艦船綜合導(dǎo)航模擬器1553B總線控制器軟件開發(fā)

王程崢 李文魁 宋衛(wèi)紅 黎海雪

(1. 海軍工程大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，武漢 430033；2. 92823部隊(duì)三中隊(duì)，三亞 572021；3. 92853部隊(duì)，遼寧 興城 125106）

0 引言

艦船綜合導(dǎo)航系統(tǒng)作為導(dǎo)航系統(tǒng)的核心，對來自各種導(dǎo)航傳感器的導(dǎo)航信息進(jìn)行處理，并向操舵系統(tǒng)、指控系統(tǒng)等外部用戶發(fā)送。為滿足岸基條件下某型艦船操舵系統(tǒng)維修調(diào)試的需要，開發(fā)了艦船綜合導(dǎo)航模擬器，用于模擬艦船操縱運(yùn)動(dòng)時(shí)綜合導(dǎo)航系統(tǒng)輸出的艦艇航向、航速、縱橫傾等導(dǎo)航信息，并通過1553B總線向操舵系統(tǒng)發(fā)送。1553B采用一種串行、異步和半雙工式總線結(jié)構(gòu)[1]，具有高可靠性、高實(shí)時(shí)性、高效率、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。

本文就 Windows環(huán)境下如何使用 C++Builder編譯平臺(tái)實(shí)現(xiàn) 1553B總線控制器通信的方法進(jìn)行了研究，同時(shí)在綜合導(dǎo)航系統(tǒng)模擬器設(shè)計(jì)中進(jìn)行了成功應(yīng)用。

1 1553B總線控制器軟件設(shè)計(jì)方法

1553B總線由傳輸介質(zhì)、總線控制器（BC）、遠(yuǎn)程終端（RT）和總線監(jiān)視（BM）器等四部分組成。BC的作用是組織信息傳輸，完成數(shù)據(jù)字的收/發(fā)、字/消息的處理[2]。針對總線上遠(yuǎn)程終端的數(shù)量和通信復(fù)雜程度，BC發(fā)送消息的設(shè)計(jì)方法主要有兩種[3]：

（1）簡單方式?；舅枷霝镽T回復(fù)消息的控制權(quán)完全在 BC。實(shí)現(xiàn)方法為：對周期消息采用固定周期來定時(shí)傳輸，對事件消息采用命令插入的方式。當(dāng)BC要求RT 返回?cái)?shù)據(jù)時(shí)，BC可向RT的子地址下達(dá)命令字，并通過采用查詢方式來獲取數(shù)據(jù)。該方法編程簡單，適用于總線結(jié)構(gòu)單一、通信數(shù)據(jù)量較少的情況，對多個(gè) RT總線，通信實(shí)時(shí)性相對下降。

（2）矢量字方式?；舅枷胧菍⒒貜?fù)消息的主動(dòng)權(quán)交還給RT。實(shí)現(xiàn)方法為：RT接收BC命令完成相應(yīng)動(dòng)作，將數(shù)據(jù)字寫到相應(yīng)子地址緩存中，然后按照協(xié)議構(gòu)造矢量字，把矢量字發(fā)送到RT 的0/31 號(hào)子地址BUF中。BC在發(fā)送完一次性消息后，可向0/31子地址發(fā)命令字從而讀出其中存放的矢量字，根據(jù)協(xié)議解析矢量字得到相應(yīng)的子地址，并向該子地址發(fā)送命令從而得到 RT數(shù)據(jù)。該方法適合多RT的復(fù)雜通信，編程靈活，通訊數(shù)據(jù)量小。

2 綜合導(dǎo)航信號(hào)模擬器BC設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)組成

如圖1所示，綜合導(dǎo)航模擬器接收操舵系統(tǒng)輸出的當(dāng)前舵角，按照艦艇運(yùn)動(dòng)模型，實(shí)時(shí)計(jì)算出艦船運(yùn)動(dòng)參數(shù)。并采用2個(gè)1553B通道無應(yīng)答地定周期連續(xù)向操舵系統(tǒng)發(fā)送艦船的航向、航速、縱傾、橫傾等導(dǎo)航參數(shù)。

2.2 硬件及板卡驅(qū)動(dòng)函數(shù)

硬件平臺(tái)采用研華工控機(jī)。1553B通信卡采用北京神州飛航開發(fā)的基于 PCI接口的AEC1553-PCI- SBC31RT-S2型1553B通信卡。該1553B卡采用 FPGA設(shè)計(jì)，可分時(shí)工作在 BC、RT、BM模式下，雙冗余通道數(shù)據(jù)發(fā)送和接收，支持大容量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

圖1 艦艇綜合導(dǎo)航模擬器的原理框圖

該1553B板卡提供了豐富的驅(qū)動(dòng)函數(shù)，其中與BC通信相關(guān)的函數(shù)約有20多個(gè)，常用BC函數(shù)[4]見表 1。

表1 常用BC通信函數(shù)列表

隨卡附帶的驅(qū)動(dòng)函數(shù)庫文件為基于 Visual C++的coff格式的M1553CSC.lib。若采用其它軟件進(jìn)行開發(fā)，則需要對庫函數(shù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換。如采用C++Builder，需用coff2omf命令轉(zhuǎn)換為omf格式的庫文件。相應(yīng)命令為：coff2omf M1553CSC.lib M1553CSCB.lib。

2.3 軟件設(shè)計(jì)

在 Windows XP操作系統(tǒng)下，我們采用C++Builder開發(fā)軟件進(jìn)行綜合導(dǎo)航信號(hào)模擬器總線控制器軟件設(shè)計(jì)。C++ Builder是由Borland公司推出的一款快速開發(fā)Win32應(yīng)用程序的可視化開發(fā)工具，利用它可以實(shí)現(xiàn)高性能的執(zhí)行效率和出色的底層控制。

對綜合導(dǎo)航模擬器，總線結(jié)構(gòu)較為簡單，因此采用簡單方式進(jìn)行 BC設(shè)計(jì)。程序流程如圖 2所示。主要程序代碼說明如下：

圖2 BC通信軟件流程圖

(1)板卡初始化

M1553_Open(&hCard, CardId);

打開板卡。hCard為板卡句柄，CardId為板卡編號(hào)，按板卡所在插槽離CPU的距離由近到遠(yuǎn)依次編號(hào)0、1…、7。這里取為0、1。

M1553_WorkMode(hCard, ModeSel);

設(shè)置工作模式。工作模式 ModeSel可取為0(BC)、1(RT)、2(BM)，這里取 0。

M1553_AddTimeTag(hCard,true);

開啟時(shí)間標(biāo)簽。用于觀察消息周期和間隔。分辨率 1 μs。

M1553_SetIntMaskReg(hCard,&IntMask);

設(shè)置中斷屏蔽寄存器。由于實(shí)時(shí)性要求較高，采用單消息觸發(fā)一次中斷，將中斷屏蔽寄存器結(jié)構(gòu)體 IntMask中的 BC_MsgOver(BC消息結(jié)束中斷使能位)和BC_STOP (BC消息出錯(cuò)停止中斷使能位)使能。

(2)數(shù)據(jù)加載

SMsg.MsgBlock.Datablk[0]=StrToFloat(Form 1-＞Edit1-＞Text);

將待發(fā)送數(shù)據(jù)字存放在BC消息描述結(jié)構(gòu)體成員Datablk[32]中。

BC_WriteDataBlock(hCard,MsgId,WordCnt,SMsg.MsgBlock.Datablk);

修改運(yùn)行中的BC發(fā)送的數(shù)據(jù)字，MsgId為消息 ID號(hào)，WordCnt為寫入數(shù)據(jù)字個(gè)數(shù)(取值0～32)。

由于實(shí)時(shí)性要求較高，而C++Builder自帶計(jì)時(shí)器的定時(shí)精度最高只能達(dá)到55ms[5]，故采用Microsoft Win32 API 提供的一項(xiàng)多媒體定時(shí)器服務(wù)來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)定時(shí)加載[6]，定時(shí)精度最高能達(dá)到1 ms[7]。程序需包含定時(shí)器函數(shù)頭文件"mmsystem.h"，實(shí)現(xiàn)方法如下：

①設(shè)定定時(shí)器分辨率

建立最小定時(shí)器分辨率。uPeriod為最小分辨率，由設(shè)定的最小分辨率與計(jì)算機(jī)的硬件配置決定。

使定時(shí)器定時(shí)精度回到系統(tǒng)的默認(rèn)值。

② 設(shè)置定時(shí)事件

uDelay 為事件周期，這里與BC發(fā)送消息的周期一致；uResolution 為延時(shí)分辨率；LpTimeProc 指向一個(gè)自定義的回調(diào)函數(shù)，該函數(shù)用來設(shè)置定時(shí)事件，調(diào)用時(shí)應(yīng)指定對應(yīng)的事件標(biāo)識(shí)符，并提供用戶數(shù)據(jù)，在中斷時(shí)間內(nèi)被訪問；DwUser 存放用戶提供的回調(diào)數(shù)據(jù)；FuEvent 為事件類型，TIME_ONESHOT為一次性事件，TIME_PERIODIC為周期性事件。

調(diào)用任務(wù)完成后取消定時(shí)器回調(diào)事件，及時(shí)出讓珍貴的CPU 資源。

(3)消息配置與發(fā)送

SMsg.CtlWord.ChanSel=1;//消息發(fā)送時(shí)的通道選擇 0：Channel B 1：Channel A

BC_WriteMsg(hCard, MsgId, &SMsg); //消息發(fā)送

BC_AddEndOfListFlag(hCard, MsgId+1); //添加消息鏈表結(jié)束符

(4)消息讀取

數(shù)據(jù)的讀取顯示采用C++Builder自帶的計(jì)時(shí)器Timer定時(shí)觸發(fā)。

2.4 系統(tǒng)調(diào)試

硬件方面，傳輸距離小于30 cm時(shí)，采用短截線實(shí)現(xiàn)總線和終端設(shè)備的直接耦合；否則，采用變壓器耦合[8,9]，連接時(shí)需要注意耦合器的位置。在總線兩端匹配電阻，消除信號(hào)反射。調(diào)試過程中若發(fā)現(xiàn)問題應(yīng)首先判定是否為硬件問題，發(fā)送已知數(shù)據(jù)，將板卡輸出腳接示波器上觀察電平，若正確則基本排除硬件問題。需要注意的是1553B總線上的消息是調(diào)制成雙極性碼的曼徹斯特碼[10]。

圖3 艦艇綜合導(dǎo)航模擬器BC運(yùn)行界面圖

軟件方面，采用隨卡附帶的應(yīng)用程序作為RT接收數(shù)據(jù)。調(diào)試時(shí)應(yīng)遵循先易后難原則。先嘗試簡單通信模式，如 BC發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)字測試 RT能否正確接收，RT返回的狀態(tài)字是否正常等，成功后再嘗試較復(fù)雜的通信模式。軟件運(yùn)行界面如圖3所示。

3 總結(jié)

本文討論了1553B總線控制器軟件設(shè)計(jì)的方法，根據(jù)艦船綜合導(dǎo)航模擬器的實(shí)際需求，詳細(xì)介紹了 Windows環(huán)境下基于 C++Builder如何實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送的具體方法及系統(tǒng)調(diào)試中的注意事項(xiàng)。試驗(yàn)表明該系統(tǒng)運(yùn)行可靠，達(dá)到了預(yù)定要求。

[1]楊武志, 李敏勇. 基于艦船 1553B總線系統(tǒng)監(jiān)控測試軟件的設(shè)計(jì)[J].艦船電子工程, 2009, 29(1)：190-192.

[2]李志剛. 1553B總線測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D]. 西安西北工業(yè)大學(xué), 2005.

[3]丁明亮, 魏志剛. 1553B總線遠(yuǎn)程終端仿真軟件設(shè)計(jì)[J]. 計(jì)量與測試技術(shù), 2008, 35(1)： 43-47.

[4]AEC1553-PCI-SBC31RT/S2 用戶手冊[Z]. 北京： 北京神州飛航科技有限責(zé)任公司, 2011.

[5]Mark Nelson. 串行通信開發(fā)指南[M]. 北京： 中國水利水電出版社, 2001： 43.

[6]Microsoft 公司. MICROSOFT WIN32 程序員參考大全(一)[M]. 北京： 電子科技出版社, 1994： 90-95.

[7]李文魁, 陳永冰, 周永余等. 多任務(wù)實(shí)時(shí)系統(tǒng)提高實(shí)時(shí)性的方法及其在導(dǎo)航綜合信號(hào)源系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 中國慣性技術(shù)學(xué)報(bào), 2003, 11(4)： 11-15

[8]GJB 289A-1997, 數(shù)字式時(shí)分制指令/響應(yīng)型多路傳輸數(shù)據(jù)總線[s]. 中國軍用標(biāo)準(zhǔn), 1997.

[9]MIL-STD-1553,飛機(jī)內(nèi)部時(shí)分制指令/響應(yīng)式多路傳輸數(shù)據(jù)總線[s]. 美國軍用標(biāo)準(zhǔn), 1978.

[10]武鵬, 畢君懿. 1553B總線中曼徹斯特編碼器的設(shè)計(jì)[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù), 2011, 34(4)： 61-64.