1553B总线系统的可靠性研究

引言

　　1553B总线又称MIL_STD_1553B总线，即飞机内部时分制指令/响应式多路传输数据总线,现广泛用于航空电子综合化系统中。1553B总线具有双向输出特性，实时性和可靠性高，采用双冗余系统，有双传输通道，保证了良好的容错性和故障隔离,是目前应用比较广泛的总线标准。

　　1553B总线系统在飞机的发展历程中有着举足轻重的地位，1553B总线是飞机内部的时分、指令/应答多路传输总线。在航空电子系统中,通过一种双绞的信号屏蔽线可连接多达32个远程终端RT(Remote Terminate)模块和一个总线监控器BM(Bus Monitor)连接在一起，分配每个RT惟一的总线地址，RT不具备总线控制功能，但可作为BC的备份。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，是系统平台进行电子信息化的基础。为了提高可靠性，一般都采用双冗余度总线结构。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。

1 1553B 总线的特点

　　1553B总线系统有四部分组成:传轴介质即总线和短截线(stub)、总线控制器(BC)、远程终端(RT)和总线监视器(BM).由于1553B总线的合理的拓扑结构是航空系统或者地面车辆系统中分布式设备的理想连接方式。1553B总线是一种集中式的时分串行总线，1553B总线是一个集中控制、分布式处理的系统,系统的控制权归总线控制器所有。可靠性机制包括防错/容错功能、错误检测和定位、错误隔离、错误校正、系统监控与恢复功能。双通道传输，采用双冗余设计，保证了较好的容错性和故障隔离，其特点如下。

　　1）实时性好，1553B总线的数据传输率为1Mbps，比一般的通信网络传输速率高。这种总线标准为了强调信息包能在少的预定时间窗口下传输而能确保持续和完整性，所以限制了数据包的长度。

　　2）兼顾实时性的条件下，为确保数据传输的完整性，1553B采用了合理的差错控制措施即反馈重传纠错法。除个别事务类型外，总线终端可为当前进行的总线事务的成功或失败提供状态指示。当BC 向某一 RT发出一个命令或一个消息时，终端应在给定的响应时间内发回一个状态字，如果传输的消息有错，终端就拒绝发回状态字，并报告上次消息传输无效。而方式命令不仅使系统能完成数据通讯控制任务， 还能诊断故障情况并完成容错管理功能，进一步增强了其通信的可靠性。

　　3）总线效率高，拓扑结构对总线效率的要求比较高，因此1553B 对命令响应时间、消息间隔时间以及每次消息传输的最大和最小数据块的长度都有严格限制。

　　4）具有指令/响应与"广播"通讯方式异步操作，BC能够以" 广播"方式向所有RT发送一个时间同步消息，这样总线控制器发出的指令来控制总线上的所有消息传输，相关终端对指令给予响应并执行操作。

　　5）1553B总线是广播式分布处理的通信网络，可挂31个终端，所有的终端共享一条消息通路，任一时刻网络中只有一个终端在发消息，传送中的消息可以被所有终端接收，接收的终端通过地址来识别。结构简单，终端扩展方便，任一终端（除BC外）的故障都不会造成整个网络的故障，BC则可备份来提高可靠性。但网络对总线本身的故障较敏感，为此采用双冗余结构设计。

2 1553B总线通信可靠性分析

　　1553B总线能挂31个远置终端，1553B总线采用指令/响应型通信协议，它有总线控制器（BC）、远程终（RT）和总线监视器（BM）三种终端类型；信息格式有BC到RT、RT到BC、RT到RT、广播方式和系统控制方式。

　　1553B总线中传输的三种类型字：命令字、状态字和数据字。结构是一致的，头三位是同步头（不同的是命令字、状态字为正到负的跳沿；而数据字为负到正的跳沿），中间的16位是数据域，最后一位是奇偶校验位。其中16位数据位和奇校验位须按照曼彻斯特码的形式进行传输。

　　2.1 1553B字格式

　　1553B总线系统信号采用曼彻斯特Ⅱ型双相电平码调制方式， 以串行数字脉冲码形式在数据总线上传输。每条消息最长由32个字组成，所有的字分为三类:命令字、数据字和状态字如图2所示。每类字的长度为20位，有效信息位是16位，每个字的前3位为单字的同步字头，而最后1位是奇偶校验位，有效信息(16位)及奇偶校验位在总线上以曼彻斯特码的形式进行传输，传输一位的时间为1S(即码速率为1MHz)。同步字头占三个位时.电平的跳变发生在第二个位时的中间，是一个无效的数据码.先正后负为命令字和状态字，先负后正为数据字，虽然指令字和状态字都是先正后负，但由于它们分别由BC和RT判断，因此是可以区别的。命令字位于每条消息的起始部分，规定了该次传输的具体要求。状态字只能由RT发出，内容代表 RT对BC发出的有效命令的反馈。BC根据状态字的内容来决定下一步的操作。数据字既可由BC传输到某RT，也可以从某RT传输至BC，或者从某RT传输到另一RT。[page]

　　2.2 信息传输格式

　　标准定义了十种类型的信息传输格式，所有格式部使用上述三种字类型。十种信息传输格式。十种格式分两组:一组是非广播信息传输格式;另一组是广播信息格式。非广播信息传输格式是以命令／响应的物理结构为基础的。

　　1553B总线上消息传输:总线控制器向某一终端发送一个接收/发送命令。终端在给定的响应时间内发回一个状态字并执行消息接收/发送。这个“握手”的规则验证了远程终端对消息的接收。BC通过检验RT回答的状态字来确定传输是否成功并做后续操作。

　　2.3帧的结构

　　消息是1553B总线通讯的基本单位，要完成一定的功能.就要将多个消息组织起来，形成一个新的结构--帧(Frame)。完成一个消息的时间称为消息时间、两个消息之间的间隔称为消息间隔时间，完成一个帧的时间称为帧时间。在实际应用中这三种时间都是可以通过编程设置的。

　　2.4 1553B总线的容错结构

　　1553B总线具有同型的A通道和B通道，可工作于单通道，也可工作于双通道模式。当工作于热备份的双通道时，构成了1553B总线的容错结构。

　　D1、D2为总线切换控制器，用于A总线和B总线的切换控制，总线上连接n个终端。其工作过程为：

　　(1)A通道和B通道同时正常工作，在初始化时指定一个为主，另一个则为备份通道，组成总线通信系统的热备份结构。

　　(2)当A通道或B通道发生故障时，如发生故障的通道为备份通道，则报警；如发生故障通道为主通道，则备份通道切换为主通道，同时报警，但总线系统通信正常。

　　(3)当A通道和B通道同时发生故障时，总线不能工作。1553B总线的冗余结构模式保证了系统的通信可靠，同时也便于维修。

　　2.5 硬件特性

　　1553B总线的传输介质屏蔽双绞线，通过变压器耦合或者直接耦合方式把终端耦合到总线上去，1553B总线为多冗余度总线型拓扑结构，具有双向传输特性，其半双工方式传输速度为1Mbps，利用曼彻斯特码进行编码传输。这种编码方式是因为适用于变压器耦合，直接耦合不利于终端故障隔离，会因一个终端故障而造成整个总线网络的完全崩溃。

3 结束语

　　1553B总线是一种实时性好、高可靠性的通信方式， 1553B总线的容错结构大大提高了系统的可靠性，非常适合在恶劣的环境下进行数据传输。1553B采用双冗余设计，双传输通道，1553B总线通过在两个通道间自动切换来获得冗余容错能力和故障隔离，提高可靠性，通道的自动切换对软件透明；采用的曼彻斯特编码格式保证了错误的检测定位和错误的隔离；字格式、消息传输格式保证了错误的校正和检测定位，总线采用状态字也是保证系统正常运行、提高系统可靠性的冗余信息.；对终端的操作保证了系统监控以及系统恢复；由于采用了电气屏蔽和总线耦合方式，每个节点都能够安全地与网络隔离，有效的抑制外界电磁干扰，降低外部环境对其通信的影响，1553B总线系统的特性保证了其通信系统具有较高的可靠性。