机载总线网络

是什么？（基本概念）

有什么用？（基本功能）

发展情况？（发展历程）

总线：公共数据通道。

1553B总线：美国空军为第三代战机定义的标准总线，军用飞机实现航空电子综合化的第一套总线。在第三代战机中作为主总线控制全局，实现航空电子系统的==物理连接==和==信息综合==。在第四代战机中，武器外挂等子系统内仍然沿用 1553B 总线。

军用飞机中应用最多的总线。

机载设备的互联

20世纪60年代以前：机载电子设备根据不同的公用，各自独立研制，自成系统，纵向发展。

“点对点”的连接方式：没有标准的数据通道，各个设备的连接往往需要大量的电缆。当需要再增加设备或者功能时，需要额外的辐射电缆。随着设备的不断增多，信息总量暴涨，交联关系日趋复杂。

互联方式所用的电缆：占用空间大，不利于日常维护

在20世纪60年代以前，美国空军莱特实验室（AFRL）实施了数字航空电子信息系统计划，首次将多路传输数据总线引入到军用飞机航空系统中；
在1973年，美国自动化工程师协会（SAE）在军方和工业界支持下，制定并公布了MIL-STD-1553，该标准最早应用在美国空军的 F-15 战斗机和 B-1 轰炸机航电系统的设计中；
- 在1553应用中，出现了不同的多路传输数据总线：
  - 相同点：结构、数据速率、编码技术、工艺
  - 不同点：信号格式、连接接口、功能操作
在1975年4月，SAE根据美国海军/空军的应用要求，制定了改进的MIL-STD-1553A。该标准应用在美国空军的 F-16A 战斗机和阿帕契攻击直升机 AH-64A 航电系统的设计中；
在1978年9月，SAE发布了该协议的B版本，MIL-STD-1553B；
在2018年，美国国防部推出了最新的MIL-STD-1553C。

【1553】飞机内部时分制指令/响应多路传输数据总线 $\Rightarrow$ 【1553B】时分制指令/响应多路传输数据总线：应用从航空拓展到了其他武器装备平台。

1553B总线

1553B总线历史

1978 年以后，对 1553B 陆续进行了局部修改和补充，共发布了四个通告：

1980.02.12（针对美空军）
1986.09.08
1993.01.31（标题改变）
1996.01.15（封面改变）

其实质内容相对于 1553B 标准变化不大。

1553B 总线 采用的是总线式互连架构，多个机载设备或者子系统通过一套共享介质实现信息交互和数据共享。

为了实现不同厂家不同功能的子系统在同一套总线上互连，确保可靠有序通信。这套标准作出了若干规定：

属性	方面
传输介质	电气特性、连接方式
信息格式	字格式、消息格式
总线接口板	电气特性、功能特性
通信机制	数据传输控制、错误异常管理

为了更好推广和应用 1553B 总线，美国国防部分别于1984年和1988年发布了 MIL-HDBK-1553A 多路传输数据总线应用手册，对 1553B总线的内容做出了明确阐述，包括对 1553B 的：

终端设计
介质设计
系统设计
典型应用示例

在 80 年代初，为保证不同类型的 1553B 产品能够在同一网络上实现综合并能够可靠稳定地工作，美国 SAE 协会航空电子系分会（AS）对 1553B 总线的测试问题进行深入研究，指定了包括：

测试目的
连接结构
测试内容
通过准则

等测试细节，先后编写发布了 AS4111~AS4117 等七个规范，覆盖了 1553B 总线的各个组成部分。规定了各类终端，总线电缆，耦合器，终止器等的测试方法，给 1553B 产品质量保证提供了明确、可操作的测试方法。

规范	测试细节	解释
AS-4111	Remote Terminal Validation Test Plan	远程终端验证测试计划
AS-4112	Remote Terminal Production Test Plan	远程终端生产测试计划
AS-4113	Bus Controller Validation Test Plan	总线控制器验证测试计划
AS-4114	Bus Controler Production Test Plan	总线控制器生产测试计划
AS-4115	Data Bus System Test Plan	数据总线系统测试计划
AS-4116	Bus Monitor Test Plan	总线监视器测试计划
AS-4117	Bus Components Test Plan	总线组件测试计划

特点

1553B 总线具有简单灵活、可靠性高、实时性好的特点。一直作为航电主网络在三代战机中使用。

随着航电系统的发展，1 Mbps 的传输速率面对高速通信发展的需求显得不足，为了满足系统对高带宽的需求，最大程度地利用 1553B 总线技术，对原有的产品进行原位替代升级，同时扩大应用范围，业内开展了高速 1553B 总线研究。

SAE制定了增强型 1553B 总线协议——SAE5652，提供10 Mbps的传输速率，通信协议，数据编码，物理介质与 1553B 总线协议基本相同，但摒弃了传统 1553B 总线协议的总线型拓扑结构，采用星型总线拓扑结构。

==1553B 总线是联合式航电系统的支柱，70年代的军用飞机几乎都采用其来连接机载电子设备。==

==随着 1553B 总线的优越性不断体现，1553B 总线将继续在陆、海、空、天等各类武器平台上广泛使用。==

1553B总线网络拓扑结构

==1553B 总线基本结构==

总线式互连架构：所有终端通过共享介质的方式连接到一条总电缆上。

为了提高系统的可靠性，相同结构的总线再增加一条构成双余度，其中一条出现故障立即切换。

终端：子系统与数据总线相连接的电子组件，通常以总线接口板的形式嵌入在分系统中。总线接口板类似 PC 机中的网卡，一端通过底板连接 CPU，另一端通过总线接口接入到网络。

按照终端的功能，分为：

总线控制器 BC
远程终端 RT
总线监视器 BM

总线控制器BC

总线控制器 BC：1553B 总线网络的唯一管理者，同一时刻只能有一个 BC 工作，负责

组织数据传输：组织各个终端之间的数据传输，接收其他终端的状态响应。
管理系统状态：监视系统的运行状态，发出系统管理命令，对网络中的错误和故障进行管理。

在三代战机的航电系统中，通常以总线接口板的形式，嵌入在显控处理机或任务机中。

BC是整个系统的核心，一旦出现故障，整个系统就会瘫痪。

在实际的 1553B 总线网络中，通常会设计1个备份控制器，当 BC 出现故障时，BBC 能够自动接替 BC 工作。

远程终端RT

远程终端 RT：在 BC 的控制下传输数据，并将执行命令以后的情况以状态字反馈 BC，供 BC 监控数据的传输情况以及 RT 的工作状态。

通常以总线接口板的形式，嵌入在各类任务设备中（雷达，惯导，大气机）。

1553B 总线网络通常根据系统的任务来安排 RT 的数量，根据协议规定，单套总线上：

R T \leqslant 31

总线监视器BM

总线监视器BM：监视 1553B 总线网络上的所有数据信息传输，选择性地从 1553B 总线网络上提取信息，便于事后进行数据分析。

对应的子系统通常是记录设备或者是遥测发送器。

典型拓扑

典型拓扑
总线型
环型
树型
星型

反映了结构关系。

一般地，

由于可靠性和可拓展性，会呈现不同的形式

终端数量少，传输数据量小 $\Rightarrow$ 单总线结构

终端数量 $>$ 31，传输数据量 $>$ 1Mbps $\Rightarrow$ 多总线形式

单总线结构

举例：

多总线结构

==并列结构==

举例：

1553B并列双余度多路总线拓扑结构

A总线和B总线是两条并列总线
火控计算机同时挂接在两条总线上，内部含两个 BC，分别为A总线的 BC 和B总线的 BC
外挂管理处理器作为备份的总线控制器

并列结构可以将更多的 RT 终端集成。

特点：各个总线之间相互独立，每条总线都有各自的 BC，相互之间没有从属关系。

==层次结构==

某些终端在两条或两条以上的总线上，分别充当 BC 或 RT 。总线包括全局总线和本地局部总线。

各个子系统的处理机既作为远程终端接入到全局总线，也作为总线控制器控制子系统内部各个节点的互连和通信。

举例：

武器投放子系统：武器投放处理机是全局总线的 RT，是武器投放本地总线的 BC。

层次结构可以构建终端数量较多的大型系统。

1553B总线系统基本组件

传输介质

双绞线：两根相互绝缘的导线按一定规则螺旋绞合在一起。在传输差分信号时，不仅可以降低自身对外界的干扰，也能抑制共模干扰。从而减弱或者消除外部干扰源的电磁干扰。

双绞屏蔽电缆：在双绞线对于护套之间增加金属网，以加强屏蔽效果的电缆。

根据应用位置的不同，1553B 总线分为了：

主总线：信息传输的公共通路
短截线：用于连接子系统到主总线

主要参数：双脚屏蔽电缆的

线间分布电容 $\leqslant$ 100 pF/m
绞距 $\geqslant$ 13 绞/米
屏蔽覆盖率 $\geqslant$ 75%（ $\rightarrow$ 90%）
特征阻抗 70~85 $\Omega$
功率损耗 $<$ 0.05 db/m

耦合变压器

作用

信号耦合：实现主总线和短截线之间的信号传输
故障隔离：隔离主总线和短截线之间的信号
抑制干扰：内含变压器，阻抗匹配和抑制共模干扰

耦合方式：

直接耦合方式：短截线直接连接在主总线电缆和终端之间。

连接简单、成本低，不利于终端故障的隔离（一个终端故障可能导致整个总线系统瘫痪），避免在飞机上使用。

短截线长度 $\leq$ 0.3m

变压器耦合方式：短截线 + 耦合变压器连接在主总线电缆和终端之间。

短截线长度 $\leq$ 6m

为了避免某个终端的故障影响整个系统，需要在主总线每个跨越点上串入55 $\Omega$ 的隔离电阻。

为了进行短路保护，直流隔离和抗阻匹配，必须接入隔离变压器。

目前耦合器都是采用整体式结构，将变压器、隔离电阻等集成到一块印制板上。按照结构可以分为：

线式耦合器
盒式耦合器

核心相同，区别在于是否在线和外形。

耦合器端口分为：

总线端口（BUS）
短截线端口（STUB）

根据短截线端口数量分为：

单端口耦合器
多端口耦合器

线式耦合器在主总线端口和短截线端口分别焊接一定长度的电缆，用尺寸适合的壳体扣合印制板，电缆屏蔽层焊接到壳体两端，壳体内灌胶充实。外部通过塑封或者热缩管缩封等形式保护壳体。

盒式耦合器在总线端口和短截线端口端接标准的连接器作为接口。

线式耦合器：结构比较紧凑、外观小巧、性能优良、高可靠、适用于机载小型化、不易拆卸、不便于验证测试

盒式耦合器：适用于实验室环境和地面仿真系统、体积较大、重量较重

上述两种耦合器都通过主总线接口串联到主总线电缆上，通过短截线接口串联到设备上。

终端电阻

终端电阻是用来实现阻抗匹配和防止信号反射。

在主总线电缆的两个端头之间应当端接一个阻值等于电缆标称特性阻抗的电阻器，通常端接电阻78 $\Omega$ 。（主总线电缆特性抗阻在75~85 $\Omega$ 之间，）
在没有使用的短截线末端应当端接一个接一个阻值3000 $\Omega$ 的电阻器。

可以分为：

在线式
插头式
插座式

总线连接器件

总线连接器件：用于总线连接组件之间和总线连接组件与终端设备之间的快速连接与分离。

总线插头/插座

总线插头/插座：主总线电缆与终端设备、耦合器之间的连接。

三同轴电连接器，有三个导电层，分别与屏蔽双绞线的屏蔽网以及两个内芯导线连接

按照连接方式：

螺纹连接：设计简单、适应较广的应用范围、为防冲击和震动，需要打保险
卡口连接：不需使用保险装置，适应可达性较差的区域
线接器
8#接触体
…

线接器

线接器/拼接器：对接两根总线，同时保证总线电缆的屏蔽线。包括：

导线连接器
连接绝缘套
屏蔽终端器
金属丝套

8#接触体

8#接触体：带 1553B 接点的电连接器一个或者多个接点能够接入到 1553B 总线网络中，实现 1553B 总线数据和其他类型电气信号的可靠传输，通常用于外挂系统，实现弹体和外挂架的电气连接。

总线接口板

总线接口板/多路数据传输总线接口板（MBI）：连接各个子系统到 1553B 总线网络的桥梁。

MBI 板从 1553B 总线上接收数据，将数据存放在接收缓冲区中，子系统处理器通过调用接口处理函数，获取新数据；
子系统处理器将需要发送数据存放在发送缓冲区中，MBI 板收到发送命令，将数据发送到 1553B 总线上。

组成：

通常采用一体化的设计方法，通过更改软件配置，可工作在 BC，RT 或者 BM 的模式下。

协议处理器是核心，通过硬件逻辑来实现 1553B 总线协议的解析。

MBI 板的实现：

专用协议芯片
可编程逻辑器件FPGA
基于片上系统芯片

1553B总线字格式

传递方式：信息用什么方式传递给对方？

找到对方：如何找到对方？

特殊要求：有哪些特殊要求（如何确保信息有效传输以及如何保证信息及时传输）？

对应：

1553B 总线：信息如何表达、通信能否可靠、终端之间怎样配合

数字总线

高电平表示1，低电平表示0，传输多个1（或0）时，将无法直接从信号判断信息位的个数。

在 1553B 总线上采取的是曼彻斯特II型编码：每一位的前高后低表示1，前低后高表示0，每一位编码中均有跳变。提供了自同步信号，没有直流分量，适合电压器耦合。

字

字：1553B 最基本单元，字长度20位。

数据字：用于传输数据。
命令字：用于通信联系和系统控制。
状态字：对 BC 所发命令进行应答。

命令字

命令字除去同步位和奇偶校验位有效信息分为4个域：

远程终端地址（RT Address）：5bits，表示参与本次通讯的终端地址。每个终端被指定为一个专用地址，从十进制0~30均可采用。

31为所有远程终端的公用地址，系统采用广播操作时使用。

收发位（T/R）：1bit，表示参与本次通讯的远程终端是接收数据还是发送数据。
- 逻辑1：远程终端做发送操作
- 逻辑0：远程终端做接收操作
子地址（Sub Address）：5bits，用来指定远程终端的子地址，或者用作总线系统进行方式控制的标记。
- 每个远程终端的接收功能被划分为32个子地址，
  - 十进制1（00001）~30（11110）：指定子系统地址，表示一般的接收和发送消息
  - 十进制0（00000）和31（11111）：用于方式代码控制，表示此时”字计数/方式码“段的内容为方式代码。
字计数/方式码（Word Cnt/Mode Code）：5bits，
- 对一般的接收和发送消息，表示数据字个数，对任何一条信息内最多可以发送或接收32个数据字
  - 全1（11111）表示十进制31
  - 全0（00000）表示十进制32
  - 其余按照二进制与十进制对应格式
- 对于方式命令，表示方式码

当子地址为0（00000）和31（11111），字计数/方式码为5位方式代码。

方式命令：

序号	收发	方式代码	功能	是否带数据字	是否允许广播
1	T(1)	0（00000）	动态总线控制	否	否
2	T(1)	1（00001）	同步	否	是
3	T(1)	2（00010）	发送上一个状态字	否	否
4	T(1)	3（00011）	启动自测试	否	是
5	T(1)	4（00100）	发送器关闭	否	是
6	T(1)	5（00101）	取消发送器关闭	否	是
7	T(1)	6（00110）	禁止终端标志位	否	是
8	T(1)	7（00111）	取消终端标志位	否	是
9	T(1)	8（01000）	复位远程终端	否	是
10	T(1)	9（01001）	备用	否	待定
11	T(1)	15（01111）	备用	否	待定
12	T(1)	16（10000）	发送矢量字	是	否
13	R(0)	17（10001）	同步	是	是
14	T(1)	18（10010）	发送上一个命令字	是	否
15	T(1)	19（10011）	发送自检测字	是	否
16	R(0)	20（10100）	选定的发送器关闭	是	是
17	R(0)	21（10101）	取消选定的发送器关闭	是	是
18	T(1) or R(0)	22（10110）	备用	是	待定
19	T(1) or R(0)	31（11111）	备用	是	待定

9（01001）~15（01111）

22（10110）~31（11111）

均表示备用

数据字

数据字：$\text{BC}$ 向 $\text{RT}$ 发出的传输数据。

对于非方式码传输，数据字的个数即为 $\text{BC}$ 发出的命令字中的字计数
对于方式命令，是否需要数据字由方式命令的协议确定

状态字

状态字：$\text{RT}$ 向 $\text{BC}$ 发出的响应数据，所有非广播消息至少包含一个状态字，广播消息由于有多个远程终端参与通讯，所有接收数据的远程终端均不发出状态字。

	命令字	数据字	状态字
总线 $\text{BC}$	$\checkmark$	$\checkmark$
远程终端 $\text{RT}$		$\checkmark$	$\checkmark$

1553B总线消息格式

graph TB
A[显示控制子系统BC] --> B(大气数据子系统RT1)
A --> C(任务计算机子系统RT2)
A --> D(惯导子系统RT3)
A --> E(外挂管理子系统RT4)
A --> F(雷达子系统RT5)

数据传输消息

$\text{RT} \Rightarrow \text{RT}$

举例：在单总线网络中，雷达子系统 $\text{RT}_{5}$ 向任务机计算机 $\text{RT}_{2}$ 传送 $8$ 个数据字。

$\text{BC} \Rightarrow \text{命令字} \Rightarrow \text{RT}_{5}$ $BC \Rightarrow 命令字 \Rightarrow RT_{5}$ ： $\text{BC}$ $BC$ 向 $\text{RT}_{5}$ $RT_{5}$ 发送（发送）命令字
- 远程终端地址： $00101$
- 收发位： $1$
- 子地址：不为 $0（00000）$ 和 $31（11111）$ 即可
- 字计数： $01000$
$\text{BC} \Rightarrow \text{命令字} \Rightarrow \text{RT}_{2}$ $BC \Rightarrow 命令字 \Rightarrow RT_{2}$ ： $\text{BC}$ $BC$ 向 $\text{RT}_{2}$ $RT_{2}$ 发送（接收）命令字
- 远程终端地址： $00010$
- 收发位： $0$
- 子地址：不为 $0（00000）$ 和 $31（11111）$ 即可
- 字计数： $01000$
$\text{RT}_{5} \Rightarrow \text{状态字} \Rightarrow \text{BC}$ $RT_{5} \Rightarrow 状态字 \Rightarrow BC$ ： $\text{RT}_{5}$ $RT_{5}$ 向 $\text{BC}$ $BC$ 发送状态字
- 终端地址： $00101$
- 消息错误位： $0$
$\text{RT}_{5} \Rightarrow \text{数据字} \Rightarrow \text{RT}_{2}$ ： $\text{RT}_{5}$ 向 $\text{RT}_{2}$ 发送数据字
$\text{RT}_{2} \Rightarrow \text{状态字} \Rightarrow \text{BC}$ $RT_{2} \Rightarrow 状态字 \Rightarrow BC$ ： $\text{RT}_{2}$ $RT_{2}$ 向 $\text{BC}$ $BC$ 发送状态字
- 终端地址： $00010$
- 消息错误位： $0$

$\text{BC} \Rightarrow \text{RT}$

举例：在单总线网络中，显控处理机 $\text{BC}$ 向任务机计算机 $\text{RT}_{2}$ 传送 $5$ 个数据字。

$\text{BC} \Rightarrow \text{命令字} \Rightarrow \text{RT}_{2}$ $BC \Rightarrow 命令字 \Rightarrow RT_{2}$ ： $\text{BC}$ $BC$ 向 $\text{RT}_{2}$ $RT_{2}$ 发送（接收）命令字
- 远程终端地址： $00010$
- 收发位： $0$
- 子地址：不为 $0（00000）$ 和 $31（11111）$ 即可
- 字计数： $00101$
$\text{BC} \Rightarrow \text{数据字} \Rightarrow \text{RT}_{2}$ ： $\text{BC}$ 向 $\text{RT}_{2}$ 发送数据字
$\text{RT}_{2} \Rightarrow \text{状态字} \Rightarrow \text{BC}$ $RT_{2} \Rightarrow 状态字 \Rightarrow BC$ ： $\text{RT}_{2}$ $RT_{2}$ 向 $\text{BC}$ $BC$ 发送状态字
- 终端地址： $00010$
- 消息错误位： $0$

$\text{RT} \Rightarrow \text{BC}$

举例：在单总线网络中，雷达子系统 $\text{RT}_{5}$ 向显控处理机 $\text{BC}$ 传送 $5$ 个数据字。

$\text{BC} \Rightarrow \text{命令字} \Rightarrow \text{RT}_5$ $BC \Rightarrow 命令字 \Rightarrow RT_{5}$ ： $\text{BC}$ $BC$ 向 $\text{RT}_{5}$ $RT_{5}$ 发送（发送）命令字
- 远程终端地址： $00101$
- 收发位： $1$
- 子地址：不为 $0（00000）$ 和 $31（11111）$ 即可
- 字计数： $00101$
$\text{RT}_{5} \Rightarrow \text{状态字} \Rightarrow \text{BC}$ $RT_{5} \Rightarrow 状态字 \Rightarrow BC$ ： $\text{RT}_{5}$ $RT_{5}$ 向 $\text{BC}$ $BC$ 发送状态字
- 终端地址： $00101$
- 消息错误位： $0$
$\text{RT}_5 \Rightarrow \text{数据字} \Rightarrow \text{BC}_{5}$ ： $\text{RT}_{5}$ 向 $\text{BC}$ 发送数据字

方式控制消息

不带数据字：方式 + 状态
带数据字（发送）：方式 + 状态 + 数据…数据
带数据字（接收）：方式 + 数据…数据 + 状态

广播消息

$\text{BC} \Rightarrow \text{RT}$ ：接收 + 数据…数据
$\text{RT} \Rightarrow \text{RT}$ ：接收 + 发送 + 数据…数据
无数方式：方式
带数方式：方式 + 数据…数据

graph LR
A[1553B总线消息格式] --> B(非广播消息)
A --> C(广播消息)
B --> D(数据传输消息)
B --> E(方式命令消息)

1553B 总线通信机制

时分制

指令响应

任务：

周期性任务
非周期性任务

对应了两种通信机制：同步传输和异步传输。

同步传输

大周期：更新最慢的周期，在一个大周期内，所有周期性的传输至少发生一次。

小周期：更新最快的周期，包括：

小周期同步
周期消息
非周期消息
错误纠正/故障处理

大周期 = $2^k$ 小周期

同步传输：周期性消息的消息传输。

大多数子系统之间的数据交换是按固定的时间表进行。

需要考虑：消息的更新速率；传输延迟时间；总线负载的均衡。

异步传输

非周期性消息：不在固定周期（或相位）上发送，而由系统中随机出现的事件激活或由其他事情引起

异步传输：非周期性消息的消息传输。