字、命令字和狀態(tài)字。字長均為20位：其中3位為同步頭，16 位為信息段，1位為奇偶校驗(yàn)位。命令字的16位信息段中，包括5位的RT地址，1位收發(fā)標(biāo)志位和5位RT子地址及5位字計(jì)數(shù)長度；數(shù)據(jù)字的16位信息段為有效的數(shù)據(jù)負(fù)載；狀態(tài)字的16位信息段為5位RT地址、8位通信狀態(tài)和3位備用[3]。

1553B總線具有10種消息類型：BC->RT、RT-> BC、RT->RT、不帶數(shù)據(jù)字的方式指令、帶數(shù)據(jù)字的方式指令(發(fā)送)、帶數(shù)據(jù)字的方式指令(接收)、BC 向各RT 的通播(廣播接收)、RT->RT 廣播、不帶數(shù)據(jù)字的廣播方式指令、帶數(shù)據(jù)字的廣播方式指令[4-5]。

1.21553B總線的測試方法

飛行試驗(yàn)中，1553B總線主要由兩種方式，分別為100%采集和實(shí)時部分采集。100%采集方式，是對1553B總線上全部信息都進(jìn)行采集(包括時間間隔)，主要用于事后對飛機(jī)航電系統(tǒng)進(jìn)行總體性能評估和分析飛行故障，通常這些信息是不通過遙測實(shí)時傳輸，僅在機(jī)上記錄，事后分析處理。實(shí)時部分采集是從1553B總線上按照事先設(shè)定的過濾條件，快速挑選出部分?jǐn)?shù)據(jù)，與機(jī)載其它被測參數(shù)一起進(jìn)入通用數(shù)據(jù)采集器，形成綜合的PCM數(shù)據(jù)流，通過遙測傳輸?shù)降孛嬲具M(jìn)行監(jiān)控處理。

飛行試驗(yàn)中1553B總線的采集設(shè)備，相當(dāng)于總線系統(tǒng)中一臺總線監(jiān)視器BM作用，即只接收1553B總線信息，而不向中線中發(fā)送任何信息，遵循1553B總線標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于BM的規(guī)定[6]。

1.31553B總線的采集

在飛行試驗(yàn)中，1553B總線采集的工作流程如圖2所示。首先，系統(tǒng)通過變壓隔離器與1553B總線進(jìn)行間接物理耦合，并通過物理層協(xié)議芯片實(shí)現(xiàn)對1553B傳輸碼型的信號解調(diào)，解調(diào)后的信號送入FPGA邏輯電路中，由內(nèi)嵌在FPGA內(nèi)的1553B協(xié)議IP實(shí)現(xiàn)對1553B總線的消息解析，解析后的數(shù)據(jù)按照一定的格式暫存在FPGA的RAM中，等待DSP數(shù)據(jù)過濾程序讀取。DSP程序根據(jù)1553B配置信息，對FPGA解析出來的消息進(jìn)行實(shí)時過濾，并將過濾結(jié)果再次發(fā)送至FPGA的輸出緩存中，等待采集器背板總線讀取。系統(tǒng)采用FPGA技術(shù)進(jìn)行1553B總線的協(xié)議轉(zhuǎn)換，避免使用專用的協(xié)議芯片。同時，系統(tǒng)采用DSP進(jìn)行1553B消息的實(shí)時過濾，提高了系統(tǒng)工作的靈活性。

圖2　系統(tǒng)工作流程圖

2　1553B總線數(shù)據(jù)實(shí)時過濾的方法與實(shí)現(xiàn)

2.11553B總線數(shù)據(jù)實(shí)時過濾的方法

1553B總線實(shí)時數(shù)據(jù)過濾的方法由循環(huán)法和查表法兩種。循環(huán)法，將實(shí)時過濾的條件依次存儲在DSP的RAM中，當(dāng)收到新的數(shù)據(jù)時，將該數(shù)據(jù)逐一與存儲在RAM中的過濾條件進(jìn)行比較。若兩者相同，則保留數(shù)據(jù)；否則，丟棄數(shù)據(jù)。查表法，將每一個過濾條件的值為地址，在RAM中存儲判斷值，比如“1”(代表過濾條件存在)或者“0”(代表過濾條件不存在)。當(dāng)收到一新的數(shù)據(jù)時，以該數(shù)據(jù)為地址在RAM中尋址，若讀取到“1”時，說明該數(shù)據(jù)符合過濾條件，保留；若讀取到“0”，說明該數(shù)據(jù)不符合過濾條件，丟棄。

循環(huán)法占用RAM空間比較小，但是效率低下，適用于1553B配置信息量比較少的情況；查表法占用RAM空間大，但是效率高，適用于1553B配置信息量比較大的情況。由于飛行試驗(yàn)所要提取的1553B消息數(shù)量一般都比較大，本文采用查表法進(jìn)行1553B數(shù)據(jù)字的實(shí)時過濾。

2.21553B總線數(shù)據(jù)實(shí)時過濾的實(shí)現(xiàn)

1553B數(shù)據(jù)字的查表法過濾，需要在DSP外部RAM中按照1553B配置信息構(gòu)建若干配置表格。這些配置表以1553B消息類型進(jìn)行劃分，表格1存儲BC-RT的配置信息，表格2存儲RT-BC的配置信息，表格3存儲RT-RT的配置信息，依次類推，表格10存儲“帶數(shù)據(jù)字的廣播方式指令”的配置信息。根據(jù)1553B配置信息，在相應(yīng)的表格中以配置值作為地址進(jìn)行寫“1”存儲，那么沒有寫入“1”的地址即是沒有被配置的1553B信息。如圖3所示，當(dāng)收到一條新的1553B消息時，根據(jù)此條消息的類型，映射到某一個配置表格，再取出收到1553B消息的命令字，取出相應(yīng)的RT號和子地址號，組合為一個新的數(shù)據(jù)，以這個數(shù)據(jù)為地址在該表格中尋址，若讀取到數(shù)據(jù)“1”，則保留該數(shù)據(jù)，若讀取到數(shù)據(jù)為非“1”，則丟棄該數(shù)據(jù)。

圖3　1553B消息過濾的查表機(jī)制

過濾后的1553B數(shù)據(jù)字符合1553B的配置，最終按照特定的格式與序列存儲在FPGA的雙口RAM內(nèi)，等待采集器背板總線讀取。

3　實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證該方法的有效性，開展了實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證和飛行試驗(yàn)驗(yàn)證。一方面，實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證通過1553B總線信號源為采用該方法而研制的1553B總線采集板卡傳送總線數(shù)據(jù)，并根據(jù)需要設(shè)定特定的1553B總線數(shù)據(jù)字作為過濾條件，通過計(jì)算機(jī)軟件實(shí)時觀察過濾結(jié)果，并計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)延遲量。根據(jù)驗(yàn)證結(jié)果，該方法可以實(shí)現(xiàn)1553B總線的數(shù)據(jù)字過濾；另一方面，開展了必要的飛行試驗(yàn)驗(yàn)證，將根據(jù)此方法而研制的1553B總線采集板卡與采集器一起安裝在飛機(jī)中，以便采集機(jī)載1553B總線數(shù)據(jù)。預(yù)先在1553B總線采集板卡中設(shè)定需要的1553B總線數(shù)據(jù)字。飛行試驗(yàn)后，將這些采集到的數(shù)據(jù)與機(jī)載數(shù)據(jù)源進(jìn)行對比，從而驗(yàn)證該方法的有效性與實(shí)用性。經(jīng)飛行試驗(yàn)驗(yàn)證，該方法可以將機(jī)載1553B總線的數(shù)據(jù)字按照特定的條件過濾出來，滿足飛行試驗(yàn)的需要。

4　結(jié)束語

針對飛行試驗(yàn)中1553B總線數(shù)據(jù)實(shí)時采集，基于FPGA和DSP技術(shù)，本文提出了一種快速、靈活的1553B實(shí)時采集技術(shù)，詳細(xì)論述了飛行試驗(yàn)中1553B總線采集特點(diǎn)與方法，闡述了1553B總線數(shù)據(jù)的快速過濾方法與實(shí)現(xiàn)。根據(jù)此技術(shù)方法而研制的1553B總線采集板卡，不僅可以實(shí)時采集1553B總線，還可以對1553B總線中的部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時過濾，可以滿足飛行試驗(yàn)的工程需要。

[1] 李鵬,鄭賓.基于FPGA的MIL-STD-1553B總線控制器的設(shè)計(jì)[J]. 電腦知識與技術(shù),2012,8(1):112-114.

[2] 徐貴賢. 1553B總線簡介及其實(shí)現(xiàn)[J].通信技術(shù),2011,44(5):166-168.

[3] 趙爽.通用1553B總線消息解析軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子測量技術(shù),2010,33(1):78-81.

[4] 張?jiān)ラ?1553B總線原理及其應(yīng)用[J].現(xiàn)代電子工程,2004(4):27-28.

[5] 盧虎.1553B總線接口通用測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子測量技術(shù),2008,31(6): 76-78.

[6] 臧佳.基于SOPC的1553B通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測量與控制,2011,19(11):2831-2833.

Way of Real-time Acquisition 1553B Data in Flight Test

Li Guoxing,Liu Ming, Huang Ruchang

(Chinese Flight Test Establishment,Xi′an710089,China)

Aiming at real-time acquisition of 1553B bus in flight test,the new technique of real-time acquisition is proposed,fully utilizes DSP flexibility and FPGA parallelity,the way of finding the words of 1553B bus data message by look-up table is proposed,in order to data monitoring in filght test.The detailed description is discussed in the acquisition way of 1553B bus,and realization. The way and realization of the rapid filtration about 1553B details is also discussed. It is proved that finishing the fuction of acquisition 1553B data,also the 1553B words filtering of 1553B bus data message to meet the demand of flight test.

1553B bus standard; real-time acquisition; real-time filtration; look-up table

1671-4598(2016)04-0120-02DOI：10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.04.036

TP274

A

2015-10-27；

2015-11-09。

李國星(1981-)，男，河南洛陽人，碩士，工程師，主要從事飛行試驗(yàn)、測試系統(tǒng)方向的研究。