彈載遙測系統1553B總線參數解析方法

梁亦聰，唐 強，張景鵬，馬 澤

(西安機電信息技術研究所，陜西 西安 710065)

0 引言

遙測系統服務于各型導彈武器系統，測試參數包含多種通信接口。近些年，應用于無人機平臺的智能彈藥武器系統測試中越來越多地使用數字式時分制指令/響應性多路傳輸數據總線。文獻[1]對1553B總線的遙測數據處理分析討論，側重架構格式對總線消息的解析處理，提出1553B總線消息解析的關鍵三要素的說法，并實現了數據解析的功能。但是彈載裝置作為BM總線監控設備，需要針對多種類型的信息格式進行綜合解析，硬件設計中使用的1553B接口芯片的輸出數據格式與傳統彈載遙測數據組幀采集策略存在差異，使得遙測數據處理軟件不能直接解算。本文結合1553B總線數據結構，提出遙測彈載采集編幀方式和遙測數據處理數據庫加載模式相結合的軟件處理策略，將1553B數據和遙測數據統一編幀，由地面數據處理軟件完成消息拆包和提取，解決數據處理軟件功能擴展遇到的問題。

1 1553B總線數據結構模型

1.1 1553B數據結構

1553B總線最初由美國空軍用于航空電子系統，該多路傳輸數據總線被廣泛用于飛機綜合航電系統、外掛物管理與集成系統，并逐步擴展到坦克、艦船、航天等系統級領域。在我國，1553B總線遵循GJB 289A—97《數字式時分制指令/響應性多路傳輸數據總線》。近年來，陸陸續續很多導彈武器系統中引入了1553B總線技術，該總線極大地減少了武器系統中設備及電纜數量，減輕飛行器重量，同時由于總線具備的高可靠雙冗余特性，也增加了武器系統信號傳輸可靠性。

MIL-STD-1553總線是飛機內部時分制命令/響應式多路復用總線[1]。1553B總線能掛31個遠程終端，總線采用命令/響應型通信協議。1553B有三種終端類型：總線控制器(BC)、遠程終端(RT)和總線監視器(BM)；信息格式包含BC到RT、RT到RT、廣播方式和系統控制方式；1553B總線多冗余度總線型拓撲結構，具有雙向傳輸特性，速率通常有1 Mbps和4 Mbps，傳輸方式為半雙工方式，采用曼徹斯特碼進行編碼傳輸[2]。

1553B數據總線由消息流組成，分成指令字、狀態字和數據字三種類型，字定義是一個信息序列長度為20位，其中16位有效位，每個字的前三位為同步字頭，最后一位是奇偶校驗位，如圖1所示。

圖1 1553B總線字格式Fig.1 1553Bus word format

彈載遙測系統主要服務于各型空地戰術導彈和遠程火箭武器系統，彈載1553B總線與外掛物管理集成系統和飛控裝置相關[2]。彈載1553B總線消息根據接口控制文件傳輸格式，具體消息格式包括以下幾種形式：

1) 總線控制器向遠程終端傳輸：BC向RT發出一個接收指令字及規定數目的數據字到RT，RT在核實消息后應發回一個狀態字給BC；

2) 遠程終端向總線控制器傳輸：BC向RT發出一個發送指令字，該RT核實指令字后，應發回一個狀態字給BC及規定數目的數據字；

3) 不帶數據字的方式指令；

4) 帶數據字的方式指令(發送)；

5) 帶數據字的方式指令(接收)；

6) 總線的消息間隔根據GJB 289A中的規定，消息之間的最小間隔為4 μs，遠程終端響應有效指令字的時間間隔為4～12 μs。

1.2 武器系統模型框架

通常機載武器系統的信息交聯關系如圖2所示，外掛管理系統作為導彈武器系統的BC，在多彈掛裝時RIU同時作為外掛管理系統的RT和多枚導彈的BC數據控制及管理，導彈的一體化飛控裝置作為RIU的遠程終端，遙測裝置負責導彈系統數據采集及傳輸。

1.3 參數解析需求分析

1553B總線消息的解析方法研究主要是根據1553B總線中的總線數據架構特點、特征信息頭等來完成數據處理軟件解析[3]。彈載武器系統1553B的消息格式如表1所示。文獻[3]提出的架構一、架構二僅僅是在總線空閑時填入了特征碼0xZZ信息，形成了1553B信息幀，可是多個RT地址間不同的消息格式不易區分，架構三和架構四是未做特殊處理的設計思路，直接透傳總線所有消息格式，適用于單一總線數據解析設計。

圖2 機載武器信息交聯示意圖Fig.2 Schematic diagram of airborne weapon information crosslinking

表1 彈載武器系統1553B的消息格式Tab.1 Message format of projectile borne weapon system 1553B

本文涉及的遙測彈載裝置測試數據中除了1553B總線還包括RS422、模擬量信息和圖像信息等信息，彈載1553B總線數據會在遙測幀中占據較大的數據帶寬，通常的信息量會在每秒4萬字節左右，彈載遙測裝置往往受到空間尺寸、總體需求以及經濟性影響，未使用專門的接口協議芯片。

此外，彈載遙測裝置下傳輸數據的信息格式也要適用常規的地面遙測參數處理軟件[4]。遙測地面數據處理軟件一般會根據接口控制文件中規定的數據格式配置不同的ACCESS文件數據庫，數據處理時直接調用。彈載1553B總線消息傳輸格式多種多樣，時間間隔短，很難用傳統的固定數據子幀+固定數據庫加載模式進行數據解析。

綜上，軟件需求設計1553B總線參數解析方法是從消息解析三要素消息包頭特征字、步長和合理完整消息包結尾標志碼入手，綜合彈載系統中遙測裝置設計多總線綜合的實際情況。

2 彈載遙測系統1553B總線參數解析方法

2.1 彈載遙測裝置總線接口硬件設計

根據1553B總線數據采集方式，遙測裝置中1553B接收電路包括隔離變壓電路、模擬接收電路和信息解碼電路，其中解碼電路與遙測編碼器集成在一塊FPGA芯片中[5]。隔離變壓器采用PM公司DB2725芯片，模擬接收電路采用HOLT公司HI1573接收芯片，解碼器采用Altera公司EP3C25E144I7FPGA芯片進行數據采集，內部進行數據解碼。具體電路圖如圖3所示。

圖3 1553B硬件設計示意圖Fig.3 1553B hardware design diagram

2.2 彈載遙測裝置1553B總線數據文件架構設計

標準遙測幀結構定義為“時間碼”+“主幀幀頭”+“數據幀”。時間碼由遙測地面站接收時存盤添加，子幀幀頭從相應的子幀通道里提取合并數據，形成*.dat二進制文件。遙測彈載1553B接收轉發策略為等待接收，實時轉發方式。

2.3 針對1553B信息初步解析軟件設計

彈載軟件策略設計基于FPGA平臺Verilog語言編寫了曼徹斯特解碼程序塊、RS422異步通信接收程序塊、圖像壓縮轉發程序塊、模擬量采集程序塊以及彈載采集編碼程序塊完成混合編幀。

1553B軟件主要為FPGA內部對曼徹斯特碼的解碼器設計和數據流控制設計，其中解碼器部分包括接收器、同步檢出、數據檢出、錯誤檢出、奇偶檢測和位/字計數等功能，解碼器設計框圖如圖4所示[6]。

圖4 1553B軟件設計示意圖Fig.4 1553B Software design Diagram

軟件策略處理流程主要包括：

1) 同步頭檢測，當檢測到同步頭后觸發整個解碼過程開始，并給出同步頭類型；

2) 檢測到同步頭后，計數器開始計數，在計數器的控制下進行解碼。包括碼型轉換與移位操作、同步頭類型輸出、曼徹斯特碼型校驗、奇偶校驗、字連續性校驗等；

3) 當碼的串并轉換以及各種校驗都完成后，給出并行數據和校驗結果信號，在計數器的控制下最終給出數據有效信號data_ready。協議模塊可在該信號有效(高電平)時檢測其他校驗信號，并決定是否取走并行數據。

2.4 動態數據子幀軟件設計

不同的武器系統傳輸協議會有差異，彈載數據編碼引入了“動態數據子幀”的設計思路，彈載編碼控制單元會將RS422總線信息、模擬量信息、1553B數據編幀時插入幀頭識別碼，用于多路信息分路。彈載遙測裝置首先對混編遙測主幀的1553B消息進行參數解析，其次依據接口控制文件對解析出的消息原碼進行二次處理，動態組成數據子幀[6]。這樣處理避免了采集1553B總線對傳統遙測幀改動較大的問題，在數據處理上有良好的繼承性。

遙測彈載1553B數據子幀中插入十六進制“0x7E**”的幀頭信息作為標識位，總線空閑時會插入“0x88”特征信息，其余數據特征則完全依據消息格式和接口控制文件的內容進行無差異傳輸。

1553B曼徹斯特解碼過程動態數據子幀處理策略：

1) 檢測到同步頭后觸發整個解碼過程開始，記錄給出同步頭類型和指令類型。如果指令字信息是數據指令，將得出16位并行數據放入緩存RAM1；

2) 若指令類型為方式指令，則將16位并行數據放入緩存RAM2，不進行校驗結果檢測；

3) 混編入遙測主幀時，緩存響應數據讀取信號，逐一送出8位并行數據，先高后低。讀出RAM1首字節前插入子幀幀頭“0x7EAA”，讀空時返回填充字“0x88”；讀出RAM2首字節前插入子幀幀頭“0x7EBB”，讀空時返回填充字“0x88”。

由于1553B總線數據量大，消息間隔為微秒量級，因此考慮數據處理通用性程序架構，彈上編解碼程序僅簡單判讀消息格式，所有數據的分包在地面數據處理完成，子幀中遙測數據的架構形式一般分成以下幾種數據處理架構：

1) 接收到單獨的BC至RT或RT至BC的數據包幀；

2) 接收到連續的BC至RT或RT至BC的數據包幀；

3) 接收單獨的方式指令幀；

4) 數據幀和指令幀混合型。

2.5 彈載1553B總線數據文件解析方法

基于數據架構，遙測數據中收到1553B的數據子幀格式基本可以分成表2—表5這4種格式。

表2 單獨數據子幀格式Tab.2 Single data subframe format

表3 連續數據子幀格式Tab.3 Continuous data subframe format

表4 方式指令子幀格式Tab.4 Format of mode instruction subframe

表5 數據幀和指令幀混合型格式Tab.5 Mixed data frame and instruction frame format

2.6 數據處理解析過程

在表4、表5架構模式下，就可以依據傳統遙測數據處理方式解析數據。1553B總線遙測數據解析的方式解析消息包括子幀幀頭、指令字頭和消息數據。具體解析步驟如下：

1) 用子幀幀頭區分消息幀的類型。編寫遙測數據庫及配置文件，用子幀幀頭作為判讀依據轉化為數據消息幀文件和指令幀文件；

2) 當判讀到子幀幀頭為“0x7EAA”，根據接口控制文件中包含的消息幀內容識別字，從數據消息幀逐兩個字節順序搜索消息包頭特征字，進一步區分消息類型，如“懸掛物描述”消息或“諸元信息”等。解析指令字確定遠程終端地址內容、收發方式、子地址或指令方式、數據字長度等信息；

3) 根據數據字長度信息截取規定字節長度即接收了完成的數據幀內容；

4) 狀態字為總線控制器和遠程終端數據響應反饋時，遙測數據預處理可不做進一步解析，直接反饋總線狀態，原碼記錄并存盤形成文件；

5) 繼續判讀后兩位數據是否為“0x88”，若是則結束即完成一個消息包的解析；如果不是，即架構格式為表2或表4所述，確定為新的一個消息。隨即逐兩位判讀是數據指令字信息還是方式指令信息，如果是方式數據指令包幀，重復步驟2)～4)的操作；若是方式指令，原碼記錄并形成存盤文件；

6) 當判讀到子幀幀頭為“0x7EBB”，判定接收的消息為指令信息，依據GJB 289A內容及表3的格式原碼記錄并存盤形成文件；

3 實驗結果與分析

經過上文論述的彈載遙測系統1553B總線參數解析方法，結合多次實驗聯試聯調驗證，實驗結果符合設計要求。1553B總線仿真器設置參數界面，可以模擬總線多節點RT數據輸出及矢量字設置，仿真器接入彈載遙測裝置通過遙測地面站進行數據接收，經遙測數據處理軟件解析。

經過2.6節步驟解析后，形成解析之后的1553B總線文件，圖5是解析出來的消息數據，圖6為指令幀格式數據，最左側為遙測時間信息，右側的各列代表數據內容(HEX)。形成的數據文件可作為導彈總體數據分析軟件的信息源文件直接讀取分析。

圖5 解析數據文件輸出格式Fig.5 Parse the data file output format

圖6 解析指令文件輸出格式Fig.6 Parse the instruction file output format

本文提出的軟硬件結合的遙測彈載1553B數據處理方法能夠快速簡單地完成消息拆包和提取，可以在總體數據判讀軟件上直接被調用分析，結合多次實驗聯試驗證，能夠滿足武器系統使用需求。

4 結論

本文對作為導彈、火箭彈等武器系統飛行器系統懸掛物的1553B通訊接口接收及數據解析進行分析，沿用了傳統的遙測數據處理辦法，結合彈載1553B總線接收策略，配置了符合接口控制文件的消息數據庫，將復雜的總線消息轉換為易讀的標準二進制或十六進制文件形式，方便植入武器系統總體分析數據庫進行數據綜合評價。通過系統測試及靶場實際飛行試驗驗證，該方法簡單有效，符合武器系統對遙測數據提出的要求。