1553B總線分析及國產化研究

張秀梅 吳祖民

摘 要：1553B總線是一種集中式的時分串行總線，目前已廣泛應用于海、陸、空三軍，具有一網蓋三軍之稱。但是由于基于1553B標準的總線核心技術長期由歐美公司所壟斷，因此，自主研發1553B總線的協議芯片及產品具有重要的戰略意義。文章詳盡分析了1553B總線系統的耦合方式、網絡拓撲結構、總線字格式、通信協議以及優勢，還介紹了1553B總線技術的各種應用、國產化研究情況以及發展趨勢。

關鍵詞：1553B總線；應用；國產化

為實現航電系統過程控制和狀態管理、各子系統或模塊之間的資源共享、減輕互連介質的重量、降低復雜性，提高信息傳輸的實時性和可靠性；另外，由于航電系統長時間工作在高空、高溫、高速、強電磁干擾以及高強度振動環境中，工作環境比較惡劣，勢必需要一種比較可靠的通信方式。在數據總線領域先后提出了一系列的標準和規范，常見的有ARINC429總線、MIL-STD-1553B總線等[1]。其中ARINC429總線協議是點對點的單向傳輸總線，系統數據傳輸是通過屏蔽雙絞線實現的，它的缺點是速度慢、效率低，不能滿足復雜的航空電子綜合系統的要求；MIL-STD-1553B總線（以下簡稱“1553B總線”）是一種時分制指令/響應多路傳輸數據總線，采用半雙工的通信方式，能把系統通信有效地集成，采用綜合控制和顯示，由于其高可靠性、高速率性和高穩定性，在聯合式航電系統中得以廣泛應用。但是由于基于1553B標準的總線核心技術長期由歐美公司所壟斷，因此，自主研發1553B總線的協議芯片及產品具有重要的戰略意義。國內873項目頒發了國軍標289A，它目前是國產作戰飛機的主流數據總線。本文詳細分析了1553B總線系統的耦合方式、網絡拓撲結構、總線字格式、通信協議以及優勢，還介紹了1553B總線技術的各種應用、國產化研究情況以及發展趨勢。

1 1553B總線介紹

1553B總線采用半雙工的通信方式，傳輸速度為1 Mb/s，每個字字長20位，數據有效位為16位，消息最長長度為32個字，傳輸媒介為屏蔽雙絞線，傳輸協議為命令/響應方式，數據傳輸采用曼徹斯特Ⅱ型碼調制信號[2]。

1.1 系統概述

1553B總線系統主要包括接口模塊、耦合器、電纜等，各個節點之間使用雙絞屏蔽線和總線耦合器連接，耦合方式有直接耦合和變壓器耦合兩種，第一種方式是節點直連到總線上，最長約為30 cm，它的優點是重量輕，維護少；第二種方式是通過隔離變壓器再連接到總線上，最長約為6 m，它的優點是將RT和總線相隔離，減少信號失真度，抑制了共模噪聲，實際應用中通常選擇變壓耦合方式。

1553B總線系統有3種典型的節點：總線控制器（Bus Controller，BC）（唯一一個），遠程終端（Remote Terminal，RT）（最多31個）和總線監視器（Monitor Terminal，MT）。這3種節點的主要分別功能如下[3]。

（1）BC。BC是被安排為執行建立和啟動數據傳輸任務的唯一終端，對于整個飛機總線網絡而言，飛機控制系統即是BC，控制整個飛機各個子系統之間的通信。

（2）RT。RT是接入1553B總線網絡的各個子節點，一個1553B總線網絡最多能接入31個RT。RT是用戶子系統到數據總線上的接口，在BC的控制下發送或接收數據。對于整個飛機總線網絡而言，導航系統、雷達系統、顯示系統、發動機控制系統等都屬于RT，只有當總線控制器BC向某RT發出指令后，該RT才能與BC或者別的RT進行通信。

（3）MT。MT是系統中用于有選擇地接收、記錄總線上傳輸的信息終端。總線監控器不傳輸數據，只受總線控制器BC控制。

1553B總線網絡中所有終端共享一條信息通路，每個終端扮演唯一總線角色，任一時刻網絡中只有一個終端在發送信息，信息可被所有終端接收，接收后終端通過地址來識別。這種網絡結構簡單，任一終端的故障都不會造成系統的癱瘓。總體來說，1553B總線具有以下優點。

（1）線性拓撲結構：便于維護，易于增加或刪除節點，提高系統的可靠性和靈活性。

（2）可靠的傳輸協議：總線按指令/響應的方式異步操作。

（3）冗余容錯能力：傳輸線、總線接口都存在熱備份，極大提高了系統的可靠性。

（4）實時傳輸性：1553B總線的傳輸速率可達1 Mb/s，每條消息最多僅含32個字，因此實時性很強。

（5）高可靠的電氣傳輸：1553B總線傳輸采用變壓器耦合方式，每個終端都能夠安全地與總線隔離。

1.2 1553B總線字格式及通信協議

1553B總線上的數據流由一條條消息組成，而每條消息都由3種類型的字組成：命令字、數據字和狀態字。

1.2.1 字格式

字是一個比特位序列，命令字、數據字和狀態字這3種類型字的字長均為20位：包含同步頭（前3位）、有效數據位（后16位）及奇偶校驗位（最后1位），詳細格式定義如圖1所示[4]。

1.2.2 通信協議

1553B總線每條消息都是由1個命令字、1個狀態字和若干數據字（數目0～32不等）及狀態響應間隔組成的傳輸序列。按照功能劃分，共有10種消息格式：BC->RT、RT-> BC、RT->RT、帶數據字的方式指令（發送）、帶數據字的方式指令（接收）、不帶數據字的方式指令、BC向各RT的通播（廣播接收）、RT->RT廣播、帶數據字的廣播方式指令、不帶數據字的廣播方式指令[5]。前6種消息是在BC的直接控制下進行，要求被訪問的RT作出特定的響應；后4種消息是廣播方式，允許BC或某個RT將消息發送給所有其他終端，但不需要確認接收終端的狀態（無需確認接收端狀態，傳輸效率高但不可靠）[6]。

2 1553B總線的應用和國產化研究

2.1 1553B總線的應用

當總線通信出現問題時，根據總線信息只能判斷出是某個子系統的故障，而難以判斷出是該子系統設備還是對應總線出現了故障，所以很有必要對傳輸信號的波形特征及信息內容進行綜合監測。國外推出的通用航空總線測試系統，已在航空航天綜合測試領域有了廣泛應用，但因成本及協議保密問題，不能很好地引進到國內。文獻[5]針對此問題編制了一個總線信息監控軟件系統，用來采集、保存信號，并與接口控制文件（ Interface Control Document，ICD）庫進行比對，實現信息內容的解析，具備良好的人機交互界面，便于操作者觀察和分析，在解決此類監測總線問題方面有很好的借鑒意義。

遠程終端是總線系統的重要組成部分，借助現代集成電路的不斷集成化，將遠程終端實現片上系統化（System on a Chip，SoC）有很大的實用意義。文獻[5]設計并實現了1553B總線系統掛載SoC模型的遠程終端，實現了上述的10種消息格式，并能夠按照消息通信協議進行數據傳輸和異常消息處理，為總線系統設計和驗證的國產化提供了極重要的參考價值。

2.2 1553B總線的國產化研究

1553B總線在實現數據傳輸功能時，需要使用具備靈活的接口模式，能夠與各種CPU連接的協議芯片，其中典型代表是DDC公司的“ACE”系列協議處理器BU61580和BU65170等最為常用[10]。為更好地保障通信信息安全，擺脫1553B系列芯片市場長期被歐美壟斷的境地，我國于1997年11月發布了GJB289A-97，該標準已成功應用于國內各型飛機研制項目中。目前國內一些科研院所和企事業單位研發出了多款優秀的產品。

很多研發團隊考慮用FPGA實現協議功能的方式替代ACE等協議芯片，這種方法使用方便、靈活而且價格低廉，但只適合于實驗室使用，不適合作為裝備交付用戶。原因是國內的大部分FPGA電磁兼容性能遠遠達不到軍品器件的要求。對此，國家進行技術攻關，終于研制出一種完全用硬件電路實現的協議芯片，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，可完全代替DDC公司ACE系列芯片的產品[8]；芯片EP-H31580，B61580也是屬于自主研制，在功能和性能上能夠達到DDC公司的BU61580的水平，并且研發成本遠遠降低，在實際產品研發生產中已得到應用。

當前，在航電系統迅猛發展的強烈需求之下，對1553B總線方面的技術人才需求日益增多，為培養更多的此類型優秀人才，一種基于HKS1553BCRT芯片的多功能仿真平臺應運而生，此平臺以先進的SoC技術、ARM嵌入式系統和1553B總線技術為基礎，以普及1553B總線應用和SoC架構的芯片編程設計為出發點，對推廣1553B總線技術知識以及SoC芯片的一些基本的使用技巧具有很好的工程應用價值[9]。這些成果在一定程度上改變了軍用1553B芯片及相關產品完全依賴進口的局面，隨著國家對電子器件國產化的日益重視，相信不久，國產芯片會占領越來越多的市場，并且所研發的產品會更具競爭力。

3 1553B總線發展趨勢

MIL-STD-1773總線是1553B總線的光纖版，具有傳輸速率高（20 MB/s）、電磁兼容（Electro Magnetic Compatibility，EMC）好和不產生電磁干擾（Electro Magnetic Interference，EMI）的優點，但是該技術是目前國際最尖端和最前沿的學科，我國技術人員還未掌握該項技術核心，離真正可靠、成熟的應用于航空領域，還需要走很長一段路[10]。在未來一段時間內，1553B總線由于它的高可靠性、實時性、靈活性，仍將在各軍事領域發揮著重要的作用，并且核心技術會朝著抗惡劣環境、抗輻射能力更強以及傳輸速度更快的方向發展。