機載1553B總線設備遠程級聯技術研究及實現

惠言 錢忠洋 周亞光 張剛

摘要：國產三代機航電設備在內場進行故障模擬、性能評估時，因1553B總線傳輸距離限制，無法在不同的仿真環境中開展聯合試驗，試驗項目和評估結果存在局限。本文通過剖析1553B總線協議，總結影響傳輸距離的原因，采用光端機和光纖對總線進行改造，實現機載總線設備遠程級聯。

關鍵詞：航電設備；1553B總線協議；光纖傳輸；遠程級聯

Keywords：avionics device；1553B bus protocol；optical fiber transmission；remote cascade

0 引言

航空電子系統（簡稱航電系統）是現代軍用飛機信息化的核心，是信息感知、顯示處理和武器交聯中心，其性能和技術水平直接決定和影響飛機的整體性能和作戰效能。國產三代機航電系統采用聯合式數字結構，使用1553B數據總線與標準電子模塊，基于高度模塊化原則設計而成。結構的改變一方面提高了研制效率，有利于新技術的快速應用；另一方面也給航電設備保障帶來新的挑戰。大修單位除關注單件裝備的技術狀態外，還需確保裝備的軟件、硬件以及接口邏輯等與航電系統相適配。

航電綜合試驗臺利用仿真、測試和激勵措施，圍繞航電系統典型工作流程提供試驗環境，可同時開展單臺或多臺設備動態檢測。以機載雷達內場檢測為例，為掌握雷達目標截獲和抗干擾能力，需通過仿真手段建立雷達探測環境，方法包括注入式仿真和輻射式仿真[1]，后者采用微波暗室、射頻目標陣列、三軸轉臺等物理效應模型[2]，模擬的場景更加貼合實際，仿真置信度更高。然而，航電綜合試驗臺和輻射式仿真環境需分布在不同的物理空間，受限于1553B總線傳輸距離，聯合試驗無法開展。

1 總線協議分析

1553B總線是指符合GJB 289A標準[3]的數據總線，具有分布處理、集中控制和實時響應等特點，主要由終端設備和傳輸介質兩部分組成。終端設備按功能分為總線控制器、總線監視器和遠程終端[3]；傳輸介質分為主總線和分支線，信號為曼徹斯特波形，傳輸延時為5.25ns/m。

1.1 總線響應時間

1553B總線數據格式包括指令字、數據字和狀態字。每則消息均由BC發出指令字開始，其中對響應時間有要求的消息傳輸主要包括：

1）總線控制器向總線發出指令，并要求遠程終端在規定時間（14μs）內返回狀態字；超過規定時間，則總線控制器對消息作無響應處理；

2）總線控制器向遠程終端1發出接收指令，向遠程終端2發出發送指令，遠程終端2需在規定時間內發出狀態字及數據字；遠程終端1在收到總線控制器發出的接收指令后，需在54μs內收到遠程終端2發出的有效數據字，否則作無響應處理[4]。該時間包括總線控制器向遠程終端2發出發送指令字、遠程終端2返回狀態字和遠程終端2響應的時間。因指令字和狀態字傳輸時間固定為20μs，遠程終端2響應時間應為14μs。

上述響應時間均由處理時間和傳輸時延組成。其中，處理時間由航電設備內部決定，包括硬件電路轉換、軟件處理耗時等，調整后可能造成設備技術狀態變化，不屬于裝備性能評估范圍；傳輸時延則由1553B總線的傳輸介質決定。

1.2 波形失真

總線網絡要求以最小失真傳輸數據波形，影響信號波形質量的主要失真源是反射和耗散，失真程度影響信號傳輸距離。

1.2.1 反射畸變

支線電纜通過短截線直接耦合或變壓器耦合接入主線電纜，產生的負載阻抗和總線阻抗不匹配造成信號反射，反射系數可通過式（1）計算。

1.2.2 耗散畸變

1553B雙絞屏蔽電纜存在電阻、串聯電感，線纜間存在并聯電容，會造成信號幅度和頻率衰減，引起波形畸變[4]。

1）當曼徹斯特波形信號加載到總線時，并聯電容在電壓驅動下，與電纜阻抗構成RC低通濾波。在波形傳輸過程中，高頻分量隨傳輸距離逐漸減少；電纜阻抗除改變信號形狀外，還均勻衰減了信號，衰減程度與傳輸距離成正比。圖2（左）為初始波形和耗散整形后的波形對比，在長距離傳輸后，梯形波的形狀和幅度均發生了較大變化。

2）典型的信號波形由4種基波頻率（1MHz、500kHz、333kHz和250kHz）加上諧波混合組成。高頻能量的衰減，使得傳播波形的上升（下降）時間變長，當上升（下降）時間大于脈寬時，電壓在到達滿幅前就開始跳變，造成衰減。不同基頻的脈沖在幅度上的差異造成總線波形上的瞬間電壓偏移，從而造成波形的過零點偏移，如圖2（右）所示。

2 1553B遠程終端通信距離延長方法

2.1 改造方法

響應超時和波形失真（衰減、過零點偏移）均會影響總線的傳輸距離。其中，波形質量可通過改變傳輸介質實現，單模光纖采用激光作為信號源，具有損耗低、抗電磁干擾能力強等優點[5]，能克服雙絞線傳輸存在的信號串擾、衰減等問題。

1553B遠程終端通過分支線接入主總線，利用光端機將支路雙絞線電信號轉換為光信號，通過單模光纖實現遠距離傳輸，利用對應的光端機將光信號還原成電信號。航電系統總線改造前后拓撲結構如圖3所示。

2.2 方案分析

光纖傳輸具有良好的屏蔽干擾能力，遠程終端利用光纖線纜。因總線通信采用詢問/應答方式開展，故延時系數為2。

式中，常量1.5單位為μs，為同步頭半時長。傳輸延時在增加固定轉換延時3μs的基礎上，每增加100m光纖，傳輸時間增加1μs。對比總線無響應超時要求和航電設備在總線改造前的響應時間，可計算出最終的延長距離。

3 總結

通過分析1553B通信協議和雙絞線物理特性，總結影響傳輸距離的根本原因，提出采用光端機和單模光纖延長機載航電設備通信距離，雷達、光雷和電抗等與飛機作戰效能相關的航電設備通過遠程級聯，實現在不同的仿真環境、基于同一航電綜合平臺的聯合試驗，為航電系統作戰效能評估奠定級聯基礎。

采用光纖對1553B總線網絡進行改造時，受網絡分布和光電轉換延時影響，總線的通信距離存在一定限制。進一步提升總線傳輸距離的方法包括減少光電轉換時間、修改相關總線設備的響應時間限制等。

參考文獻

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[4] 國防科學技術工業委員會. GJB/ Z-2002數字式時分制指令/響應型多路傳輸數據總線[S]. 2002.

[5] 伊小素，余楚璇，曾華菘. 機載光纖總線拓撲結構的性能分析[J]. 通信技術，2020，53（4）：830-837.

[6] 羅曉琴.測定光纖折射率的簡易方法[J]. 宿州學院學報，2009，24（1）：111-112.