1553B总线应用发展研究

刘士全，隽 扬，蔡洁明，魏敬和，黄 正

（中国电子科技集团公司第58研究所，江苏 无锡 214035）

1 引言

20世纪60年代，由导航/平显/武器瞄准系统(INS/HUD/WACS)组成的综合火控系统，配上远距空射武器，使战斗机如虎添翼。但作战信息数据总量暴涨，而设备间接口各异，互联协同难度大，成为作战效能的瓶颈。同时，由于缺乏统一标准，开发、维护和改进的成本不断上升。

为了解决这一问题，美国SAE A2K委员会在军方和工业界的支持下于1968年决定开发标准的信号多路传输系统，并于1973年公布了MIL-STD-1553A标准。1973年的1553多路传输数据总线成为了未来军用机将采用的技术，它取代了在传感器、计算机、指示器和其他飞机设备间传递数据的庞大设备，大大减少了飞机重量，并且使用简单、灵活。此标准的修订版本于1978年公布，即MILSTD-1553B标准。1980年，美国空军又对该标准作了局部修改和补充。该标准作为美国国防部武器系统集成和标准化管理的基础之一，被广泛用于飞机综合航电系统、外挂物管理与集成系统，并逐步扩展到飞行控制等系统及坦克、舰船、航天等领域。它最初由美国空军用于飞机航空电子系统，目前已广泛应用于美国和欧洲海、陆、空三军，而且已经成为一种国际标准。中国于1987年颁布了相应的军标。

2 1553B总线简介

2.1 1553B总线通信系统

一个综合系统通常由若干子系统通过嵌入式总线接口并经过总线介质互连而成，各个子系统操作独立，资源和功能则可通过网络共享。从通信系统的角度看，在所有的子系统中有一个作为总线控制器（BC），其他的子系统都是远程终端（RT）。例如在典型航空电子系统中，通过1553B总线可连接多达32个子系统（或称终端RT），完成各子系统的通信和数据交换，以实现各子系统的集中控制和显示。为了提高可靠性，一般都采用双冗余总线结构。现代飞机典型的航空电子系统及1553B总线应用框图如图1所示。

图1 航空电子系统及1553B总线应用框图

D1/D2为总线控制器，NA为非航电监控处理机，RD为雷达子系统，SMS为外挂管理子系统，MC为任务计算机，DT为数据传输子系统，IN为惯性导航子系统，CNI为通信导航识别子系统，CA为中心大气计算机，FCS为飞控子系统。

2.2 1553B总线的特点

由于1553B总线在减少电子设备的体积、重量、复杂性以及电子系统综合费用诸方面的优点，成为了机动平台电子系统的主要工作支柱。它具有不同于一般电子网络的鲜明特点。

（1）1553B总线是一种广播式分布处理的计算机网络，网络上可挂接32个终端，所有的终端（节点）共享一条消息通路，任一时刻网络中至多只有一个终端在发送消息，传送中的消息可以被所有终端接收，实际接收的终端通过地址来识别。网络结构简单，终端的扩展十分方便，任一终端（除总线控制器外）的故障都不会造成整个网络的故障，总线控制器则可以通过备份来提高可靠性。但是网络对总线本身的故障比较敏感，因此通常采用双余度总线。

（2）强调了实时性，1553B总线的传输码速率为1 Mbps，每条消息最多包含32个字（每个字16位），因此传输一条消息的时间比较短。

（3）1553B总线按指令/响应的方式异步操作，即总线上的所有消息传输都由总线控制器发出的指令来控制，相关终端对指令应给予回答（响应）并执行操作。这种方式非常适合集中控制的分布式处理系统。

（4）兼顾实时性的条件下，采用了合理的差错控制措施，即反馈重传方法。

2.3 1553B总线协议介绍

2.3.1 1553B总线网络拓扑结构

1553B总线（数字式时分制指令/响应型多路传输数据总线）由数据总线、终端或子系统终端接口组成。通过分时传输（TDM）方式，实现系统中任意两个终端间相互交换信息。终端是数据总线和子系统的接口电子组件，从功能上说它可以是总线控制器（BC）、远程终端（RT）或总线监控器（BM）；从物理结构上说，它可以是独立组件，也可以包含在子系统中。1553B总线的网络拓扑结构如图2所示。

2.3.2 1553B总线工作模式

1553B总线有三种工作模式：总线控制器（Bus Controller）、远程终端（Remote Terminal）、总线监视器（Bus Monitor）。

（1）总线控制器（BC）

总线控制器BC是总线上必不可少的重要组成部分，在1553B标准中只规定了送到总线上的命令，而对总线控制器内部如何工作没有做出规定。其结构有三种类型：字控制器（Word Controller）、消息控制器（Message Controller）和帧控制器（Frame Controller）。BC按功能可分为标准模式和增强模式。

图2 1553B总线网络拓扑结构

（2）远程终端（RT）

远程终端RT在1553B系统中只能接收来自总线控制器的命令。RT具有一个接口模块，负责总线和子系统之间的数据传输。其在应用中有两种情况：嵌入式和非嵌入式，如今多数RT已嵌入子系统中以此来提高系统的总体性能。远程终端RT一般由收发送器、编码/译码器、协议控制器、缓冲存储器或存储器以及子系统接口组成。而在最常用的双冗余系统中需要两个收发器、两个编码/译码器。在功能上，RT除了可以寻址存储器，实现存储器共享，还必须在进行数据传输以外能够缓冲有用的数据、检测传输错误、确认有效数据和报告信息传输的状态。对于双冗余总线来说，RT还必须能够同时接收和处理两条总线的数据和命令。

（3）总线监视器(BM)

总线监视器BM是指监听和记录总线上传输的命令和数据的终端。它受BC控制，不参与任何总线传输。BM有两种工作模式：一种是字监视模式，它监视记录总线上所有的消息字；另一种是选择监视模式，只对指定的RT地址进行监视记录。

2.3.3 1553B总线数据格式

1553B信息流由一串1553B消息构成。1553B消息由命令字、数据字、状态字组成。命令字、数据字、状态字都应是3位同步头 + 16位有效位 + 1位奇偶校验，总共20位构成。同步和奇偶校验位被1553B硬件用在确定信息格式和数据错误的时候。

2.3.4 1553B总线通信方式

1553B信号以串行数字脉冲编码调制（PCM）形式在数据总线上传输。采用曼彻斯特Ⅱ型双相电平码，逻辑1为双极编码信号1/0，即一个正脉冲继之一个负脉冲；逻辑0为双极编码信号0/1，即一个负脉冲继之一个正脉冲。1553B的数据传输为半双工方式。总线上波特率为1 Mbps。1553B信号编码方式如图3所示。

图3 1553B信号编码方式

3 1553B总线的应用及国产化进程

3.1 1553B总线的应用

20世纪70年代，美国空军莱特实验室提出数字式航空电子信息系统(DAIS)计划，开始为航空电子注入“综合”的概念，这是航空电子系统发展历程中的重要里程碑和分水岭。DAIS计划对航电系统的综合依靠4个重要的标准，即MIL-STD-1750A美国空军机载计算机指令集、MIL-STD-1589 JOVIAL高级语言、MIL-STD-1553B时分制指令/响应式多路数据传输总线、MIL-STD-1760外挂物管理接口。中国在20世纪90年代就已立项做1553B协议的研究与产品研制工作，并被纳入军标GJB 289A《数字式时分制指令/响应型多路传输数据总线》，且投入了大量的人力及物力。中国最早在歼-8Ⅱ战斗机上应用1553B总线，总线本身平均无故障工作时间超过了10 000 h，在全系统中基本可忽略其故障率。采用1553B总线的连接方式比歼-8Ⅱ上原有联结方式好得多，同时省去了飞机设备间复杂繁琐的点对点联结，仅此一项令全电子系统的重量减轻约5%，并节省空间和耗电。从目前公开展示的歼7MG、歼8-ⅡM、 超7（枭龙/FC-1型）等战斗机及一些日常报道来看，中国的航空电子在向西方1553B标准靠拢。由于1553B总线的这些优越性，目前机载、弹载、舰载、车载系统都已经将1553B总线列入系统的核心，预计在未来十年1553B总线还将得到广泛的应用。

3.2 国产1553B协议芯片发展情况

由于1553B总线应用日益广泛，美国、英国等西方国家的公司（如DDC公司、SCI公司和STC公司）纷纷推出了自己的数据总线接口（MBI）设计模式及协议芯片。其中DDC公司作为1553B标准的主要制定者和研制者，其1553B芯片以ACE系列最为著名。这些芯片在国内外用户众多。因其可靠性、抗恶劣环境强，这些芯片被广泛用于航空、航天等领域的总线系统及其电子设备中。

由于1553B芯片使用的特殊性，加之1553B系列芯片的价格逐年上升，所以越来越多的用户开始考虑使用国产化的1553B芯片替代DDC公司的产品。如用FPGA内置1553 IP核的方式替代ACE等协议芯片，制作1553B的通讯卡或仿真测试卡。这种方法使用方便、灵活而且价格低廉，国外很多1553B板卡也是用这种方式研制的，国内也有众多的类似应用；但这种方式制作的1553B通迅卡或仿真测试卡只适合于实验室使用，不适合作为装备交付用户。原因在于国外制造商可以直接购买到军品级的FPGA，由于这些FPGA在设计上已经考虑了电磁兼容等诸多问题，所以写入1553B IP核之后，可以直接使用，基本不影响整个协议芯片的功能。但国内的FPGA大部分是工业器件筛选出来的，性能远远达不到军品器件的要求，加上制作成1553B协议芯片后，又很少按照标准进行严格测试，质量难以保证。类似情况在若干设备的使用中已多次发生。

对此，国家投入专项资金，进行技术攻关，经过数年的努力，终于研制出完全代替DDC公司ACE系列芯片的产品。这是完全用硬件电路实现的协议芯片，抗干扰能力达到军品H级，与DDC公司同型号产品做背对背测试，各项指标完全满足，可以完全实现BU-61580等芯片的原位替换，软件硬件不用做任何改动。

目前，这些国产化的1553B芯片已经广泛用于航空、航天、兵器系统的诸多型号研制中，获得了用户的广泛认可。随着电子器件国产化的推广，在不远的将来，国产的61580等芯片将完全取代进口芯片，占领整个1553B芯片市场。

4 1553B总线的发展趋势

l553B总线是三十多年前针对当时的应用提出来的，目前应用已非常普遍。未来几年内1553B总线将主要朝着两个方向发展，一是芯片和网络组件的功耗更小，抗恶劣环境、抗辐射的能力更强，1553B和计算机之间的接口也逐渐标准和统一，目前国内已有多家单位的1553B总线产品正朝着这个方向发展，并已研制出抗辐射的1553B总线控制器。二是1553B总线的传输速度将不断提高，从最开始的1 Mbps发展到2 Mbps、4 Mbps、10 Mbps，目前市场上已经出现4 Mbps成熟的1553B总线产品。

[1]MIL-STD-1553 Protocol Tutorial[S].Condor Engineering，Inc.2004.

[2]BusTools／1553—API Software Reference Manual[M].Con-dor Engineering Inc，2004.

[3]DDC MIL-STD-1553B Designer S Guide[S].USA.1998.

[4]Rebirth of the 1553 databus[M].Feb 1,2006.

[5]DDC BU-65170/61580 and BU-61585.

[6]熊华钢.1553B总线通信技术的应用与发展[J].电子技术应用，1997(8): 27-28.