1553B总线分析及国产化研究

张秀梅 吴祖民

摘 要：1553B总线是一种集中式的时分串行总线，目前已广泛应用于海、陆、空三军，具有一网盖三军之称。但是由于基于1553B标准的总线核心技术长期由欧美公司所垄断，因此，自主研发1553B总线的协议芯片及产品具有重要的战略意义。文章详尽分析了1553B总线系统的耦合方式、网络拓扑结构、总线字格式、通信协议以及优势，还介绍了1553B总线技术的各种应用、国产化研究情况以及发展趋势。

关键词：1553B总线；应用；国产化

为实现航电系统过程控制和状态管理、各子系统或模块之间的资源共享、减轻互连介质的重量、降低复杂性，提高信息传输的实时性和可靠性；另外，由于航电系统长时间工作在高空、高温、高速、强电磁干扰以及高强度振动环境中，工作环境比较恶劣，势必需要一种比较可靠的通信方式。在数据总线领域先后提出了一系列的标准和规范，常见的有ARINC429总线、MIL-STD-1553B总线等[1]。其中ARINC429总线协议是点对点的单向传输总线，系统数据传输是通过屏蔽双绞线实现的，它的缺点是速度慢、效率低，不能满足复杂的航空电子综合系统的要求；MIL-STD-1553B总线（以下简称“1553B总线”）是一种时分制指令/响应多路传输数据总线，采用半双工的通信方式，能把系统通信有效地集成，采用综合控制和显示，由于其高可靠性、高速率性和高稳定性，在联合式航电系统中得以广泛应用。但是由于基于1553B标准的总线核心技术长期由欧美公司所垄断，因此，自主研发1553B总线的协议芯片及产品具有重要的战略意义。国内873项目颁发了国军标289A，它目前是国产作战飞机的主流数据总线。本文详细分析了1553B总线系统的耦合方式、网络拓扑结构、总线字格式、通信协议以及优势，还介绍了1553B总线技术的各种应用、国产化研究情况以及发展趋势。

1 1553B总线介绍

1553B总线采用半双工的通信方式，传输速度为1 Mb/s，每个字字长20位，数据有效位为16位，消息最长长度为32个字，传输媒介为屏蔽双绞线，传输协议为命令/响应方式，数据传输采用曼彻斯特Ⅱ型码调制信号[2]。

1.1 系统概述

1553B总线系统主要包括接口模块、耦合器、电缆等，各个节点之间使用双绞屏蔽线和总线耦合器连接，耦合方式有直接耦合和变压器耦合两种，第一种方式是节点直连到总线上，最长约为30 cm，它的优点是重量轻，维护少；第二种方式是通过隔离变压器再连接到总线上，最长约为6 m，它的优点是将RT和总线相隔离，减少信号失真度，抑制了共模噪声，实际应用中通常选择变压耦合方式。

1553B总线系统有3种典型的节点：总线控制器（Bus Controller，BC）（唯一一个），远程终端（Remote Terminal，RT）（最多31个）和总线监视器（Monitor Terminal，MT）。这3种节点的主要分别功能如下[3]。

（1）BC。BC是被安排为执行建立和启动数据传输任务的唯一终端，对于整个飞机总线网络而言，飞机控制系统即是BC，控制整个飞机各个子系统之间的通信。

（2）RT。RT是接入1553B总线网络的各个子节点，一个1553B总线网络最多能接入31个RT。RT是用户子系统到数据总线上的接口，在BC的控制下发送或接收数据。对于整个飞机总线网络而言，导航系统、雷达系统、显示系统、发动机控制系统等都属于RT，只有当总线控制器BC向某RT发出指令后，该RT才能与BC或者别的RT进行通信。

（3）MT。MT是系统中用于有选择地接收、记录总线上传输的信息终端。总线监控器不传输数据，只受总线控制器BC控制。

1553B总线网络中所有终端共享一条信息通路，每个终端扮演唯一总线角色，任一时刻网络中只有一个终端在发送信息，信息可被所有终端接收，接收后终端通过地址来识别。这种网络结构简单，任一终端的故障都不会造成系统的瘫痪。总体来说，1553B总线具有以下优点。

（1）线性拓扑结构：便于维护，易于增加或删除节点，提高系统的可靠性和灵活性。

（2）可靠的传输协议：总线按指令/响应的方式异步操作。

（3）冗余容错能力：传输线、总线接口都存在热备份，极大提高了系统的可靠性。

（4）实时传输性：1553B总线的传输速率可达1 Mb/s，每条消息最多仅含32个字，因此实时性很强。

（5）高可靠的电气传输：1553B总線传输采用变压器耦合方式，每个终端都能够安全地与总线隔离。

1.2 1553B总线字格式及通信协议

1553B总线上的数据流由一条条消息组成，而每条消息都由3种类型的字组成：命令字、数据字和状态字。

1.2.1 字格式

字是一个比特位序列，命令字、数据字和状态字这3种类型字的字长均为20位：包含同步头（前3位）、有效数据位（后16位）及奇偶校验位（最后1位），详细格式定义如图1所示[4]。

1.2.2 通信协议

1553B总线每条消息都是由1个命令字、1个状态字和若干数据字（数目0～32不等）及状态响应间隔组成的传输序列。按照功能划分，共有10种消息格式：BC->RT、RT-> BC、RT->RT、带数据字的方式指令（发送）、带数据字的方式指令（接收）、不带数据字的方式指令、BC向各RT的通播（广播接收）、RT->RT广播、带数据字的广播方式指令、不带数据字的广播方式指令[5]。前6种消息是在BC的直接控制下进行，要求被访问的RT作出特定的响应；后4种消息是广播方式，允许BC或某个RT将消息发送给所有其他终端，但不需要确认接收终端的状态（无需确认接收端状态，传输效率高但不可靠）[6]。

2 1553B总线的应用和国产化研究

2.1 1553B总线的应用

当总线通信出现问题时，根据总线信息只能判断出是某个子系统的故障，而难以判断出是该子系统设备还是对应总线出现了故障，所以很有必要对传输信号的波形特征及信息内容进行综合监测。国外推出的通用航空总线测试系统，已在航空航天综合测试领域有了广泛应用，但因成本及协议保密问题，不能很好地引进到国内。文献[5]针对此问题编制了一个总线信息监控软件系统，用来采集、保存信号，并与接口控制文件（ Interface Control Document，ICD）库进行比对，实现信息内容的解析，具备良好的人机交互界面，便于操作者观察和分析，在解决此类监测总线问题方面有很好的借鉴意义。

远程终端是总线系统的重要组成部分，借助现代集成电路的不断集成化，将远程终端实现片上系统化（System on a Chip，SoC）有很大的实用意义。文献[5]设计并实现了1553B总线系统挂载SoC模型的远程终端，实现了上述的10种消息格式，并能够按照消息通信协议进行数据传输和异常消息处理，为总线系统设计和验证的国产化提供了极重要的参考价值。

2.2 1553B总线的国产化研究

1553B总线在实现数据传输功能时，需要使用具备灵活的接口模式，能够与各种CPU连接的协议芯片，其中典型代表是DDC公司的“ACE”系列协议处理器BU61580和BU65170等最为常用[10]。为更好地保障通信信息安全，摆脱1553B系列芯片市场长期被欧美垄断的境地，我国于1997年11月发布了GJB289A-97，该标准已成功应用于国内各型飞机研制项目中。目前国内一些科研院所和企事业单位研发出了多款优秀的产品。

很多研发团队考虑用FPGA实现协议功能的方式替代ACE等协议芯片，这种方法使用方便、灵活而且价格低廉，但只适合于实验室使用，不适合作为装备交付用户。原因是国内的大部分FPGA电磁兼容性能远远达不到军品器件的要求。对此，国家进行技术攻关，终于研制出一种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，可完全代替DDC公司ACE系列芯片的产品[8]；芯片EP-H31580，B61580也是属于自主研制，在功能和性能上能够达到DDC公司的BU61580的水平，并且研发成本远远降低，在实际产品研发生产中已得到应用。

当前，在航电系统迅猛发展的强烈需求之下，对1553B总线方面的技术人才需求日益增多，为培养更多的此类型优秀人才，一种基于HKS1553BCRT芯片的多功能仿真平台应运而生，此平台以先进的SoC技术、ARM嵌入式系统和1553B总线技术为基础，以普及1553B总线应用和SoC架构的芯片编程设计为出发点，对推广1553B总线技术知识以及SoC芯片的一些基本的使用技巧具有很好的工程应用价值[9]。这些成果在一定程度上改变了军用1553B芯片及相关产品完全依赖进口的局面，隨着国家对电子器件国产化的日益重视，相信不久，国产芯片会占领越来越多的市场，并且所研发的产品会更具竞争力。

3 1553B总线发展趋势

MIL-STD-1773总线是1553B总线的光纤版，具有传输速率高（20 MB/s）、电磁兼容（Electro Magnetic Compatibility，EMC）好和不产生电磁干扰（Electro Magnetic Interference，EMI）的优点，但是该技术是目前国际最尖端和最前沿的学科，我国技术人员还未掌握该项技术核心，离真正可靠、成熟的应用于航空领域，还需要走很长一段路[10]。在未来一段时间内，1553B总线由于它的高可靠性、实时性、灵活性，仍将在各军事领域发挥着重要的作用，并且核心技术会朝着抗恶劣环境、抗辐射能力更强以及传输速度更快的方向发展。