基于1553B總線的導彈武器系統通信協議設計與仿真*

張 楊，徐宏偉，黎玉剛，吳 超，李延寧

(中國兵器工業第203研究所，西安 710065)

0 引言

隨著現代科技的快速發展，導彈武器系統各部件間的通訊也越來越復雜，系統的通信方式也從原來的模擬量向 RS422總線、CAN 總線、1553B［1］等總線式通信轉變。

作為導彈武器系統的“神經”網絡，總線式通信能夠保證武器系統正常、有序的工作，完成各項功能。信息傳輸品質的好壞直接影響整個武器系統的制導精度。文中針對基于1553B總線的導彈武器系統通信協議設計中的協議可行性驗證困難的問題，設計了彈上系統1553B總線通信協議并進行了仿真驗證。

1 武器系統總線通信協議設計

1.1 彈上系統信息流分析

導彈武器系統主要由彈載計算機、導引頭、組合導航裝置、安全自毀裝置、舵機、彈載記錄儀組成［2］。在導彈的飛行過程中，導引頭和組合導航裝置不斷獲取目標信息、導彈運動參數等，并實時發送給彈載計算機，彈載計算機在收到有關數據后，立即進行高速制導和導航運算，得到相應控制參數，并將其發送給舵機，舵機控制導彈按照預定的軌道飛行。在導彈未命中目標時，彈載計算機給安全自毀裝置發送安全自毀命令，導彈自毀。彈載記錄儀負責記錄彈上所有通信數據?；谏鲜龇治隹芍搹椛舷到y信息流可以分為指令消息(如安全自毀命令)、應答消息(如自毀裝置反饋的應答結果)和周期性傳輸消息(如目標信息)。

1.2 1553B總線拓撲及應用層協議設計

1553B總線為數字式時分制指令/響應型數據總線，其基本結構如圖1所示。

圖1 多路傳輸數據總線基本結構圖

基于上述分析及彈上數據流特點，得到該彈上系統總線拓撲，如圖2所示。

圖2 導彈武器總線通信系統網絡拓撲結構圖

GJB289A-97［1］定義了1553B總線的10種消息格式，具體分析后可以總結為以下8種:M1:表示BC到RT或RT到BC消息傳送方式;M2:表示RT到RT消息傳送方式;M3:表示BC到RT消息廣播傳送方式;M4:表示RT到RT消息廣播傳送方式;M5:表示不帶數據字的方式指令傳送方式;M6:表示帶數據字的方式指令發送或接收方式;M7:表示方式指令，不帶數據字的廣播傳送方式;M8:表示方式指令，帶數據字的廣播傳送方式。

對于彈載計算機發向部件的控制指令可以采用M1方式或者M3方式，如彈載計算機發送給各個部件的自檢命令可以采用M3的廣播傳送方式來完成。結合彈上數據流特點，根據消息格式的不同，該彈上系統1553B總線數據傳輸如表1所示。

1.3 1553B總線系統的技術指標

1553B總線系統的技術指標主要有總線負載、總線效率、總線傳輸延遲時間、系統的可靠性和誤字率等［3］。

總線負載衡量總線上信息傳輸擁擠程度，是指總線上實際傳輸信息所需的時間占通信系統總激活時間的百分比?？偩€效率是指總線在傳輸消息的時間內，傳輸有效數據位占總的傳輸位的百分比，它只與1553B總線消息傳輸的固定格式有關，是1553B總線自身特性的一種體現。傳輸延遲時間是指1553B總線上消息從一個子系統發送出去到另一個子系統接收到所用時間，它與總線負載相關，當總線負載率在某一范圍內時，總線傳輸延遲對總線設計的影響可以不予考慮。由于1553B總線采用了余度設計和故障隔離設計可以有效保障其硬件可靠性。在傳輸數據過程中由于受到噪聲等各種干擾可能產生錯誤的概率，即為誤字率。1553B總線采用重傳技術，使1553B總線系統對各種干擾具有很強的抑制能力。

表1 1553B總線數據傳輸表

綜上所述，1553B總線系統的技術指標中，對總線設計影響最大最直接的是總線負載率和總線傳輸延遲時間，其中總線傳輸延遲時間與總線負載率相關聯，因此，通過對總線負載率設計計算及試驗仿真，可以對1553B總線應用層協議設計的有效性和可行性進行驗證。

在軍用條件下，根據實際應用經驗，總線負載率應嚴格規定不能超過80%。超出該界限，總線的定時和數據傳輸必須嚴格控制，否則，在異常情況(如出錯處理或非周期數據突發處理)下，會打破系統的處理機制，引起通信阻塞。通常軍用場合允許的總線負載率為50% ～70%，保留30% ～50%的總線吞吐量的余量，為系統升級保留足夠的余度［4］。

2 武器系統總線負載率計算

根據1553B總線標準協議［1］，1553B總線的標準傳輸速率為1 Mbps，即8 μs可以傳輸8 Bit的數據。此外在計算總線負載率時，需要做如下符合標準的假設:

假定響應時間平均值為8 μs(1553B標準中響應時間規定為 4～12 μs)，消息的間隔假定為8 μs(1553B標準中規定最小消息間的間隔為4 μs)。

在以上假設的前提下，由所總結的8種消息格式可得到表2。

根據表1中數據及表2中公式，可以方便的計算出1553B總線通信系統的理論負載率［5］。

在計算時，需要兩種狀態下的總線負載率:一種是只考慮周期性數據下的總線負載率，稱之為半載負載率;另一種是將周期性數據和非周期性數據都考慮的總線負載率，而且非周期性數據在周期性數據中一個最大周期時間段內全部發送的情況(這是一種理想狀態)，稱之為滿載負載率，也稱為最大負載率。

表2 1553B總線負載率計算表

1553B系統的理論總線負載率計算公式如下:

只考慮周期性數據，可由表2計算總線半載負載率如下:

1)完成該系統每10 ms內傳輸的周期性數據量累計為1 476 Bit;

2)10 ms總線上的最大傳輸數據量為10 000 Bit;

3)根據式(1)，可得所設計通信系統的理論總線半載負載率為14.76%。

考慮周期性數據和非周期性數據，可由表2計算總線滿載負載率如下:

1)完成該系統每10 ms內傳輸的總數據量累計為2 672 Bit;

2)根據式(1)，可得所設計通信系統的理論總線滿載負載率為26.72%。

所設計的武器通信系統的理論總線滿載負載率為26.72%，半載負載率為14.76%，遠小于最大負載率50%～70%的要求，導彈武器系統1553B總線通信協議的理論設計是可行的。

3 1553B通信系統仿真

仿真驗證系統構成如圖3，主要包括:單通道多功能1553B通信板(模擬BC)、多通道多功能1553B通信板(模擬4個RT和BM)、差分示波器、若干變壓耦合器、2個120 Ω終端電阻。

仿真驗證表明:所設計的總線應用層協議能夠正常通信;并得到了不同工況下的總線實時通信波形，如圖4～圖7所示。通過測量圖4、圖6中的總線占用時間，可以得到該協議條件下的總線負載率。

從圖4中，可以得到半載情況下數據傳輸的周期為10 ms，與所設置的周期是一致的;從圖5中，可以得到在10 ms周期內，傳輸完所有周期性消息所用時間為1.432 ms;從圖6中，可以得到滿載情況下數據傳輸的周期為10 ms;與所設置的周期是一致的。從圖7中，可以得到在10 ms周期內，傳輸完所有非周期性和周期性消息所用時間為2.644 ms。

圖3 仿真驗證系統布置圖

圖4 半載情況下的波形全貌

圖5 半載情況下一個周期中發送的消息

圖6 滿載情況下的波形全貌

圖7 滿載情況下發送的消息

1553B總線的實際負載率計算公式如下:

根據上述公式，可得所設計的武器系統的1553B總線通信系統的實際半載負載率為14.32%，滿載負載率為26.44%。

所算出的實際半載負載率為14.32%，滿載負載率為26.44%，而在前面所算的理論半載負載率為14.76%，滿載負載率為26.72%，由于示波器存在測量誤差以及前文所提假設的誤差導致理論與實際負載率之間存在一定誤差。

4 結論

基于1553B總線的導彈武器通信系統設計是導彈電氣系統彈上信息一體化設計的重要組成部分。結合導彈通信系統的傳輸特點，從總線拓撲結構、總線傳輸數據流等方面對導彈武器系統進行了分析研究，并進行了試驗仿真驗證，最終得到如下結論:

1)所設計的總線應用層協議能夠正常通信;

2)所設計通信系統的實際總線半載負載率14.76%、滿載負載率26.72%遠小于最大負載50%～70%的要求，所設計的武器系統1553B總線通信系統方案合理可行。

該設計方案為武器系統研制提供了有效保障，并為今后設計基于1553B總線武器系統的通信設計提供了借鑒。

［1］國防科學技術工業委員會.GJB 289A-97飛機內部時分制指令/響應型多路傳輸數據總線要求［S］.北京:中國標準出版社.

［2］陳亮，劉麗霞，劉經宇.基于1553B協議的導彈控制系統信息流設計探討［J］.計算機測量與控制，2012，20(8):2180-2182.

［3］張昳玲，向軍.測發控系統1553B總線試驗方案設計及實現［C］∥第二屆上海航天科技論壇暨上海市宇航學會2007學術年會，2007:257-262.

［4］侯朝建.1553B總線通信信道負載和效率評估［D］.成都:電子科技大學電子與通信學院，2007.

［5］趙昶宇，顏昌翔，于平.1553B總線上消息的實時調度［J］.光學精密工程，2010，18(3):732-740.