謝 偉，張 蕾，蘭 天，胡 漣，侯 焱

(北京精密機電控制設備研究所，北京 100076)

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一種伺服測試領域1553B總線的實現(xiàn)架構

謝 偉，張 蕾，蘭 天，胡 漣，侯 焱

(北京精密機電控制設備研究所，北京 100076)

從伺服測試的角度論述了1553B總線在航天領域的應用發(fā)展歷程、在伺服測試領域應用1553B總線的技術積累過程；對于基于1553B總線的伺服測試軟件開發(fā)中經常遇到的問題，提出了一種作為1553B總線BC端的軟件實現(xiàn)架構，并在此基礎上實現(xiàn)了基于C++語言的通用1553B伺服測試類庫；經過近十年的應用，經歷了多個種類、近百次大型試驗的考核，證明了其穩(wěn)定性和可靠性，已經成為伺服測試領域1553B總線的基礎解決方案；該類庫對伺服測試軟件模塊化、通用化、產品化具有借鑒意義。

1553B總線BC端實現(xiàn);數(shù)字式伺服測試;消息鏈;數(shù)字信號發(fā)送和采集

0 引言

目前，越來越多的運載火箭產品選用MIL-STD-1553B 協(xié)議(以下簡稱1553B總線)[1]作為數(shù)字通信的標準解決方案，在伺服測試領域采用1553B總線也變成了一種必然選擇。在航天領域選擇1553B作為數(shù)字總線的技術方案是一個循序漸進的過程。最早在2004年某產品首次采用1553B總線，隨著該產品首飛一次圓滿成功，1553B總線作為全局數(shù)字總線的標準地位得到確立。隨后CZ-5、CZ-7產品也采用1553B總線作為數(shù)字通信方案，而且它們是一個三余度的總線系統(tǒng)；多個種類產品也全面采用1553B總線方案；最新的產品也一并采用1553B總線?？梢哉f無1553B總線，航天系統(tǒng)各產品全面采用1553B總線。

1 總結結構及原理

1553B總線的應用技術經歷了一個從摸索到逐漸成熟的過程。在伺服測試領域，1553B總線的應用技術包括：1553B總線的軟件開發(fā)實現(xiàn)技術、1553B板卡及總線電纜等硬件的設計選用。本文提出了一種1553B總線BC端伺服測試數(shù)字信號發(fā)送和采集架構，它于2004年在某伺服測試軟件中以1553B伺服測試類庫形式第一次實現(xiàn)，其框架結構設計精巧靈活、可擴展性好、穩(wěn)定性強、可靠性高；該類庫框架不需做任何改變，只需更改某些實現(xiàn)函數(shù)即可用于新產品。該類庫用于CZ-5、CZ-7等多個種類產品伺服測試軟件中，經過近10年的成功應用，為這些產品伺服測試儀開發(fā)、調試、應用、排故節(jié)省了大量時間、資金成本，已經成為伺服測試軟件的基礎組件之一。

1.1 1553B總線概述

1553B總線是指美國軍方于1978年發(fā)布的MIL-STD-1553B《數(shù)字式時分制指令/響應型多路傳輸數(shù)據總線》標準[2]。它廣泛地應用于不同的軍事平臺系統(tǒng)(航空系統(tǒng)、地面車輛系統(tǒng)、艦艇系統(tǒng))。我國的國軍標稱之為GJB289A數(shù)據總線標準[3]，最早于1987年推出了GJB289A-87版本；1997年對該標準進行了修訂，升級為GJB289A-97版本[4]。1553B總線有如下特點：

1)終端類型有三種：總線控制器(BC)、遠程終端(RT)和監(jiān)視器(BM)[5]；

2)是一種廣播型分布式網絡，可接入32個終端，共享一條消息通路，同時刻只有一個終端占用網絡發(fā)送消息，消息發(fā)送到所有終端，實際接收的終端通過地址識別消息；

3)總線采用雙冗余方式提高對網絡故障的容錯性；

4)總線傳輸速率為1 Mb/s，每條消息最多包含32 個字(每字16位)，傳輸一條消息的最大響應時間為752 μs[6-7]；

5)按指令/響應方式異步操作，即總線上所有消息的傳輸由BC發(fā)出的指令控制，相關終端響應指令并執(zhí)行。

1.2 1553B總線BC端的特性

1553B總線協(xié)議定義了三種終端類型：BC、RT、BM；BC是主控端，其它都是被控端；BC通過發(fā)送消息控制總線?？偩€消息由三部分組成：命令字、數(shù)據字和狀態(tài)字；每個字的長度為20位，由三部分組成：同步域(3位)、消息塊(16位)和奇偶校驗位(1位)[8-9]。在傳輸過程中各種字所需時間：命令字、狀態(tài)字和數(shù)據字均為20 μs，響應時間最長為12 μs[10]。不同板卡廠家對總線協(xié)議的實現(xiàn)有差別，一種BC端消息結構如圖1所示。

圖1 一種1553B總線BC端消息結構圖

消息類型分為：BC->RT消息、BC<-RT消息、RT->RT消息、模式消息(不帶數(shù)據的模式命令、帶數(shù)據的模式命令)、廣播BC->RT消息、廣播RT->RT消息、廣播模式消息(不帶數(shù)據的模式命令、帶數(shù)據的模式命令)。它們如圖2所示。

圖2 1553B總線消息類型圖

2 伺服測試對1553B板卡的要求

2.1 數(shù)字式伺服測試概述

數(shù)字式伺服測試的基本概念是伺服測試儀通過1553B總線(本文不考慮其它總線通信方式)與伺服系統(tǒng)控制器通信，向系統(tǒng)控制器發(fā)送指令信號，同時要求返回伺服通道數(shù)據；再由系統(tǒng)控制器通過模擬電纜和伺服機構通信，實現(xiàn)伺服系統(tǒng)的閉環(huán)控制和特性測試。

在1553B總線通信中，伺服測試儀作為BC主控端，伺服系統(tǒng)控制器作為RT端。1553B總線消息由伺服測試儀主動發(fā)出，系統(tǒng)控制器對消息被動響應。在伺服測試領域使用1553B總線的特殊性在于在一個指令周期內一個BC端不僅要發(fā)控制信號，還要發(fā)采集信號；由于伺服測試一般都是長程測試，這需要及時更新指令信號數(shù)據區(qū)、及時取得采集數(shù)據并保存到用戶緩沖區(qū)。

伺服測試對于1553B總線的直接需求是實現(xiàn)測試任務書中的1553B總線通信協(xié)議。通過對各產品伺服測試軟件任務書的分析總結，對伺服測試儀來說，1553B總線的使用方式有以下兩種：

1)作為控制端，發(fā)送控制指令，同時采集伺服機構狀態(tài)。

2)只是作為狀態(tài)觀察端，采集伺服機構狀態(tài)參數(shù)，附加傳遞一些控制信息。

其實第一種需求是控制端把信號波形發(fā)送到伺服端，同時回采伺服參數(shù)。第二種情況可以看作第一種情況的特例。

伺服測試對1553B總線的隱含重要性能需求是：

1)能發(fā)出較高頻率信號。

2)每個頻率點不能有漏點、點間隔時間不準的情況。

這兩種要求也是在1553B總線測試軟件開發(fā)中常遇到的難題。

2.2 伺服測試對1553B板卡的要求

伺服測試指伺服測試儀把一定周期、頻率、幅值的指令信號(電壓或電流)發(fā)送到伺服系統(tǒng)，同時把伺服系統(tǒng)的各種通道參數(shù)實時采集并顯示出來，實時或測后進行特性數(shù)據處理。數(shù)字式伺服測試指把模擬指令信號變成數(shù)字信號，通過總線把信號發(fā)送到伺服系統(tǒng)控制器，同時通過總線把系統(tǒng)控制器采集的通道參數(shù)傳輸回伺服測試儀；系統(tǒng)控制器再進行模擬信號的發(fā)送和采集，驅動伺服機構動作。

對于基于1553B總線的數(shù)字式伺服測試，需要完成以上基本功能。因此對1553B總線及其板卡提出了以下需求：

1)功能要求，發(fā)信號的同時采集數(shù)據；

2)性能要求，發(fā)信號要滿足規(guī)定的頻率要求；這就要求：總線板卡定時要準，且實現(xiàn)時不能有丟幀、漏幀現(xiàn)象；

3)性能要求，滿足較高頻測試要求；伺服測試需要頻率特性測試，時常會有掃頻要求，頻率點會達到80～100 Hz，這樣的需求就和1553B總線1 Mb/s總線傳輸率相沖突，特別是有三余度測試需求時沖突更明顯；

4)性能要求，1553B采集數(shù)據一般要用于數(shù)據處理，要求采集數(shù)據要準，不能出現(xiàn)丟幀、漏幀現(xiàn)象；

5)功能要求，1553B板卡要用于伺服測試，需要有兩個緩沖區(qū)，消息緩沖區(qū)和數(shù)據緩沖區(qū)；

6)功能要求，1553B板卡要用于伺服測試，需要提供動態(tài)機制，特別是動態(tài)取數(shù)機制；機制要可靠穩(wěn)定，不能造成丟幀、漏幀現(xiàn)象；

這些需求造成開發(fā)穩(wěn)定可靠的基于1553B總線的伺服測試系統(tǒng)有難度，需要精心設計一套運行機制。通常，其它領域如航空系統(tǒng)，對于1553B總線的使用沒有這么復雜。首先，不會有這么高的頻率要求，一般也就傳輸一些控制、狀態(tài)信息；其次，發(fā)信號和采集會采用兩個端點實現(xiàn)，一個BC端發(fā)信號，一個BM端采集數(shù)據。這些都會降低應用難度。

3 1553B總線測試架構的設計

3.1 類庫的設計

基于對伺服測試需求的詳細分析，設計了一套1553B伺服測試類庫。該類庫基于C++語言，使用VC開發(fā)環(huán)境實現(xiàn)，擴展性強、具有可移植性。1553B伺服測試類庫實現(xiàn)了伺服測試對1553B總線應用的常用功能封裝，使用該類庫可快速實現(xiàn)各產品1553B總線接口協(xié)議中所規(guī)定的各項功能。

以下主要從靜態(tài)結構圖、消息鏈的設計、動態(tài)消息中斷處理機制3個方面對該類庫進行詳細介紹。類庫的靜態(tài)結構圖如圖3所示。

圖3 1553B伺服測試類庫靜態(tài)結構圖

該類庫包括兩個基本類：Pack1553類、CmdBase類；CmdBase類有一個派生體系，CmdMain、CmdExstop、Cmdrtselftest、CmdSync類都是從CmdBase類派生出來的，它們都是具體的1553B總線要求功能的封裝類；還有一個輔助類包：MemManager、SystemStatus、Ctrlwd、Cmdwd。Pack1553類封裝了1553B總線協(xié)議BC端的基本操作命令、以及伺服測試實現(xiàn)機制的基本函數(shù)。該類設計了一個后臺線程，它和基本函數(shù)一起構成了伺服測試數(shù)字信號發(fā)送和采集的基本實現(xiàn)框架。CmdBase系列類是對伺服測試任務書中1553B總線的具體封裝類，協(xié)議中的一個功能需求點通常封裝為一個類。如Cmdrtselftest表示1553B總線RT端即伺服控制器的自檢功能類；CmdSync表示1553B總線協(xié)議的同步功能類；CmdExstop表示1553B總線協(xié)議RT端跑飛時對RT進行軟件復位的功能類；CmdMain類表示協(xié)議中發(fā)信號同時采集數(shù)據功能的測試類。輔助類包中MemManager表示內存管理類，主要完成信號數(shù)據和采集數(shù)據的內存管理、以及通道數(shù)據格式變換等功能；SystemStatus表示全局狀態(tài)類；Ctrlwd、Cmdwd是為方便1553B總線消息中命令字和控制字的格式轉換設計的類。

Pack1553類設計了兩部分功能。一個功能是封裝了1553B總線BC端的基本功能函數(shù)，如：

TransmitCmd函數(shù)，表示BC <- RT消息；

ReceiveCmd函數(shù)，表示BC -> RT消息；

LoadData函數(shù)，表示裝載數(shù)據到1553B板卡的數(shù)據緩沖區(qū)；

ReadData函數(shù)，表示從1553B板卡的數(shù)據緩沖區(qū)中讀取RT端發(fā)送的數(shù)據；

MFTCmd函數(shù)，表示幀間隔定時功能，是實現(xiàn)精確波形頻率的最基本功能；

IntCmd函數(shù)，表示中斷消息，該函數(shù)產生一個中斷計數(shù)；

GotoCmd函數(shù)，表示跳轉指令，完成1553B消息的跳轉功能；

另外一個功能是設計了實現(xiàn)伺服測試的基本框架，它通過一個后臺線程和幾個接口函數(shù)實現(xiàn)。接口函數(shù)是LoadFrames、StartTest、WaitForInt。LoadFrames裝載1553B消息鏈；StartTest開始測試；WaitForInt等待已開始的1553B消息鏈測試結束事件。而最重要的后臺線程完成了伺服測試數(shù)字信號發(fā)送和采集的底層機制。其有限狀態(tài)機如圖4所示。

圖4 Pack1553后臺線程的有限狀態(tài)機圖

3.2 消息鏈的設計

伺服測試最重要的需求是按一定頻率把指令信號波形發(fā)送到控制器端，同時接收從控制器端傳送回的伺服通道數(shù)據。它的實現(xiàn)體現(xiàn)在類庫中CmdMain類的設計上，CmdMain類及其派生類的變量都具有信號發(fā)送和數(shù)據接收功能。該類的設計包括兩個主要部分：消息鏈靜態(tài)結構的設計及動態(tài)消息中斷處理機制的設計。

先定義以下概念：消息鏈、幀、子幀、消息。子幀是由一個或多個不同的消息組成的消息子序列；幀是由一個或多個子幀組成的消息子序列；消息鏈是由一個或多個幀組成的消息序列，可以是循環(huán)的，也可以是順序的。

針對伺服測試的特殊需求，在CmdMain類中設計了一個環(huán)形消息鏈，如下圖5所示。它由三部分組成，分別為前子幀、主幀、后子幀。前子幀是由一個或多個消息組成的順序消息子序列。后子幀是由一個或多個消息組成的順序消息子序列。主幀是由多個相同的主子幀組成的循環(huán)消息鏈，一個主子幀是包含一個或多個消息組成的順序消息子序列。前子幀一般設計為包括同步消息在內的需要事前一次性處理的消息子序列。后子幀一般設計為包括回零信號消息在內的需要事后一次性處理的消息子序列。

圖5 1553B消息鏈靜態(tài)結構圖

主幀的設計是關鍵，它是數(shù)字信號發(fā)送和采集功能實現(xiàn)的關鍵點。主幀由多個相同的主子幀組成，主子幀一般包括MFT消息、發(fā)信號消息、采集消息、跳轉消息、中斷消息等消息組成的順序消息子序列。其中MFT消息決定了數(shù)字信號發(fā)送頻率的準確性。主子幀一般和信號波形中的一個信號點具有對應關系。主幀的靜態(tài)結構設計包含以下內容：主子幀中消息組合的設計、一次循環(huán)中主幀所包含的主子幀個數(shù)、及主幀的循環(huán)次數(shù)、尾循環(huán)中主幀所包含的主子幀個數(shù)、跳轉指令的設計。本人設計了一個消息鏈參數(shù)計算算法，利用它可以輕松求出主幀循環(huán)次數(shù)、主子幀個數(shù)等參數(shù)。通過簡單調整主子幀消息個數(shù)即可生成不同的消息組合。而且該算法不依賴于具體的1553B板卡，它有一個板卡消息緩沖區(qū)長度參數(shù)MAXDATABLKS，使用它可輕松適應不同的硬件板卡。

在消息鏈的設計中還要考慮一個因素：消息鏈所帶數(shù)據區(qū)的設計。一般1553B板卡都有一個消息緩沖區(qū)和一個數(shù)據緩沖區(qū)，兩者長度相同。通常一個消息帶有一個數(shù)據段。本算法采用簡單設計，消息和數(shù)據段一一對應，即消息號和數(shù)據區(qū)號相同；不區(qū)分不帶數(shù)據段的消息情況。

主幀的消息結構在信號發(fā)送過程中不是一成不變的，有一個動態(tài)過程。它通過動態(tài)消息中斷處理機制實現(xiàn)，具體體現(xiàn)在CmdMain類虛函數(shù)MUX_ISR的設計實現(xiàn)上。該函數(shù)的邏輯流程圖如圖6所示，主要處理以下內容：

1)更新下一周期的發(fā)送緩沖區(qū)；

2)取得當前周期的采集數(shù)據；

3)判斷是否需要處理跳轉消息；

4)若是尾循環(huán)，進行尾循環(huán)處理。

圖6 CmdMain::MUX_ISR邏輯流程圖

3.3 類庫的使用

類庫的使用簡潔明了，按以下步驟：

1)從CmdBase或其派生類派生出一個新的1553B總線功能類；

2)設計該類的消息鏈，即重載LoadFrames函數(shù)；

3)處理消息鏈，即重載MUX_ISR函數(shù)；

4)調用生成的新類，以CmdSync類為例，調用方式如圖7所示。

圖7 類庫對象使用的協(xié)作圖

4 應用情況

4.1 板卡選擇

該1553B伺服測試類庫開發(fā)完成后，應用于兩類1553B板卡：Excalibur公司的EXC-1553PCI/MCH、神州飛航公司的AEC1553-CPCI-FBC31RT_S1/S3。2004年～2009年，早期產品如CZ-5模樣狀態(tài)等使用Excalibur公司的1553B板卡，2009年～至今，CZ-5初樣、試樣、CZ-7等產品使用神州飛航公司的1553B板卡。

這些板卡應用到伺服測試上經歷了一個逐步改進、完善的過程。Excalibur公司的1553B板卡提供了一套完整的消息鏈構造機制，并通過中斷消息加中斷計數(shù)方式實現(xiàn)動態(tài)消息更新機制，1553B伺服測試類庫可以輕松應用到該板卡上。神州飛航公司的1553B板卡的使用情況就復雜多了。國產板卡的設計適用性、強壯性、測試充分性就要欠缺很多。它本來是用于航空領域測試的1553B總線板卡；應用到伺服測試領域經歷了一個發(fā)現(xiàn)問題、板卡框架重新設計、測試、驅動完善、狀態(tài)穩(wěn)定的漫長試用周期。從2007年～2009年逐步解決了頻率不準、丟幀、中斷工作方式錯誤、強度測試異常等問題，進入穩(wěn)定期，2010年～至今在伺服測試過程中沒有出現(xiàn)和1553B總線有關的測試問題。

4.2 在產品中的應用情況

隨著各產品伺服測試廣泛采用1553B總線，該伺服測試類庫已經作為伺服測試軟件的一個標準組件，用于實現(xiàn)各產品任務書中規(guī)定的15553B總線接口協(xié)議要求。

某類型產品是第一個使用1553B總線的產品。2004年，有關1553B總線的資料、應用、信息都很匱乏，關于1553B總線系統(tǒng)的開發(fā)需要摸索。在該產品伺服測試軟件的開發(fā)中，第一次設計并使用了1553B伺服測試類庫。用于該產品總成、單元測試軟件上，經過了多次總成測試、氦吹測試、及各類大型試驗，圓滿完成了該產品兩級伺服系統(tǒng)基于1553B總線的伺服特性測試，初步證明了該類庫的性能穩(wěn)定可靠。

隨后在某類型產品伺服測試軟件中也使用該類庫作為1553B總線協(xié)議的實現(xiàn)組件。該產品1553B總線協(xié)議狀態(tài)復雜，分A、B、C三種大的狀態(tài)，而其它種類產品1553B總線協(xié)議連續(xù)性較強。這也考驗該1553B伺服測試類庫的適用性、可維護性、可擴展性。通過派生新類、組合消息鏈、處理中斷等標準使用流程完全可開發(fā)出適合上述復雜1553B總線協(xié)議的伺服測試軟件。而且開發(fā)出的軟件也經歷了多次多類型的大型測試試驗的考驗，驗證了其穩(wěn)定性與可靠性。

CZ-5、CZ-7產品也是該類庫的主要應用產品。這兩個產品的伺服系統(tǒng)是一個三余度系統(tǒng)，測試狀態(tài)和1553B總線要求比較復雜。要實現(xiàn)三級伺服系統(tǒng)測試、系統(tǒng)控制器測試、RT余度故障模擬測試。在消息鏈、中斷處理設計上需要考慮向三個RT發(fā)信號、從三個RT采集數(shù)據的情況，要解決頻率特性測試與1553B總線帶寬有限的矛盾。通過對該類庫的適應性調整，解決了以上測試需求。從2008年至今，這兩個產品模樣、初樣、試樣進行了大量的所內測試、仿真試驗測試、帶載特性摸底試驗、振動試驗、產品研制關鍵節(jié)點的伺服系統(tǒng)和發(fā)動機聯(lián)合熱試車等近百次所外大型試驗，沒有出現(xiàn)一次和1553B總線相關的測試問題，證明了該類庫的穩(wěn)定性和可靠性。

目前，正在開發(fā)應用的新產品上也使用了該類庫。該產品的1553B總線協(xié)議要求1553B總線作伺服系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測用，不參與特性計算；所采數(shù)據作狀態(tài)分析用，要求數(shù)據時間精確。經過產品總體人員對該產品單元測試軟件所采1553B總線數(shù)據的多次比較分析，證明了總線數(shù)據時間精確、不漏點。

該類庫不僅用在1553B總線上，還用于VxWorks系統(tǒng)及Can總線的開發(fā)。由于該類庫采用C++語言設計，可以很方便的從Windows系統(tǒng)移植到VxWorks系統(tǒng)，在已完成的VxWorks伺服測試軟件中得到了驗證。而且，該類庫框架具有廣泛適用性，只要去掉Pack1553類中1553B總線相關接口，換成其它數(shù)字總線接口函數(shù)，其動態(tài)響應機制及整個類庫都可應用于其它數(shù)字總線。有關Can總線類庫的移植應用已在探索中。

5 結論

在伺服測試領域采用1553B總線式數(shù)字測試技術是大勢所趨。當前伺服研制任務重時間緊，對伺服測試有更迫切需求，對伺服測試軟件系統(tǒng)開發(fā)提出了更高要求：在最短時間內開發(fā)出高可靠、高性能、高精度的伺服測試軟件，以滿足伺服高密度、高強度測試需要。本文提出了一種1553B總線BC端伺服測試架構，論述了基于C++語言通用1553B伺服測試類庫的具體實現(xiàn)。通過多個產品十多年百余次大型試驗考核，該類庫具有高可靠性，擴展性、移植性、適用性強，已經成為基于1553B總線伺服測試的基礎解決方案。

通用化、產品化是產品設計的追求目標。該類庫廣泛應用于多個產品，一次開發(fā)多個產品共用，很好詮釋了軟件模塊化、通用化、平臺化的理念。它節(jié)省了開發(fā)人員的大量時間、精力，使其致力于共同維護一個產品，提高了人員效率，也提高了產品質量。

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An Implementation Architecture of 1553B Bus In Servo Test Area

Xie Wei，Zhang Lei， Lan Tian，Hu Lian，Hou Yan

(Beijing Research Institute of Precise Mechanical and Electronic Control Equipment, Beijing 100076，China)

The developing process of the 1553B bus in aerospace area, especially in servo test area, is introduced. The common questions usually met in the development of servo test software systems based on the 1553B bus are also discussed. More, an efficient and strong application architecture for solving the 1553B bus BC part realization in servo test area is discussed in detail, The solution based on the architecture is the universal servo test class library based on the C++ language. The class library is so stable and reliable that it has been used in so much critical tests of many research types in recent ten years. It has been the base solution for the 1553B bus application in servo test area. It also provides an

ignificance for the modularization, universalization and production of servo test software systems.

1553B Bus BC part realization; digital servo test; message link; digital signal sending and acquisition

2015-12-25；

2016-01-28。

新一代運載火箭項目(C0100181001)。

謝 偉(1974-)，男，山東濟寧人，碩士研究生，高級工程師，主要從事航天伺服測試軟件方向的研究。

1671-4598(2016)06-0128-05

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.06.035

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