无消息间隔约束的1553B 总线通信软件设计方法

朱剑辉，郑 渊，洪小骏，王志国，王城浩

（1.上海航天电子技术研究所，上海 201109；2.上海航天技术研究院，上海 200235）

0 引言

MIL-STD-1553B 总线最初是由美国在20 世纪70 年代提出的航空电子系统联网标准，具有高可靠性、抗干扰能力强、扩充和维护简便等特点，因而被广泛应用于航空和航天等领域［1-2］。1553B 总线的传输协议为命令/响应方式，数据传输的最小单位为“消息”，每条消息最多32 个字（16 bit 位宽），所有的消息传输均由总线控制器（Bus Controller，BC）发出命令，远程终端（Remote Terminal，RT）响应［3-4］。

1553B 总线协议规定有32 个RT 子地址用于消息传输。BC 作为1553B 总线的控制端，控制所有子地址消息的传输，包括方式代码传输、BC 与RT 之间数据传输、RT 与RT 之间的数据传输和BC 向所有RT 设备广播数据等［3-6］。RT 作为总线响应端，通过各子地址控制字配置成单消息、双缓存和循环缓冲3 种数据收/发缓存模式，以及相应的消息结束中断方式用于响应总线数据传输，通过各子地址查找表配置消息数据收/发缓存地址［7］。

受限于下位机设备的处理能力，通常BC 软件需要严格控制与各下位机RT 软件通信的周期及消息间隔，避免因消息响应或处理不及时导致通信异常。主要包括以下2 个方面：1）RT 软件在1553B总线中断时通过读取命令字寄存器获取当前子地址信息。若BC 发送不同的子地址消息的间隔小于软件响应消息结束中断到读取命令字寄存器的最大延时，将导致消息命令字被覆盖异常［8］。2）RT软件在1553B 总线中断时设置数据处理标志，主流程判断标志有效后再执行。若BC 向RT 发送同一个子地址数据间隔小于RT 软件最大处理延时，将导致接收的数据被覆盖异常。同理，若BC 从RT 同一个子地址采集数据的间隔小于RT 软件参数更新最大延时，将导致采集的参数半新半旧或者与上一帧重复。

针对上述限制，当BC 向某个RT 设备发送多条遥控指令时，需要BC 软件设计指令缓存，控制周期逐条发送；当BC 从各RT 采集遥测参数时，BC 软件也要控制不同采集周期；BC 软件为了保证各RT 的响应时间，所有消息设置统一的消息间隔，或增加软件延时，如每次只启动单个RT 设备的一种消息传输，等待RT 返回的数据或消息反馈后才继续准备后续消息。以上约束严重影响了BC 软件的设计通用性和总线传输效率与可靠性［9-10］。为此，文中设计了一种通用的1553B 总线消息处理方式，消除BC软件传输消息间隔限制，减少BC 软件的设计约束，并解决RT 软件对任意消息间隔的适应性问题。

1 BC 软件设计

1.1 BC 软件常规设计方式

BC 软件根据消息传输类型、传输总线A/B、RT 地址、RT 子地址、数据内容及长度等信息，构造消息命令字和控制字，按消息格式写入总线缓存［6］；然后在堆栈中构造4 个字的消息描述符，写入消息间隔和消息缓存起始地址（块状态字和时间标签由芯片自动填写）；接着写总线消息个数配置字和启动寄存器，启动消息传输；最后等待消息传输结束，读取状态字反馈及RT 返回数据等信息。以BC 向RT 传输数据为例，消息数据存储格式如图1 所示。

图1 BC->RT 消息格式Fig.1 Diagram of the BC->RT message format

1.2 改进后的BC 软件设计方式

根据1553B 总线芯片BC 模式的特性，内部缓存配置区存在A/B 区冗余设计，可通过配置寄存器1 的bit 13 配置当前的工作区。当指定A 区为当前工作区时，当前总线活动由A 区的配置空间控制，包括设置消息堆栈和消息个数配置字等；与此同时B 区作为非活动区，可以由软件随意操作而不影响当前总线芯片工作。因此，当A 区在传输总线消息时，可以同时在B 区所指向的缓存空间准备后续消息；当A 区消息传输结束时，通过配置寄存器1 切换当前的活动区，B 区准备好的消息就可以直接启动数据传输。BC 可一次性启动最多512 条消息的序列传输，消息个数配置字中写入相应的值并启动传输后，芯片就会依次从消息堆栈中往后解析各消息描述符及其所指向的缓存区中的消息格式，并启动相应的消息传输。

基于上述特性，在芯片内部缓存空间允许的情况下，根据总线应用协议，合理划分总线消息序列大小。BC 软件一次性启动当前消息序列传输，同时在非活动区准备后续总线消息序列；当前一个消息序列传输结束后，在处理相应的消息反馈数据前，切换总线活动区，启动后一个消息序列传输，如此周期循环。通过以上改进，不仅节约了软件等待数据传输时间，并且不设置消息传输间隔，充分发挥总线芯片的数据传输效率。

BC 软件向各下位机发送总线消息时，不控制相同子地址数据的传输周期，例如当某个需要发送多条遥控指令时，不做数据缓存，一次性批量发送，由各下位机RT 软件自行缓存处理。BC 软件从各下位机采集数据时，采用下位机举手的方式握手：RT 准备好数据后举手，BC 软件判断下位机举手时才采集相应的数据，数据采集周期由RT 软件举手的周期来控制。通过以上改进，消除了BC 软件与各下位机RT 软件通信周期的约束。

2 RT 软件设计

2.1 RT 软件常规设计方式

作为总线响应端，RT 软件在响应总线消息传输前，首先需根据总线应用协议配置好各RT 子地址控制字和查找表。在收到消息中断后，从消息命令字寄存器读取当前消息的命令字，获取RT 子地址和数据长度等信息，设置相关数据处理标志。最后再在软件主流程判断相关数据处理标志有效后，按照总线应用协议要求进行处理，如果是接收消息结束中断，则读取接收数据并处理；如果是发送消息结束中断，则接着准备填写下一帧数据等待BC获取。RT 软件中断方式处理流程如图2 所示。

图2 RT 软件中断方式处理流程Fig.2 Processing flow diagram of the interrupt mode by the RT software

2.2 中断遍历消息堆栈方式

根据1553B 总线芯片RT 模式的特性，在缓存中有256 字的消息堆栈，依次存储接收的4 个字的总线消息描述符［7-8］。因此，只要RT 软件在两次读取消息堆栈之间收到的消息不超过堆栈大小，那么就可以通过遍历堆栈的方式将接收到的消息命令字逐个读出而不被覆盖。改进后的RT 软件中断处理流程如图3 所示。

图3 改进后的RT 软件中断方式处理流程Fig.3 Processing flow diagram of the interrupt mode by the improved RT software

2.3 循环缓冲方式接收单消息数据

根据RT 子地址配置成单消息时查找表指针会自主复位而循环缓冲模式自动向后移动并回卷的特性，为了避免消息数据处理不及时被覆盖，改进后的RT 软件将接收子地址由原单消息接收和消息结束中断模式，改成循环缓冲接收和消息结束中断模式。软件随着接收消息查找表指针的变化记录该子地址在循环缓冲中的“当前接收数据首地址”；当接收该消息产生中断时，中断服务子程序设置数据处理标志，主流程判断标志有效后，从“当前接收数据首地址”开始处理数据，根据相关特征判断当前消息是否有效，若有效，则读取相应的数据并处理，然后将缓存区中的消息特征设置为无效，并继续向后读取数据，直到读到当前消息为无效为止，并更新“当前接收数据首地址”为下一个地址。为了增强软件可靠性，每次数据处理前先判断“当前接收数据首地址”是否合法，若非法则重新配置子地址查找表指向循环缓冲首地址。以接收32 个字的消息（第一个字用作有效标志）配置成128 字循环缓冲为例，软件接收消息数据时缓冲区状态变如图4 所示。

图4 接收消息循环缓冲区状态变化Fig.4 State change diagram of the receiving messages in the circular buffer

2.4 矢量字握手

受限于下位机软件的处理能力或参数状态更新下行周期的约束，BC 软件并不能随意的采集RT软件的数据。为了消除该限制，BC 向RT 软件采集参数时，采用方式代码“发送矢量字”握手，矢量字每个位可以分别表示不同类型的数据举手状态。RT 准备好数据后按协议设置相应的矢量字位，BC软件每个周期通过“发送矢量字”方式代码获取下位机的举手状态，当判断下位机举手后从相应的子地址采集数据，RT 判断BC 将数据读完后，清除矢量字位，并开始下个周期参数采集更新。BC 与RT通过矢量字方式握手时序如图5 所示。

3 测试结果及分析

对改进前后的软件在某型号综合电子计算机和下位机平台开展对比测试。首先综合电子计算机BC 软件采用无消息间隔的消息序列方式与改进前的RT 软件周期通信，周期采集10 000 条遥测消息（采集周期500 ms，RT 软件最大主流程周期约600 ms），通过地面测试软件随机注入1 000 条遥控指令（一次注入1 条或多条），长度均32 个字。测试结束后，通过遥测参数查看RT 软件接收指令计数为815，即出现了丢指令异常；遥测参数出现112 次帧计数不连续异常、23 次累加和校验错误，表明遥测参数出现了遥测帧重复和半新半旧异常。改成采用无消息间隔的消息序列、矢量字握手方式和改进后的RT 软件通信，重复上述测试过程，未发现丢指令异常，也未发现遥测帧计数和校验异常。测试结果表明，文中提出的设计方式达到预期效果。改进前后的软件测试结果对比见表1。

4 结束语

文中通过对常用的1553B 总线通信软件消息处理方式进行分析，引发出对提升软件通信效率和设计通用性的思考，提出相应的改进措施，分析并解决了由此引入的风险，最终形成了一种高效、通用且可靠的设计方式。文中的分析及设计思路对复杂系统1553B 总线通信软件的设计和异常问题排查均有一定的参考借鉴意义，对其他类似串行总线通信同样具有启发意义。