星载1553B总线通信接口研究

李新贝 高山 谭超 邵根忠

（山东航天电子技术研究所，山东烟台 264670）

1 引言

随着航天技术的快速发展，越来越多复杂电子产品出现在星载系统中，众多电子设备之间时时刻刻在交互通信，通信的可靠性成为星船研制过程中需要重点解决的问题。总线通信技术的应用，大大提高了航天电子系统的性能和可靠性，使得系统具有可维护性。目前1553B 总线通信在星船电子设备中的应用非常普遍［1］。在采用1553B 总线的综合电子系统中，每一个分系统都必须具有1553B 总线接口才能完成分布式通信任务，因此，总线接口设计的重要性不言而喻［2］。

1553B总线接口形式主要有2种：直接耦合方式和变压器耦合方式。为保证1553B 总线正常通信，本文基于叠加定理对变压器耦合方式下1553B总线接口进行建模，运用Matlab软件进行仿真与分析，探讨了相关电阻对输入电压信号U的影响，得出了相应的阻值范围。通过软件模拟能有效减轻工程设计的工作量，同时在一定程度上提高了设计的准确性，对1553B 总线接口设计具有一定的指导意义。

2 1553B总线的建模与仿真

在航天电子设备的研制过程中，变压器耦合方式的1553B总线接口电路如图1所示［3］。

图1中，BC为总线控制器，RT 为远程终端。

在实际应用中，总线协议处理器通常采用专用接口芯片，用来实现协议层的处理。目前使用较为广泛的接口芯片是美国DDC 公司的ACE 系列芯片，其中以BU-61580最为典型。BU-61580是一种全集成化多协议接口芯片，由两个低功耗的双端收发器、协议逻辑、存储器管理逻辑、处理器接口逻辑及4K×16位bit内置共享静态RAM，以及直接面向主处理器的缓存接口组成。该芯片集成了BC／RT／MT功能，具有灵活的存储器／主处理器接口，可扩展64K×16位bit外部RAM［4］。

通常1553B 芯片因厂家、规格的不同，其接口电路的匹配电阻、隔离电阻等阻值也不尽相同。结合工程实践，图1中总线控制器D1、远程终端D2均选用了DDC公司的BU-61580S6接口芯片，供电电压取额定电压5．0V；两耦合变压器D3、D4选用了B-3226芯片，变压比为1∶2．5；图1中R1～R4分别为BC、RT 的隔离电阻，通常取典型值R1＝R2＝R3＝R4＝RS＝55Ω，其目的是为了防止某一支路或终端短路对整个通信系统造成影响。R5、R6为终端匹配电阻，典型值为70～85Ω，常取R5＝R6＝RT，跨接在远端BC 输出端和RT 输入端之间，用于消除传输线阻抗不连续时的反射干扰［5］；R7、R8为双绞传输线等效阻抗RW。为了预测该接口的可靠性，应根据接口电路的等效模型来分析隔离电阻RS、终端匹配电阻RT和传输线阻抗RW对RT 端输入电压信号U的影响。首先，需计算出该接口电路的传递函数表达式U＝f（R）。

下文重点对1553B 总线相关电阻RS、RT、RW与D2的输入电压U之间的关系进行计算与分析。

2．1 接口等效电路模型

如图2所示，以1553B总线推荐电压为例，即D1输出电压信号Pout、Nout之间电压峰峰值VPP为11．6 V，通过变压比为1∶2．5的变压器D3后的两信号Pout1、Nout1之间的电压峰峰值VPP1为（11．6×2．5）V。D2两输入端差分输入阻抗Rd取最小值2．5kΩ，在不考虑变压器的容性、感性阻抗情况下［6］，从而得出D4的等效输入阻抗RL为2．52×Rd，根据叠加定理对以上电路进一步等效如图3。从而可计算出D2输入端电压U与各电阻之间的表达式。

图2 变压器耦合方式的1553B总线接口电路图Fig．2 Interface circuit of 1553Bbus based on transformer coupled mode

图3 电压源激励的等效电路图Fig．3 Equivalent circuit model based on excitation voltage source

BU-61580S6输入端高电压可靠识别的最大范围为2．0V≤ViH≤5．8V（ViH为输入高电平范围），这是保证正常可靠通信的基本条件［7］。基于Matlab仿真软件，从以下3个方面进行分析：

（1）在理想双绞传输线情况下，当RT＝77．5Ω时，讨论隔离电阻RS阻值的选取范围；

（2）在理想双绞传输线情况下，当RS＝55 Ω时，讨论终端匹配电阻RT的优选范围；

（3）在（1）、（2）两种理想状态的分析基础上，当RT＝77．5Ω 和RS＝55Ω 时，讨论实际1553B总线双绞传输线电阻RW的阻值范围。

2．2 Matlab软件仿真与分析

BU-61580S6输入高电平的电压范围为2．0～5．8V，利用Matlab软件分别对U-RS、U-RT、U-RW三种特性曲线进行仿真与分析，探讨电阻RS、RT、RW对输入电压U的影响。

2．2．1U-RS特性曲线

在双绞传输线阻抗为0（即理想状态）情况下，当RT＝77．5Ω 时（即：RT取推荐阻值范围的中间值），针对D2输入电压U与隔离电阻RS之间的关系曲线进行仿真，如图4和表1所示。

图4 1553B总线接口的U-RS 关系曲线图Fig．4 U-RSrelation curve of 1553Bbus interface

表1 1553B总线接口的U-RS 关系曲线仿真数据表Table 1 Data on the U-RSrelation curve of 1553Bbus interface

由图4、表1可知，当隔离电阻RS取值区间在［0，100］时，随着RS的增大，1553B总线RT 端输入电压U幅值不断减小，并趋于缓慢；区间在［0，19．2］时，U随RS的变化显著；当RS＝19．2Ω 时，U达到高电平最大门槛电压5．8 V；当RS＝91．4 Ω时，U幅值为高电平最小门槛电压2．0V；当RS≥91．4Ω 时，此时RT 已不能正常接收信号，1553B总线无法可靠通信。

要保证RT 端输入电压U为高电平，总线接口的隔离电阻RS应满足：19．2Ω≤RS≤91．4Ω。根据1553B总线手册推荐，RS通常取典型值55Ω，与以上RS阻值范围的中间值55．3Ω 一致，进一步印证了该仿真结果的正确性；当RS＝55Ω 时，U为2．995V，能够保证总线可靠通信。

2．2．2U-RT特性曲线

在理想双绞传输线情况下，当RS＝55 Ω 时（即：RS取推荐的典型值），针对D2输入电压U与隔离电阻RT之间的关系曲线进行仿真，如图5 和表2所示。

图5 1553B总线接口的U-RT 关系曲线图Fig．5 U-RTrelation curve of 1553B bus communication

表2 1553B总线接口的U-RT 关系曲线仿真数据表Table 2 Data on the U-RTrelation curve of 1553Bbus interface

由图5、表2可知，当总线终端匹配电阻RT取值区间在［0，250］时，随着RT的增大RT 端输入电压U幅值不断增大；当RT＝0时，U取最小值0V；当RT＝46．2 Ω 时，U幅值刚好达到了门槛电压2．0V。当RT取值区间在［0，46．2］时，输入电压U小于高电平的最小门槛电压2．0V，1553B 总线无法正常通信；区间在［46．2，224．8］时，此时满足输入电压U范围要求，总线能够正常通信；当RT取值区间在［224．8，250］时，输入电压U大于高电平的最大门槛电压5．8V，总线工作不正常。

要保证RT 端输入电压U为高电平，终端匹配电阻RT阻值应满足：46．2Ω≤RT≤224．8Ω。通常将U取值范围控制在2．7～3．2V 之间，此时可得出RT的优选范围为：67．5Ω≤RT≤84．9Ω，可保证总线可靠通信，该优选范围的RT中间值为76．2Ω，与1553B总线推荐范围的RT中间值77．5Ω 一致。

2．2．3U-RW特性曲线

由于实际1553B总线双绞传输线阻抗的存在，基于以上两种理想状态下的分析结果，当RT、RS分别取阻值范围的中间值（即RT＝77．5Ω、RS＝55Ω）时，对RT端输入电压U与传输线电阻RW之间的特性曲线进行仿真分析，见图6和表3。

图6 1553B总线接口的U-RW 关系曲线图Fig．6 U-RWrelation curve of 1553B bus communication

表3 1553B总线接口的U-RW 关系曲线仿真数据表Table 3 Data on the U-RWrelation curve of 1553Bbus interface

结合图6和表3可知，当传输线电阻RW取值区间在［0，50］时，随着RW的增大RT端输入电压U幅值不断减小。当RW＝0Ω 时，U取最大值2．995V；当RW＝30．5Ω 时，U幅值刚好达到了门槛电压2．0 V。当RW取值区间在［0，30．5］时，1553B总线能够正常通信；区间在［30．5，50］时，不能满足输入电压U范围要求，随着RW增大总线通信异常，不能正常工作。

要保证RT 端输入电压U为高电平，实际1553B总线双绞传输线电阻RW阻值应满足：0Ω≤RW≤30．5Ω，一般使用上是可以满足的。

3 结束语

研究1553B总线通信的关键，是建立总线接口的等效模型和进行阻抗匹配计算［8］。在忽略双绞线阻抗等情况下，建立理想状态下的等效模型，证明了模型的有效性，结合仿真图和工程实践得出：①当终端匹配电阻RT＝77．5Ω 时，确定了RS的选取范围：19．2Ω≤RS≤91．4Ω；②当RS＝55Ω 时，RT的优选范围为：67．5Ω≤RT≤84．9Ω；③基于以上2种理想分析结果，当RS＝55Ω、RT＝77．5Ω 时，确定了正常使用的RW范围：0Ω≤RW≤30．5Ω。

本文建立了一种1553B 总线接口的等效模型和计算仿真方法，验证了1553B总线手册推荐参数的合理性，这对更好地指导工程设计，保证1553B总线通信的完整性和可靠性是有益的。

（References）

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