1553B 總線數據快速處理軟件的設計與實現

張志國，劉學

（91550 部隊，遼寧 大連 116023）

在飛行實驗結束后，需要對1553B 數據進行事后處理與分析[1]。傳統做法是首先將1553B 控制文檔（Interface Control Document，ICD）錄入到數據庫中，然后調用ICD數據庫進行檢索查詢處理。而ICD一般比較復雜，一條消息需要多層數據庫表才能完整表述，因此數據庫錄入人員工作量大，維護成本高。在數據處理階段，需要調用多層父子表進行查詢，取出基本信息再重新組合出命令字進行檢索，大大影響了數據處理速度。針對以上不足，該文設計并實現了1553B總線數據快速處理系統，內部采用自定義數據模型簡化ICD 結構，處理時運用多線程技術，提高了數據處理效率。

1 MIL-STD-1553總線介紹

MIL-STD-1553 全稱為“飛機內部時分制命令/響應式多路復用數據總線”，它是一種總線標準，20世紀70 年代由美國軍方公布[2-3]，一般縮寫為1553B，其國內對應標準為GJB289A-97。相比于其他總線，其具有高效靈活、配置性較強的特點[4]。隨著武器系統的升級換代和測控裝備、被試品數據傳輸能力的提高，1553B 協議在靶場遙測數據處理中得到了廣泛應用。

圖1 1553B總線網絡拓撲結構

終端是使數據總線和子系統相連接的電子組件。子系統為從多路數據總線上接收數據傳輸服務的裝置或功能單元。總線控制器(BC)是總線系統組織信息傳輸的終端。總線監視器(BM)是總線系統中指定作接收且記錄總線上傳輸的信息并有選擇地提取信息以備后用的終端。遠程終端(RT)是總線系統中不作為總線控制器或總線監視器的所有終端[5-6]。1553B 總線的傳輸速度是1 MB/s，采用曼切斯特Ⅱ型編碼，半雙工工作方式。

2 快速處理軟件設計

2.1 命令字生成

命令字由20 個信息位組合而成，這些組合信息包括3 位同步頭、5 位遠程終端地址字段、1 位發送（接收）位（T/R）、5 位子地址（方式）字段、5 位數據字計數（方式代碼）字段及1 位奇偶校驗位（P）[7-9]，按照從高到低的順序依次排列，其結構如圖2 所示。在軟件生成命令字時，不考慮同步頭和校驗位作為輸入項，命令字占16 位，共兩個字節。

圖2 1553B命令字結構

遠程終端地址段占用16 位命令字的高5 位[10]。總線上的每一個遠程終端分配有一個地址編號，編號范圍從0 到30。地址值31 為廣播地址，其被系統保留不可占用[11-12]。發送/接收位（即第11 位）定義遠程終端操作模式，邏輯0 表示遠程終端接收數據，邏輯1 表示遠程終端發送數據。子地址（方式）字段（即第6-10 位）用來表示遠程終端的子地址編號，編號范圍為1～30[13]。數據字計數（方式代碼）字段（即第1-5 位）表示數據發送、接收字節數[14]，其長度最大值為32 字節。其中，最大值32 字節的表示方式比較特殊，用全0 表示。

命令字分為發送命令字和接收命令字，其區別僅僅在于發送/接收位不同，0為接收命令字，1為發送接收字。在軟件生成命令字時，只需輸入相應的遠程終端地址、T/R、子地址、數據字計數，按照相應的位置順序進行組合，采用位移操作即可完成命令字生成。

2.2 消息結構定義

被測參數測量值封裝成消息(Message)的形式進行數據傳輸，消息最大長度為32 個字長度[15]。消息分別由三部分組成:命令字、數據字和狀態字。每條消息以命令字開頭，命令字分為接收命令字和發送接收字，根據傳輸模式不同，確定命令字排列結構。狀態字位于每條消息結尾或者緊鄰命令字，它用于標識該條消息格式是否正確、消息來自哪條總線等信息[16]。數據字位于命令字或狀態字后面，記錄了所有被測參數。在事后處理時，一般只考慮BC-RT、RT-BC、RT-RT 這3 種傳輸模式。1553B 消息結構如圖3 所示。

圖3 1553B消息結構

接收命令字和發送命令字的組合能夠唯一確定一條消息，因此可以此作為全局消息標識。消息定義還應包含參數個數、命令長度、傳輸模式，此3 項用以計算接收命令字和發送命令字。針對消息里的每一個測量參數，通過參數序號、參數名稱、代號、單位、數據類型、輸出類型、系數等屬性加以描述。

2.3 消息解析

消息解析的目的是將1553B 文件中的每一條消息提取出來，按照數據字協議進行參數物理量還原，并按用戶要求的格式進行輸出。首先，將文件讀入到內存中，便于后續進行數組下標操作；然后讀取消息配置文件，讀取命令字、參數個數、傳輸模式等消息基本信息，包括每個參數的參數序號、參數名稱、代號、單位、數據類型、輸出類型、系數等屬性；最后根據命令字頭提取每條消息，對消息中每個參數按處理公式進行物理量還原。為提高處理效率，使用多線程技術對每一個消息單獨啟動一個線程進行消息解析。

把握了上述三類“道”義，我們不難看出作者的思想，這有助于對“道”的英譯。然而，文中“道”的含義廣博，尤其是儒道之“道”，很難在英語世界找到相應的對應詞，獲得傳神達意的得體譯本。筆者姑且選取劉師舜、楊憲益、戴乃迭夫婦以及羅經國這三個經典譯本（以下分別簡稱劉譯、楊譯、羅譯），將對應的“道”的譯文摘出，按上文“道”的釋義及分類順序分別列舉如下（粗體為筆者所加）：

3 快速處理軟件實現

軟件系統主要由命令字生成模塊、消息結構定義模塊、消息解析模塊構成。系統的結構如圖4 所示。

圖4 軟件系統結構

3.1 命令字生成模塊

命令字生成模塊接收界面輸入的信源信息（遠程終端地址、子地址）、信目信息（遠程終端地址、子地址）、數據字計數，根據命令字編碼規則生成命令字。操作界面如圖5 所示。

圖5 命令字生成操作界面

命令字生成流程根據三種不同的消息結構流程有所不同：

1）首先判斷數據字計數是否等于32 字節，若相等，長度變為0；

2）針對BC-RT 傳輸模式，設置T/R 數據位為0，將信目終端地址左移11 位、T/R 左移10 位、信目子地址左移5 位，與數據字計數執行按位與操作，得到接收命令字；

3）針對RT-BC 傳輸模式，設置T/R 數據位為1，將信目終端地址左移11 位、T/R 左移10 位、信目子地址左移5 位，與數據字計數執行按位與操作，得到發送命令字；

4）針對RT-RT 傳輸模式，首先參照BC-RT 模式得到接收命令字，然后參照RT-BC 模式得到發送命令字，最后將接收命令字左移16 位與發送命令字取與得到命令字組合。

命令字生成流程如圖6 所示。

圖6 命令字生成流程

3.2 消息結構定義模塊

一條1553B 信息由命令字、多個數據字、狀態字組成。狀態字不參與解析，因此消息結構只需包括基本信息和參數信息兩大部分。其中命令字是全局唯一的，可以此為關鍵字作為記錄索引。命令字由用戶界面輸入的命令長度、傳輸模式、參數個數計算得出，因此基本信息部分包括命令字組合、命令長度、傳輸模式、參數個數4 個元素。參數信息由多個參數組成，每一個測量參數包含參數名稱、代號、單位、數據類型、輸出類型、系數、位控位置等屬性。消息結構如圖7 所示。

圖7 消息結構

考慮到數據錄入、查詢的便利性和后續并行化快速解析，每一條消息結構用ini 配置文件進行存儲，這樣可同時避免命令字與參數之間的復雜關聯。

3.3 消息解析模塊

該模塊讀取配置文件的基本信息和參數信息，對每一條1553B 消息進行解析、處理，并按用戶要求的格式進行輸出。為提高處理速度，以多線程方式調用解析模塊，每一個1553B 配置文件啟動一個線程。其具體流程如下：

1）讀取配置文件，獲取命令字、命令長度、參數個數、傳輸模式等消息基本信息和參數類型、系數等屬性；

2）讀取原始數據文件到內存，并構造CRC 校驗表；

3）以讀入的命令字為查詢條件在內存塊中進行遍歷，定位后將指針以命令長度進行偏移得到CRC校驗碼，并與計算得到的CRC 校驗碼進行比較；

4）按照數據類型逐個讀取參數，并調用系數進行量綱還原。考慮到大量的磁盤I/O 操作會耗時明顯，將結果緩存到一定大小再一次性輸出到文本文件。

消息解析流程如圖8 所示。

圖8 消息解析流程

4 實驗驗證

分三次采集1553B 原始數據進行文件存盤，大小分別為58 MB、116 MB、232 MB，每個數據包含BC-RT、RT-BC、RT-RT 三種傳輸模式和72 個命令字組合。處理計算機配置為32 GB 內存、1 T 固態硬盤、雙Intel Xeon 4110 CPU。采用傳統處理方法和快速處理方法兩種方式，對采集的3 次1553B 數據進行耗時統計，結果如表1 所示。

表1 處理耗時統計對比

從實驗結果可知，快速處理方法相比傳統處理方法耗時顯著減少，處理效率有較大提升。快速處理方法耗時與數據大小、需要處理的命令字數量正相關。

5 結論

針對當前1553B 總線消息處理軟件參數裝訂復雜、處理速度慢的問題，該文提出了一種快速解析處理方法。提前解算命令字，并以此為消息唯一標識符進行多線程檢索；自定義消息結構，取代復雜的ICD 數據庫結構。實測處理結果表明，該方法可維護性較強，處理速度快，對1553B 數據處理效率有較大的提升。