1553B總線監(jiān)控器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

蔣國(guó)峰，白 紅

（空軍第一航空學(xué)院 航空電子工程系，河南 信陽(yáng) 464000）

聯(lián)合式航空電子系統(tǒng)是在三代機(jī)中廣泛應(yīng)用的一種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其實(shí)質(zhì)是一種通過1553B總線連接的分布式計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)[1]利用航空電子總線連接飛機(jī)內(nèi)部各子系統(tǒng)可以使系統(tǒng)具有較大的靈活性，是現(xiàn)代飛機(jī)發(fā)展的必然趨勢(shì)。航空電子總線給系統(tǒng)帶來靈活性的同時(shí)，卻給飛機(jī)的維護(hù)維修帶來了新的問題，聯(lián)合式航空電子系統(tǒng)中各設(shè)備之間的信息傳輸大部分都是通過總線進(jìn)行傳輸?shù)?，在飛機(jī)研制、調(diào)試和維護(hù)過程中，當(dāng)飛機(jī)內(nèi)部某子系統(tǒng)或設(shè)備報(bào)故時(shí)，很難判斷是該子系統(tǒng)或設(shè)備本身出現(xiàn)了故障，還是該子系統(tǒng)與總線之間并沒有實(shí)現(xiàn)正確的信息交換，增加了系統(tǒng)的排故難度，阻礙了飛機(jī)維護(hù)維修和保障能力的快速形成，因而設(shè)計(jì)一種能夠迅速識(shí)別總線信息、監(jiān)測(cè)總線信號(hào)波形的1553B總線信息監(jiān)控器，具有十分重要的意義。

1 硬件電路設(shè)計(jì)

1553B總線作為聯(lián)合式航空電子系統(tǒng)的四大支柱之一，具有集中控制、分布處理和實(shí)時(shí)響應(yīng)的特點(diǎn)[2]，其終端類型包括總線控制器（BC）、遠(yuǎn)程終端（RT）和總線監(jiān)視器（BM），要監(jiān)控1553B總線信息，只需利用具有BM功能的1553B總線終端接入被監(jiān)控的1553B總線網(wǎng)絡(luò)中即可[3]。為保證總線信息傳輸?shù)目煽啃耘c實(shí)時(shí)性，1553B總線對(duì)信號(hào)傳輸電纜和連接器均具有嚴(yán)格的要求[4]，目的就是為了保證總線信號(hào)傳輸過程中電氣特性不發(fā)生畸變，1553B總線作為一種航空總線，工作環(huán)境惡劣，傳輸電纜不可避免的與其它航空機(jī)件進(jìn)行摩擦，如出現(xiàn)較為嚴(yán)重的磨損，就會(huì)造成總線信號(hào)電氣特性的畸變，嚴(yán)重影響了設(shè)備間信息傳輸?shù)目煽啃?，使設(shè)備的工作出現(xiàn)故障。設(shè)計(jì)的1553B總線信息監(jiān)控器出了能夠監(jiān)控總線信息之外，還需能夠監(jiān)測(cè)總線信號(hào)的電氣特性。

為保證監(jiān)控器的便攜性和功能可擴(kuò)展性，監(jiān)控器的顯示控制和數(shù)據(jù)處理部分采用便攜式工控機(jī)，通過擴(kuò)展具有BM功能的1553B總線接口卡和虛擬示波器卡，構(gòu)成一個(gè)通用的1553B總線信息監(jiān)控和信號(hào)監(jiān)測(cè)功能的硬件平臺(tái)，其結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

圖1 硬件系統(tǒng)組成框圖Fig.1 Block diagram of hardware

1.1 便攜工控機(jī)

便攜式工控機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的顯示、控制和數(shù)據(jù)處理中心，為保證設(shè)備復(fù)雜的工作環(huán)境和可靠性，并考慮了系統(tǒng)的功能可擴(kuò)展性，便攜式工控機(jī)采用FLP-200現(xiàn)場(chǎng)型便攜機(jī)，具有體積小、重量輕、高亮度等特點(diǎn)，保證了系統(tǒng)的便攜型和強(qiáng)光下的可讀性。該便攜工控機(jī)具有3個(gè)PCI插槽，保證了1553B總線接口卡和虛擬示波器卡的安裝和系統(tǒng)的功能擴(kuò)展。內(nèi)含兩塊智能型快速充電鋰電池，使得設(shè)備可以半小時(shí)將電充滿并保證設(shè)備連續(xù)工作不小于4小時(shí)，也可采用220V/AC供電，較好的滿足了設(shè)備的使用需求。

1.2 1553B總線接口卡

1553B總線接口卡是系統(tǒng)的核心設(shè)備，用于和被監(jiān)控1553B總線網(wǎng)絡(luò)之間的通信，實(shí)時(shí)監(jiān)控1553B總線上的信息，1553B總線接口卡選用恩菲特公司研制的EP-H6273多功能卡，它是一種基于PCI總線的智能化、通用化和標(biāo)準(zhǔn)化特征的1553B多路傳輸總線通信接口模塊，可以在同一時(shí)刻運(yùn)行BC、BM和RT的任意組合。在對(duì)1553B總線監(jiān)控時(shí)，通常使用BM模式。

BM（Bus Monitor）模式提供了監(jiān)視和記錄所有消息的功能，也可以過濾掉某些消息，過濾基于命令字處理模式（在RT to RT是基于第一個(gè)命令字的），Microcode可以禁止/允許各類消息存儲(chǔ)到BM Buffer中，過濾選項(xiàng)可以設(shè)置記錄指定消息的第幾條。BM提供了消息的時(shí)間標(biāo)記和命令、數(shù)據(jù)、狀態(tài)的錯(cuò)誤信息，記錄所有出現(xiàn)在總線上的消息，存儲(chǔ)所有收到的命令、數(shù)據(jù)和狀態(tài)到BM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)。BM Buffer是一個(gè)首尾相連的存儲(chǔ)空間，可以存儲(chǔ)10 240個(gè)消息，當(dāng)存儲(chǔ)到Buffer尾時(shí)自動(dòng)從頭開始，并覆蓋原來的消息。

1.3 虛擬示波器卡

虛擬示波器卡和應(yīng)用軟件配合，構(gòu)建成了一個(gè)存儲(chǔ)示波器。為保證總線信號(hào)采集的速率和存儲(chǔ)深度，選用了LDI420VSE雙通道示波器卡。它是一種基于PCI總線的采樣速率為50 Ms/s、AD分辨率為12 bit、每通道可存儲(chǔ)1 024 Ksa采樣點(diǎn)的虛擬示波器卡，具有數(shù)據(jù)采集、信號(hào)測(cè)量、過程監(jiān)測(cè)、多種觸發(fā)等功能，并支持二次開發(fā)，廣泛應(yīng)用于高速的數(shù)據(jù)采集、自動(dòng)測(cè)試及自動(dòng)控制系統(tǒng)中。

2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

硬件是系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)和保障，軟件是系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵與核心，基于硬件平臺(tái)，軟件系統(tǒng)應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)總線數(shù)據(jù)的監(jiān)控、記錄、回放和故障狀態(tài)分析功能。軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括操作系統(tǒng)的選擇、開發(fā)平臺(tái)的選擇、軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、軟件流程設(shè)計(jì)、人機(jī)接口設(shè)計(jì)等。本系統(tǒng)選擇Windows XP操作系統(tǒng)，利用LabWindows/CVI和Microsoft Access作為開發(fā)平臺(tái)。LabWindows/CVI是一個(gè)完全的ANSI C開發(fā)環(huán)境，用于儀器控制、自動(dòng)檢測(cè)、數(shù)據(jù)處理的應(yīng)用軟件。Access數(shù)據(jù)庫(kù)是Microsoft公司推出的微機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，具有界面友好、開發(fā)簡(jiǎn)單、接口靈活等特點(diǎn)，是典型的新一代桌面數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)。

2.1 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為保證程序的可移植性和開放性，軟件系統(tǒng)采用了層次化結(jié)構(gòu)，軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，由人機(jī)接口層、數(shù)據(jù)庫(kù)管理和信息采集層三層結(jié)構(gòu)組成，人機(jī)接口層包括系統(tǒng)設(shè)置、數(shù)據(jù)監(jiān)控、數(shù)據(jù)仿真等功能，主要是用于系統(tǒng)功能選擇、信息顯示選擇等人機(jī)功能交互；數(shù)據(jù)庫(kù)管理層是軟件系統(tǒng)的核心，針對(duì)不同的系統(tǒng)型號(hào)要求設(shè)計(jì)一整套總線系統(tǒng)數(shù)據(jù)的定義（包括系統(tǒng)的控制邏輯、物理量（參數(shù)）的意義，比例關(guān)系、物理量（參數(shù)）的單位，有無(wú)符號(hào)位、編碼形式、故障代碼等各種信息），并利用ICD設(shè)計(jì)工具輸入到ICD庫(kù)中[5]，而仿真/測(cè)試系統(tǒng)的其它部分不需要改變，保證了系統(tǒng)的開放性和功能可擴(kuò)展性；信息采集層主要用于對(duì)總線上的原始數(shù)據(jù)和波形進(jìn)行采集，與被采集的總線數(shù)據(jù)按照規(guī)定的1553B總線協(xié)議進(jìn)行通信，主要由1553B總線接口卡和虛擬示波器卡等硬件電路完成。

圖2 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of software

軟件程序的設(shè)計(jì)按照系統(tǒng)的功能主要有ICD庫(kù)接口模塊、命令/塊號(hào)映射模塊、總線數(shù)據(jù)采集模塊、總線波形采集模塊等多個(gè)功能模塊。ICD庫(kù)接口模塊主要用于對(duì)ICD庫(kù)信號(hào)進(jìn)行調(diào)用解析，完成與塊處理模塊之間的信息比對(duì)；命令/塊號(hào)映射模塊根據(jù)優(yōu)化的IO表中的規(guī)則，完成命令號(hào)與塊號(hào)之間的映射關(guān)系；總線數(shù)據(jù)采集模塊則是由1553B總線接口卡按照1553B總線協(xié)議，采集被監(jiān)控的1553B總線信息，經(jīng)過總線數(shù)據(jù)解碼后，由消息映射模塊結(jié)合命令/塊號(hào)之間的映射關(guān)系完成總線數(shù)據(jù)與消息之間的對(duì)應(yīng)。塊處理模塊根據(jù)消息映射模塊和ICD接口模塊的輸入信號(hào)完成信號(hào)功能的解讀，并通過參數(shù)文件、圖形顯示或總線數(shù)據(jù)記錄/顯示模塊對(duì)解讀后的信息按照選擇進(jìn)行多種形式的處理?？偩€波形采集模塊主要是由虛擬示波器卡采集被監(jiān)控的1553B總線數(shù)據(jù)，并在相關(guān)軟件的配合下，對(duì)1553B總線數(shù)據(jù)的波形進(jìn)行記錄或顯示。

2.2 軟件功能模塊組成

為適應(yīng)件系統(tǒng)的層次化結(jié)構(gòu)，并保證程序的適應(yīng)性，軟件程序的設(shè)計(jì)按照系統(tǒng)的功能分解為ICD庫(kù)借口模塊、命令/塊號(hào)映射模塊、總線數(shù)據(jù)采集模塊、總線波形采集模塊等多個(gè)功能模塊，其組成框圖如圖3所示。

ICD庫(kù)接口模塊主要用于對(duì)ICD庫(kù)信號(hào)進(jìn)行調(diào)用解析，完成與塊處理模塊之間的信息比對(duì)；命令/塊號(hào)映射模塊根據(jù)優(yōu)化的IO表中的規(guī)則，完成命令號(hào)與塊號(hào)之間的映射關(guān)系；總線數(shù)據(jù)采集模塊則是由1553B總線接口卡按照1553B總線協(xié)議，采集被監(jiān)控的1553B總線信息，經(jīng)過總線數(shù)據(jù)解碼后，由消息映射模塊結(jié)合命令/塊號(hào)之間的映射關(guān)系完成總線數(shù)據(jù)與消息之間的對(duì)應(yīng)。塊處理模塊根據(jù)消息映射模塊和ICD接口模塊的輸入信號(hào)完成信號(hào)功能的解讀，并通過參數(shù)文件、圖形顯示或總線數(shù)據(jù)記錄/顯示模塊對(duì)解讀后的信息按照選擇進(jìn)行多種形式的處理?？偩€波形采集模塊主要是由虛擬示波器卡采集被監(jiān)控的1553B總線數(shù)據(jù)，并在相關(guān)軟件的配合下，對(duì)1553B總線數(shù)據(jù)的波形進(jìn)行記錄或顯示。

圖3 軟件系統(tǒng)功能模塊組成框圖Fig.3 Function block diagram of software

2.3 人機(jī)界面設(shè)計(jì)

為保證良好的操作性，人機(jī)界面采用了主界面和子界面相結(jié)合的方式，主界面面板如圖4所示[6]。軟件系統(tǒng)主界面監(jiān)控信息涵蓋了1553B總線協(xié)議規(guī)定的所有內(nèi)容，包括消息號(hào)、消息類型、時(shí)間、RT地址等內(nèi)容，在程序運(yùn)行過程中，操作者可選擇進(jìn)行監(jiān)視的控制、波形顯示選擇、記錄保存與刪除、監(jiān)視設(shè)置及消息的分析等操作，如圖4所示。

圖4 軟件系統(tǒng)主界面Fig.4 Main interface of software

被監(jiān)控總線設(shè)備的人機(jī)界面，包括標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)數(shù)據(jù)和監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)兩個(gè)子窗口，通過比較監(jiān)控識(shí)別的總線信息與標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)數(shù)據(jù)信息，即可分析識(shí)別總線信息，自動(dòng)的將該設(shè)備的功能和工作狀態(tài)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。圖5所示的是對(duì)電臺(tái)的總線監(jiān)控界面，包括標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)數(shù)據(jù)和監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)兩個(gè)子窗口，通過比較監(jiān)控識(shí)別的總線信息與標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)數(shù)據(jù)信息，即可分析識(shí)別總線信息，自動(dòng)的將電臺(tái)的調(diào)制方式、抗干擾狀態(tài)、抗干擾方式、靜噪模式、明密方式、工作模式等信息進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。

圖5 電臺(tái)信息監(jiān)控界面Fig.5 Monitor interface of transceiver

2.4 軟件流程設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)的功能需求和系統(tǒng)工作流程設(shè)計(jì)的軟件系統(tǒng)流程如圖6所示，選擇進(jìn)行1553B總線信息監(jiān)控或波形監(jiān)控，對(duì)相關(guān)硬件資源進(jìn)行初始化，循環(huán)等待被監(jiān)控總線信號(hào)的輸入，將監(jiān)控的信息與ICD數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，并與設(shè)備的功能相關(guān)聯(lián)，將結(jié)果以選擇的形式進(jìn)行輸出顯示。

圖6 軟件系統(tǒng)流程圖Fig.6 Flow chart of software

3 結(jié)束語(yǔ)

該設(shè)備為解決某型飛機(jī)航電系統(tǒng)維護(hù)過程中的排故難題，具有1553B總線信息的實(shí)時(shí)監(jiān)控、存儲(chǔ)、分析及總線信號(hào)波形顯示功能，解決了飛機(jī)航電設(shè)備和總線故障快速識(shí)別與隔離的難題；實(shí)現(xiàn)了監(jiān)控信息與相關(guān)設(shè)備的功能關(guān)聯(lián)，有效解決了總線信息的判讀難題，大大提高了總線信息的識(shí)別效率。該監(jiān)控器性能穩(wěn)定可靠，操作簡(jiǎn)便，可應(yīng)用于飛機(jī)航電系統(tǒng)研制、調(diào)試和維護(hù)過程中，通過擴(kuò)展和升級(jí)ICD數(shù)據(jù)庫(kù)，可廣泛應(yīng)用于其它型號(hào)飛機(jī)的維護(hù)保障。

[1]熊華剛，王中華.先進(jìn)航空電子綜合技術(shù)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2009：15－18.

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[5]王勇，史軍勇.機(jī)載計(jì)算機(jī)總線技術(shù)[M].西安：空軍工程大學(xué)工程學(xué)院，2005：38－40.

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