基于MIL-STD-1553B的通信原理教學軟件設計與開發

周琪棟，江志東，張 弟，周 浩，班海麗

(1.中國人民解放軍海軍航空大學青島校區 航空電子工程與指揮系，青島 266041；2.中國人民解放軍91188部隊，海口 571122)

0 引言

MIL-STD-1553B總線是第三代戰機航空電子系統的“骨架”和“神經”，具有實時性好、可靠性高等諸多優點，在第四代戰機中也有局部應用[1]。1553B總線標準自發布以來，逐漸被廣泛應用于飛機綜合航電系統、外掛物管理與集成系統、飛行控制系統，并逐步擴展到軍用車輛、船艦、航天等領域[2]。學習和掌握1553B總線的相關知識，如通信原理、協議組成、傳輸控制等，是深入學習聯合式航電系統的基礎。

然而，目前現有1553B總線實驗教學系統對理論教學的支撐不足，不能滿足學員綜合能力和應用創新能力的高階性培養需求。另外，一線部隊維護保障人員對航電總線的理解和維護停留在較淺層次，現有實驗系統無法支撐對部隊開展有關三代戰機主總線的深層原理培訓。

針對以上不足，設計開發一款初學者易上手、實驗科目難度適宜、實驗內容層層深入、人機交互界面友善的1553B總線通信原理演示系統軟件尤為重要。基于該軟件，可以幫助使用者建立三代機聯合式航電系統整體概念，從而滿足院校理論與實驗輔助教學，同時可為部隊開展培訓提供支撐。

1 需求分析

目前市面上鮮有用于輔助1553B總線原理教學的實驗系統，幾乎沒有專門針對教學需求開發的1553B總線通信原理實驗軟件。而1553B總線模塊自帶的軟件系統主要用于其基本功能的演示驗證，存在的主要問題如下：

1)部分軟件功能單一，不滿足1553B總線原理展示及多層次高層次學習的需求，僅能進行簡單的通信演示，可視化界面不夠友善，其他功能則需要進行二次開發。

2)部分軟件功能冗余，操作復雜，且人機交互體驗差，缺乏相應提示信息，配置調試過程異常繁瑣，不能突出把握學習重點，不能正常投入教學使用。

3)無科目化實驗內容設計，不滿足分層次學習實踐的需求，而且無法開展綜合性實驗項目，不便于學習者建立聯合式航電系統的整體概念。

國內外航空類院校面臨無合適1553B總線系統教學輔助軟件用的尷尬境地，供求失衡日益突出。無法滿足院校學生綜合能力與應用創新能力的培養，這是一個需要不斷進行學習-思考-實踐-再學習-再思考-再實踐的過程[3]。基于此，本文設計并開發了基于MIL-STD-1553B的1553B通信原理教學軟件。

2 1553B總線通信架構簡介

1553B總線拓撲架構和協議結構是實現本文所開發教學軟件的理論基礎，總線硬件模塊是本文教學軟件實現的底層硬件基礎，上位機開發環境是本文教學軟件的開發工具。

2.1 1553B總線拓撲架構

1553B總線系統主要由四大部分組成[4]：

1)總線控制器BC(BusController)：負責全局指令發送。用于總線消息傳輸的控制、掃描和監視[5]。

2)總線監視器BM(BusMonitor)：由具備監控功能和信息傳輸功能的設備擔任，監視總線上傳輸的信息。

3)遠程終端RT(Remote Terminal)：各子系統與總線網絡間的通信橋梁，在BC的指令控制下傳輸數據。

4)傳輸介質(雙絞屏蔽電纜)：負責總線連接組件之間、總線連接組件和終端之間的信號傳輸。為提高可靠性，一般為雙余度(總線電纜A、B)，故障時可余度切換。

總線系統整體拓撲架構如圖1所示。

圖1 1553B總線拓撲架構

2.2 1553B總線協議結構

1553B總線通信系統分為5層，自頂向下分別是應用層、驅動層、傳輸層、數據鏈路層和物理層[6]。在5層協議模型中，其中應用層和驅動層位于各航電子系統計算機中，傳輸層和鏈路層位于總線接口模塊(MBI)。

1)應用層。應用層是通信系統的最高層，它實現通信系統的管理和解釋功能，包括系統的啟動、維護、重構、終止總線通信等功能。

2)驅動層。驅動層是實現主機應用軟件與MBI間的接口控制，它實現控制MBI卡的初始化、啟動、運行、停止、連接、脫離連接、啟動自檢、狀態監視和數據傳輸等功能。

3)傳輸層。傳輸層用于控制多路數據傳輸總線上的數據傳輸，在擔任總線控制器的MBI板中實現。傳輸層規定了在物理層上每條消息的發出順序。除此之外，傳輸層還負責故障處理、雙余度總線的管理切換及實時時鐘RTC同步等。

4)數據鏈路層。數據鏈路層規定了命令/響應型介質訪問控制協議，定義了3種字格式和十種消息格式，控制每條消息中各類字的傳輸順序。

5)物理層。物理層包括物理介質(電纜系統)和處理物理介質上位流的傳輸，規定了編碼格式、數據率、電氣特性等，確保只有滿足規定物理傳輸特性的信號才能被傳輸到數據鏈路層。

1553B總線通信結構核心內容由編碼方式、字格式、消息格式及消息傳輸四部分構成。在1553B總線上進行數據傳輸時，字是消息組成的最基本單元，協議字分為三類：命令字、數據字、狀態字[7]，每個字20位，每一位采用雙相曼徹斯特Ⅱ型編碼。每種字的前3個比特位為同步頭，接著是16個比特位的有效信息數據，最后1位是奇偶校驗位[8-9]。

1553B總線定義了數據傳輸、廣播消息(Broadcast)和方式控制(Modecode)三類消息傳輸格式。數據傳輸消息格式有3種，包含BC→RT、RT→BC及RT→RT，所有傳輸均是在BC的控制下完成的[10]。總線傳輸的消息之間的最小間隔時間為4.0μs，遠程終端響應總線控制器有效命令字的間隔時間為4.0 μs～12.0 μs，如果響應時間超出界定值14 μs，則應該做超時處理[11]。在總線上傳輸的按一定更新頻率發送的消息稱為周期消息，其余為事件消息。

2.3 1553B總線硬件模塊

CAV-1553B-USB為一款便攜式USB2.0接口的雙通道雙冗余的1553B總線適配器，可根據不同的配置實現多種1553B功能，如1553B總線設備和系統的仿真、測試、監控。

在應用時，可以同時實現一個BC、多個RT(最多31個)的通信[12]。其支持1553B總線信號波形采集，可通過測試端口測取總線上傳輸的實時波形，通過對波形解析，加深對總線通信的理解。本文所使用的CAV-1553B-USB模塊如圖2所示。

圖2 CAV-1553B-USB模塊

2.4 開發語言及開發環境

基于通信原理教學軟件設計與開發的現實需求，選擇以C作為上位機軟件開發語言。采用C語言可以方便快捷地實現軟件高效率開發，并且質量更高，后期維護更為簡單[13]。軟件集成開發環境為支持C語言的IDE。IDE開發工具相比較而言更為實用并且功能全面且強大，提供的統一開發平臺大大降低軟件開發難度，可以實現可視化桌面應用程序開發。

3 1553B通信教學軟件總體設計

結合1553B總線通信原理教學需求，以軟件工程思想和分層設計思想為指導，立足于上位機軟件可視化界面友善、實驗項目層次清晰、實驗內容合理且具有針對性等特點，設計該教學軟件的功能框架和總體開發方案。該軟件以期能夠滿足教學需求并實現高效率教學，貼近日常學習，聚焦實際教學，具有顯著創新型和廣泛實用性[14]。

3.1 功能框架設計

以系統工程思想和分層設計思想為指導，為滿足實驗內容先易后難，學習過程層層深入的要求[15]，將該軟件設計分為三層功能模塊：

第一層設置基礎實驗項目，可一鍵啟動實驗并配合使用示波器測取波形，結合配備的理想參考波形進行學習及分析驗證；

第二層設置原理實驗項目，可自行配置消息參數實現消息傳輸以調動實驗，實現典型消息格式等數據傳輸內容的深層次高質量學習，進一步加深對1553B通信原理的學習；

第三層設置綜合實驗項目，學員可通過多消息通信掌握大小周期、事件消息等消息調度內容，并可進行余度備份切換、消息延遲重發等通信機制及故障處理機制的學習。

軟件的運行流程如圖3所示。

圖3 軟件運行流程圖

3.2 開發方案設計

1553B總線通信教學軟件本質為上位機軟件，通過板卡提供的基本API與底層的1553B總線模塊(即本軟件開發所基于的CAV-1553B-USB模塊)進行交互。在Visual Studio 2017平臺搭建Windows窗體應用程序，調用相應動態鏈接庫以驅動底層1533B硬件[16-17]，完成軟件各項功能。

4 1553B通信教學軟件實現與驗證

本章首先對軟件主界面實現進行描述，然后依次對基礎實驗、原理實驗及綜合實驗的實現與驗證進行論述。

4.1 軟件主界面

主界面具有實驗引導功能，可以根據學員的需求，實現其到基礎實驗頁面、原理實驗頁面及綜合實驗頁面的跳轉，以及可以實現從3個實驗頁面返回主界面功能。主界面主題鮮明，控件元素設置合理且具有提示信息，人機交互程度高，便于學員高效操作使用。

4.2 基礎實驗實現與驗證

1553B總線通信原理涉及到編碼方式、字格式、消息格式、消息調度、通信機制、故障及異常處理機制等多元內容，基礎實驗項目預期實驗效果即為促進學員對編碼方式的理解，強化對字格式的認識，加深對典型消息格式的了解，為學員后續深入學習1553B總線通信原理打下堅實基礎。設計并開發出便捷操作，即學員可在不配置相關參數的前提下，通過一鍵啟動的形式調用演示系統軟件固定寫好的參數來成功啟動實驗，直接得到相關實驗結果。

實驗項目涵蓋BC→RT、RT→BC、RT→RT、Broadcast及Modecode消息通信實例。

4.2.1 BC→RT消息格式實驗實現與驗證

BC→RT消息格式類型實驗所實現的總線通信實質為總線控制器BC向遠程終端RT發送數據消息。根據1553B消息格式，BC→RT的消息是以BC向RT下達接收命令字開啟，然后BC發出一系列數據字，接收方RT收到BC的數據字，校驗后向BC發出接收狀態字表明數據已成功接收。

基于實驗開發平臺，BC→RT消息格式實驗實現步驟如下：BC初始化→分配MsgBuffers→定義并寫入BC Block與 MsgBuffers→啟動BC→初始化并使能RT→分配SA Buffers→啟動RT。在完成這些步驟后BC→RT消息開始傳輸，消息傳輸完畢后關閉BC與RT。對其中重要的步驟論述如下。

BC Block配置寫入：要實現1553B總線通信，任何消息的傳輸都需要進行BC Block的配置寫入。配置其結構并寫入板卡時，需設置不同的標識符才可調用模塊實現不同消息格式傳輸。如設置BC→RT消息格式時，需設置標識符為BC_BLOCK_TYPE_MSG_BCRT，字符值為“0x00000001”。

線程定時器設置：為了讓消息持續不斷發送，方便使用示波器測取波形[18]，一鍵啟動實驗后，需要周期性循環進行消息發送。本實驗開發中設置了一定時間間隔的線程定時器，以循環調用發送消息的函數。

BC→RT消息格式實驗的界面如圖4所示。

圖4 BC→RT消息格式實驗界面

此界面為主界面選取的“基礎實驗”項目的跳轉，可單擊“啟動”按鈕進行BC→RT消息的一鍵配置及傳輸。傳輸過程中，使用示波器通過測試點測取到實時傳輸波形如圖5所示，總線監視器監控到實時傳輸的消息如圖6所示。

圖5 BC→RT消息格式實時傳輸波形

圖6 總線監視器監控消息

可將測取到的傳輸波形圖與界面中的消息格式參考圖、字格式參考圖、理想波形參考圖進行對比驗證。實時波形圖中的波形可大致分為三段，分別對應命令字波形、數據字波形、狀態字波形。可解析出此消息為BC發送接收命令字至RT01，然后發送數據字，經一定消息間隔后，RT01發送狀態字至BC，符合BC→RT消息格式。我們以中間段的數據字波形為例進行分析，前三位為同步頭，最后一位為奇偶校驗位，其余16位可讀出數據字為“0x0505”，與預先寫入BC Message Buffer的數據一致。

總線監視器監控到總線上實時傳輸的消息，命令字為“0x0821”，表示終端設備RT01子地址SA01接收1個數據字，緊接著是數據字“0x0505”，終端地址RT01發出的狀態字為“0x0800”。完全符合示波器測取的實時波形，與軟件實驗界面設置的消息格式一致。

4.2.2 基礎實驗其余消息格式實驗實現與驗證

RT→BC、RT→RT、Broadcast及Modecode消息格式實驗開發流程與BC→RT開發流程類似。根據選取的消息格式，將BC Block和 BC Message Buffer寫入不同參數實現通信。

在RT→BC、RT→RT實驗開發步驟中，除了與BC→RT開發流程類似的過程，還需要進行RT SA Buffer的內存分配和配置寫入。本實驗開發中主要配置的參數如下：配置輸入檢測m_legalWc為“0xFFFFFFFF”表示輸入數據合法；中斷使能字m_intEnable為“0x00010000”表示記錄相應的中斷；32個16bit數據data_wds[32]中data_wds[0]設置為“0x1111”，其余31個數據暫不設置，使用默認“0x0000”。

RT→BC、RT→RT、Broadcast及Modecode消息格式界面及實驗功能驗證與BC→RT界面及驗證類似，不再贅述。

中世紀奠定了近代西方市民社會的基礎。 首先，出現了政治國家和社會組織相分離的現象。 在這一時期基督教產生，它反對古典時期賦予國家道德上的認可，認為國家是一種壓迫性的政治組織，為反對這種壓迫，教會便以神權為基礎將自己發展成了社會組織，逐漸地以神權自居的教會所形成的社會組織從以國家為代表的政治組織中分離了出來。 其次，商品經濟的不斷發展，一批與新的生產關系有關的“市民”在封建制度內部得到了培育。 十一世紀，西歐商品經濟帶來生產力的提高，手工業和農業產生了分離，專職工商業者離開農村后聚集起來形成了工商業“特區”，社會分工產生了簡單的交換關系。

4.3 原理實驗實現與驗證

人機交互技術作為人與計算機之間信息交流的接口和以人為中心指導系統開發的方法論，能夠使系統更好滿足用戶功效性和情感性的需求，提高用戶與計算機之間的交互質量和用戶體驗[19]。

按照人機交互的指導要求，區別于基礎實驗的一鍵操作，原理實驗在界面上設置鼠標和鍵盤的輸入端口，使學員可以自行配置相關消息通信參數，以便調動學員積極性，實現更高效率的學習，并且教員可使用該項目設置問題以檢驗學員掌握程度，從而及時對教學做出調整。

4.3.1 原理實驗實現

原理實驗項目承上啟下，可進一步有效強化學員對1553B總線通信原理的學習，并為后續綜合實驗項目的學習做準備。原理實驗項目包含BC→RT、RT→BC、RT→RT、Broadcast消息通信實例。在原理實驗項目中，學員可以自行選擇不同的消息通信類型，選擇相應參數以配置命令字，啟用數據編輯板塊進行相應傳輸數據的編輯，最終完成消息通信參數配置以完成實驗。實驗開發依次包含兩大工作：通信參數準備工作和消息通信實現工作。

通信參數準備工作詳細步驟如下。

1)通信消息類型寫入：實現通信消息類型配置，主要是Label控件與commoBox控件配置使用。使用commoBox控件選擇BC→RT、RT→BC、RT→RT及Broadcast消息傳輸類型之一。

2)命令字參數寫入：命令字的16 bit有效信息數據中，5 bit為遠程終端地址RT，1 bit為收發參數RT，5 bit為子地址SA，5 bit為數據字個數WC。通過commoBox控件依次設置以上4個參數的字符串，將字符串轉換為16位無符號整數，寫入硬件板卡CAV-1553B-USB中。

3)通信總線及幀周期選擇與寫入：1553B總線有BusA總線和BusB總線兩條總線，當其中一條總線出現故障時可自動切換到另一條總線上進行通信[20]。通過radioButton控件選擇BusA或BusB總線任一進行通信。選擇板卡CAV-1553B-USB的子幀模式進行通信，設置其幀周期即可實現周期通訊。

4)編輯傳輸數據：單獨設置數據編輯頁面，具有輸入限制、數據轉換、一鍵清除等功能方便學員快速輸入。編輯框限制只能輸入合法的四位二進制數據，需要實現textBox無法輸入字母以及無法輸入超過4位數字。數據編輯部分設置二進制數據輸入端口，需要實現4個4位二進制數據轉化為1個4位十六進制數據，從而寫入消息傳輸程序中。為了滿足學員輸入數據后便捷清零的需求，實現學員高效率使用本輔助教學軟件，故在數據編輯功能中設置“清零”按鈕。“清零”功能的實現主要借助button控件及groupBox控件。

原理實驗消息通信的實現工作與基礎實驗中所述步驟基本一致，不再贅述。

4.3.2 原理實驗驗證

結合原理實驗項目界面，并選擇BC→RT消息通信實例進行參數配置，并將驗證過程進行展示。其余消息通信實例配置及驗證過程與之相似，不再論述。

BC→RT消息通信實例參數配置界面如圖7所示。選擇BC→RT消息時由于BC僅需要下達接收RT命令字，因此“命令字2”將變灰不可用。學員可根據場景配置“命令字1”以定義接收RT的地址、子地址SA和傳輸的數據量WC。假設配置接收RT地址為10，SA為24，WC為4。選擇“BusA”通道，配置幀周期為100ms，點擊“啟動”。點擊“數據編輯”，進入數據編輯界面，依次進行4個數據字內容的編輯，將前4個數據字設為“0x1111”、 “0x2222”、“0x3333”和“0x4444”，如圖8所示。

圖7 BC→RT消息通信實例參數配置界面

圖8 數據編輯界面

完成數據編輯之后，點擊“確定”，軟件跳轉到參數配置界面。點擊配置界面的“運行”啟動通信，軟件按照所選消息格式和數據字調度板卡開始消息傳輸。傳輸過程中，使用示波器通過測試點測取到實時傳輸波形如圖9所示，總線監視器監控到實時傳輸的消息與基礎實驗類似，不再贅述。

圖9 BC→RT消息格式實時傳輸波形

按照曼徹斯特II編碼解析，實時波形依次為：0x5304(命令字)，0x1111、0x2222、0x3333、0x4444(4個數據字)，0x5000(狀態字)。符合BC向終端RT10的子地址SA24傳輸所設置的4個數據字，并收到RT10發出的通信正常狀態字反饋，與軟件原理實驗界面配置的消息類型和消息數據內容一致。

4.4 綜合實驗實現與驗證

設計開發基礎實驗和原理實驗，并不能完成1553B總線通信原理完全意義上的教學。基礎實驗和原理實驗可以輔助學員理解1553B總線命令響應的控制機制，實現的是任意兩個終端之間的通信，而1553B總線實現的是多個終端在同一套總線上的有序通信，對于如何確保多個終端在同一套總線上通信不沖突毫無涉及。

綜合實驗項目的目的就是輔助學員理解1553B總線的通信機理，即采用大小周期的時分制調度機制。在實際通信過程中，有時還會涉及到非周期消息的觸發，而且根據不同情況也會出現余度備份切換和消息延遲重發等機制。因此設計開發能夠實現大小周期、非周期消息等消息調度教學內容，實現深層次余度備份切換和消息延遲重發等通信協議和故障排除機制教學功能，能夠幫助學員建立三代機聯合式航電系統整體概念的綜合實驗項目就顯得格外重要。

4.4.1 綜合實驗實現

綜合實驗項目實現總線消息通信實際內容，按周期傳輸固定消息，并且引入的非周期消息發送，支持學員自行觸發非周期消息，學員可通過多個終端界面讀取每個終端實時接收到的消息，通過每個終端實時接收到的消息以分析得出每個消息的消息周期，并推測出大小周期。通過設置典型故障，可輔助學員理解故障處理機制，如某終端子系統一根總線斷開，消息會在另一條備份總線上重發；如果將某個終端關閉，模擬終端故障，消息可在當前通道重發、以及切換通道重發。

綜合實驗項目是在參考某型戰機航電系統拓撲結構的前提下，通過開發實現一個總線控制器BC(顯示控制管理子系統DCMS)、5個終端設備RT(RT1為雷達子系統RD；RT2為外掛物管理子系統SMS；RT3為慣導子系統INS；RT4為大氣數據子系統ADC；RT5為任務計算子系統MC)不同子界面，多終端子系統同時啟動、配合實現該型戰機完成一次空空火力打擊消息傳輸全過程[21]，有助于學員對三代機聯合式航電系統整體概念進行理解。假設戰機執行某次空空火力打擊任務過程中，所需傳輸的總線消息如表1所示。

表1 一次空空火力打擊總線消息表

參照戰機的1553B傳輸層消息調度方式對以上總線消息進行調度排列，形成的總線消息調度時間軸如圖10所示。

圖10 一次空空火力打擊總線消息調度

一次空空火力打擊中一個大周期(240 ms)傳輸的消息約40條(Msg1--Msg12消息流向接收發送的子地址不同而會重復發送多條)，類型可分為BC→RT、RT→BC、RT→RT，根據消息周期不同形成消息鏈表。

所有消息傳輸都在BC(顯示控制管理子系統DCMS)的管理下完成，軟件中通過應用層算法模擬傳輸層的消息調度，首先計算大小周期分別為240 ms和30 ms，然后依據優先級(非周期消息優先級高、周期消息優先級相同)、消息編號、消息周期生成靜態總線表，供BC依照表進行調度[22]。實現時，需將生成的總線表配置到BC BLOCK并寫入板卡中。其中非周期消息需要添加觸發條件并定義優先級進行發送，與實際應用需求一致。

5個終端系統RT也需依次進行發送或接收消息的配置，需依次分配和配置子地址的SA BUFFER，并寫入板卡。

4.4.2 綜合實驗驗證

在顯示控制管理子系統BC界面上，點擊“啟動”按鈕可啟動DCMS。在各接收RT均處于啟動狀態時，點擊“發射”按鈕即可觸發非周期消息的發送。通過下拉菜單可依次選擇不同消息進行接收并顯示到下方消息框中。右側狀態框可對操作過程進行記錄，如圖11所示。

圖11 綜合實驗項目BC端界面

這里以顯示控制管理子系統(BC)與雷達子系統(RT1)通信為例演示通信結果，其余子系統過程相似。

雷達子系統(RT1)界面如圖12所示。子系統界面的下拉菜單“選擇接收消息”可篩選不同發送端發來的消息。此時選擇的是由慣導子系統(RT3)發送、雷達子系統(RT1)接收的目標跟蹤指引消息Msg6(消息RT3_3→RT1_2中的3和2代表子地址)，可以發現消息周期約為60 ms。

圖12 雷達子系統界面接收目標跟蹤指引消息

將各子系統之間的所發的第一個大周期(<240 ms)進行消息次序統計，與理論上分析所得的消息次序(圖10)一致，且每條消息的周期與預先設置(表1)一致，驗證了綜合實驗設置的消息調度算法，為學員掌握這一難點提供實踐手段。同時，總線監視器上監控到的總線上傳輸的所有消息，分析其消息序列和消息中的數據字值，與總線消息表一致。

綜合實驗中還模擬了1553B總線通訊異常，仿真了消息延遲重發、總線余度切換和終端下線功能。所實現功能為：當消息首次傳輸異常(狀態字響應時間超過14 μs)，則進行一次消息延遲重發；若重發后恢復正常則認為是偶然故障，進行彈窗提示；若首次重發后依然通信異常則將切換到余度線纜重發，并在控制器端提示。若余度總線切換后發送也出現傳輸異常，則調用板卡API使終端下線，并進行彈窗提示。

通過綜合實驗，學員將在1553B總線單條消息傳輸的基礎上，學習多條消息的時分制調度策略。通過一個模擬機載應用實例，徹底掌握抽象的1553B總線傳輸層調度策略，達到預期的進階學習效果。

5 結束語

本文結合1553B總線通信原理實際教學需求，通過三類實驗項目引導學員層層深入，有效達到掌握1553B總線通信原理的教學目標，滿足深層次、高效率的教學需求。

在軟件使用過程中，將結合新的教學需求不斷對其進行優化和迭代。后續可進一步優化界面，完善各個實驗功能，并可將綜合實驗中的通信數據設為具有實際意義的物理量，添加ICD轉換這一過程。另外，還將完善各子系統的二級仿真界面，進一步貼合實戰實裝，達到更好的教學效果。