綜合航空電子系統(tǒng)通信技術(shù)研究

陳陽(yáng) 劉育紅

摘要：綜合航空電子系統(tǒng)正向綜合化、信息化、技術(shù)化、模塊化及智能化的趨勢(shì)發(fā)展，現(xiàn)代飛機(jī)上電子設(shè)備或子系統(tǒng)都裝備了獨(dú)立的計(jì)算機(jī)，采用1553B數(shù)據(jù)總線將整個(gè)航空電子系統(tǒng)交聯(lián)在一起，用以滿足各傳感器、功能單元和子系統(tǒng)之間信息共享、功能綜合處理和任務(wù)實(shí)時(shí)性的要求，構(gòu)建了綜合性的航空電子系統(tǒng)。對(duì)綜合航空電子系統(tǒng)通訊技術(shù)的研究有利于技術(shù)人員更好的理解系統(tǒng)消息的控制和傳輸方式，便于外場(chǎng)機(jī)務(wù)人員對(duì)飛機(jī)的地面維護(hù)，內(nèi)場(chǎng)人員對(duì)機(jī)載設(shè)備的修理。

關(guān)鍵詞： ?綜合航空電子系統(tǒng);通訊;消息;1553B

1 概述

綜合航電系統(tǒng)是現(xiàn)代軍用飛機(jī)的重要組成部分，主要承擔(dān)顯示控制、管理與任務(wù)計(jì)算、導(dǎo)航、通信、態(tài)勢(shì)感知、自衛(wèi)防御、外掛物管理、數(shù)據(jù)管理等功能。綜合航電系統(tǒng)經(jīng)歷了分離模擬式、分離數(shù)字式、聯(lián)合數(shù)字式和綜合模塊化4個(gè)階段的發(fā)展，其中聯(lián)合數(shù)字式（國(guó)內(nèi)稱綜合航電系統(tǒng)）和綜合模塊化兩種結(jié)構(gòu)在現(xiàn)役軍機(jī)上應(yīng)用較多。綜合航電系統(tǒng)通過(guò)機(jī)載1553B數(shù)據(jù)總線來(lái)實(shí)現(xiàn)各終端子系統(tǒng)之間的共用信息協(xié)調(diào)使用及實(shí)現(xiàn)子系統(tǒng)的相互協(xié)作。

2 綜合航電系統(tǒng)組成

綜合航電系統(tǒng)主要由通信導(dǎo)航識(shí)別子系統(tǒng)、大氣數(shù)據(jù)子系統(tǒng)、慣性導(dǎo)航子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)加載記錄、任務(wù)計(jì)算、顯示控制、雷達(dá)、光電瞄準(zhǔn)、電子戰(zhàn)、外掛物管理、非航電管理子系統(tǒng)等組成，以顯示控制子系統(tǒng)中的管理處理機(jī)為總線控制器（Bus Controller，BC），其他子系統(tǒng)為遠(yuǎn)程終端（Remote Terminal，RT），通過(guò)1553B總線將這些子系統(tǒng)互連在一起，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)信息共享。接口適配器掛接在總線上，實(shí)現(xiàn)綜合航電系統(tǒng)和自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)的信息交互，典型的綜合航電系統(tǒng)組成如圖1所示。

3 1553B總線組成及功能

MIL-STD-1553B“飛機(jī)內(nèi)部時(shí)分式指令/響應(yīng)多路傳輸數(shù)據(jù)總線”，總線系統(tǒng)的操作是指令/響應(yīng)型的異步操作，總線系統(tǒng)信息傳輸?shù)奈ㄒ豢刂茩?quán)歸總線控制器所有，數(shù)據(jù)總線上的信息傳輸以半雙工方式進(jìn)行，總線信息流由消息流組成?；窘Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

BC管理總線上的數(shù)據(jù)流。雖然有多個(gè)遠(yuǎn)程終端都可以起到總線控制器的作用，但是在任何一個(gè)時(shí)刻只允許一個(gè)總線控制器是激活的?？偩€控制器是唯一可以向數(shù)據(jù)總線發(fā)布指令的設(shè)備，這些指令可用于數(shù)據(jù)傳輸，也可用于總線管理。

RT終端將模擬數(shù)據(jù)和離散數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的總線數(shù)據(jù)格式，子系統(tǒng)是從總線上接收數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)的裝置或功能單元。遠(yuǎn)程終端與子系統(tǒng)的連接方式有兩種：一是相互分離，通過(guò)其他線路連接，這種方式的好處是便于多個(gè)子系統(tǒng)通過(guò)一個(gè)遠(yuǎn)程終端與總線接口;另一種是遠(yuǎn)程終端嵌入在子系統(tǒng)內(nèi)部，以接口卡的形式插入到機(jī)箱內(nèi)，目前大多數(shù)遠(yuǎn)程終端都是嵌入式。

4 總線通訊傳輸消息格式

1553B定義了數(shù)據(jù)傳輸、方式控制和廣播消息三類消息傳輸格式。

（1）數(shù)據(jù)傳輸消息格式

數(shù)據(jù)傳輸消息格式有3種，格式定義如圖3所示。

總線控制器到遠(yuǎn)程終端（BC→RT）的消息：總線控制器向遠(yuǎn)程終端輸出一個(gè)指令字，緊接著（在傳輸中沒(méi)有任何間隙）發(fā)送指令字中規(guī)定數(shù)量的數(shù)據(jù)字。遠(yuǎn)程終端在確認(rèn)了指令字和所有的數(shù)據(jù)字后，在所要求的響應(yīng)時(shí)間內(nèi)發(fā)出它的狀態(tài)字。遠(yuǎn)程終端必須及時(shí)地完成本次操作，以準(zhǔn)備接收總線控制器發(fā)出的下一條指令。

遠(yuǎn)程終端到總線控制器（RT→BC）的消息：總線控制器僅向遠(yuǎn)程終端發(fā)送一個(gè)發(fā)送指令字，遠(yuǎn)程終端確認(rèn)指令字后，先是發(fā)送它的狀態(tài)字，接著是指令字所請(qǐng)求數(shù)量的數(shù)據(jù)字。

遠(yuǎn)程終端到遠(yuǎn)程終端（RT→RT）的消息：總線控制器先向接收終端發(fā)送一個(gè)指令字，緊接著向發(fā)送終端發(fā)送一個(gè)指令字。接收終端等待數(shù)據(jù)的到來(lái)，但指令字后不是數(shù)據(jù)，是一個(gè)指令同步字段（第2個(gè)指令字）。接收終端忽略這個(gè)字，觀察帶數(shù)據(jù)同步字段的數(shù)據(jù)字。發(fā)送終端忽略第一個(gè)指令（該指令不含發(fā)送終端地址）。發(fā)送終端發(fā)送狀態(tài)字和要求的數(shù)據(jù)字。接收終端忽略第二個(gè)指令字后，再等待下一個(gè)字的指令同步字段。下一個(gè)字（第一個(gè)被傳輸?shù)臄?shù)據(jù)）此時(shí)有數(shù)據(jù)同步字段，接收終端開始收集數(shù)據(jù)，所有數(shù)據(jù)收集并確認(rèn)后，接收終端發(fā)送狀態(tài)字。

（2）方式控制消息

方式控制消息有3種，格式定義如圖4所示。

方式控制消息可不帶數(shù)據(jù)字，也可帶一個(gè)數(shù)據(jù)字（發(fā)送或接收）。狀態(tài)/數(shù)據(jù)的次序安排與RT→BC或BC→RT消息的情況相同，但是數(shù)據(jù)字的計(jì)數(shù)是1或0。

（3）廣播消息

廣播消息傳輸格式與非廣播消息格式相同，但是有兩個(gè)例外，一是總線控制器發(fā)送指令到遠(yuǎn)程終端地址31（11111），該地址專用于廣播消息傳輸。二是廣播消息同時(shí)向多個(gè)遠(yuǎn)程終端發(fā)送，接收消息的遠(yuǎn)程終端禁止發(fā)送狀態(tài)字，避免多個(gè)遠(yuǎn)程終端在同一時(shí)間發(fā)送狀態(tài)字“堵塞”總線。其中有一個(gè)例外，在進(jìn)行RT→RT的廣播操作時(shí)，發(fā)送數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程終端要先返回狀態(tài)字。

（4）消息間隔與響應(yīng)時(shí)間

消息間隔時(shí)間為前一消息最后一位的中間過(guò)零點(diǎn)到鄰接的消息中指令字同步頭的中間過(guò)零點(diǎn)的時(shí)間，如圖5所示?？偩€控制器不發(fā)出無(wú)字間間隔的連續(xù)消息，消息之間的時(shí)間間隔應(yīng)大于4.0us。

遠(yuǎn)程終端響應(yīng)有效指令的間隔時(shí)間為4.0us～12.0us，該時(shí)間為狀態(tài)字之前的最后一個(gè)字的最后一位的中間過(guò)零點(diǎn)到狀態(tài)字同步頭中間過(guò)零點(diǎn)的時(shí)間。

總線控制器在一路總線上啟動(dòng)傳輸后，14.0us內(nèi)未收到狀態(tài)，則認(rèn)為遠(yuǎn)程終端最小無(wú)響應(yīng)超時(shí)。

5 消息傳輸

航電系統(tǒng)總線消息由BC組織傳輸，BC能夠自動(dòng)啟動(dòng)從子系統(tǒng)來(lái)的多個(gè)消息描述塊，每個(gè)消息描述塊由指令字、數(shù)據(jù)地址、控制信息等組成，多個(gè)相關(guān)消息描述塊組織成消息列表。消息列表一般存放在子系統(tǒng)的可共享存儲(chǔ)器中，子系統(tǒng)把要發(fā)送的數(shù)據(jù)映射到存儲(chǔ)器內(nèi)部，并把消息列表的地址指針寫入BC，由BC自動(dòng)將消息列表中的多個(gè)消息發(fā)送到總線上。消息列表的組織最常用的有堆棧和鏈表兩種方法。

（1）消息堆棧

在消息堆棧結(jié)構(gòu)中，每個(gè)小周期的消息用獨(dú)立的堆棧進(jìn)行存儲(chǔ)，在堆棧中存儲(chǔ)消息指針，每個(gè)指針指向在公共存儲(chǔ)器中讀或?qū)懴⒚枋鰤K的地址。比如在圖6中，堆棧1內(nèi)部存儲(chǔ)了6個(gè)消息指針，每個(gè)消息指針可指向相同或不同的消息描述塊，比如消息指針1指向消息描述塊1，而消息指針2和消息指針6同時(shí)指向消息描述塊2。

當(dāng)小周期開始時(shí)，子系統(tǒng)處理器重新初始化堆棧指針指到適當(dāng)?shù)亩褩?，并把堆棧指針寫入BC，BC即可通過(guò)堆棧中的消息指針讀寫公共存儲(chǔ)器中的消息。

消息堆棧最容易實(shí)現(xiàn)，缺點(diǎn)是往一個(gè)堆棧中插入一個(gè)新的消息很困難，比如檢測(cè)到差錯(cuò)時(shí)向消息流中插入一個(gè)差錯(cuò)恢復(fù)程序，或根據(jù)操作員輸入插入非周期消息，這就要求子系統(tǒng)要建立一個(gè)含有要增加消息的新堆棧，并改變消息指針，當(dāng)增加消息完成時(shí)，子系統(tǒng)將重新初始化堆棧指針指向最初的堆棧。

（2）消息鏈表

在鏈接列表的結(jié)構(gòu)中，每個(gè)消息描述塊中增加指針，用來(lái)指向下一個(gè)被發(fā)送的消息描述符，多個(gè)消息描述塊通過(guò)指針鏈接形成鏈表，如圖7所示。

當(dāng)小周期開始時(shí)，子系統(tǒng)處理器重新初始化鏈表指針指到鏈表中的第1個(gè)消息描述塊，并把該地址寫入BC，BC即可通過(guò)該地址依次讀寫公共存儲(chǔ)器中的消息。消息鏈表方法的優(yōu)點(diǎn)是在指定小周期消息流中插入消息非常簡(jiǎn)單，其缺點(diǎn)是在同一周期內(nèi)多次使用同一消息時(shí)，要建立多個(gè)消息描述塊，子系統(tǒng)需要更多的存儲(chǔ)器空間和更多的系統(tǒng)開銷來(lái)保持這些消息的完整性。在傳送周期消息時(shí)，當(dāng)BC要發(fā)送一個(gè)非周期消息（操作員的命令或數(shù)據(jù)字中的數(shù)據(jù)引起），子系統(tǒng)處理器必須修改當(dāng)前消息流把這個(gè)消息包含在內(nèi)，通?？稍诋?dāng)前消息描述塊的尾部或下一個(gè)消息塊的頂部放入該非周期消息指令，或通過(guò)專門的BC指令插入該消息，作為下一個(gè)消息輸出。需要說(shuō)明的是，為了減小總線傳輸?shù)南⒘?，有效提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，總線消息傳輸時(shí)，在上述數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制中增加更新機(jī)制，只傳送更新的數(shù)據(jù)，具體做法是：對(duì)于BC→RT的消息，由BC檢查發(fā)送給每個(gè)RT的數(shù)據(jù)是否更新，若更新則啟動(dòng)消息的總線傳輸。對(duì)于RT→BC和RT→RT的消息，在每個(gè)RT中增設(shè)一個(gè)矢量字，在消息列表的編排時(shí)，要增加一些查詢RT有無(wú)更新數(shù)據(jù)塊的方式控制消息（帶數(shù)據(jù)字的方式指令（發(fā)送）），RT回復(fù)矢量字，BC檢查矢量字的相應(yīng)位，并按消息列表執(zhí)行消息傳輸。

5結(jié)束語(yǔ)

本文基于綜合航空電子系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)，對(duì)系統(tǒng)通信技術(shù)進(jìn)行了研究，本文對(duì)技術(shù)人員具有重要的參考價(jià)值和指導(dǎo)作用，有利于提高保障裝備的完好性、提高維修效率，對(duì)綜合航空電子系統(tǒng)通信技術(shù)發(fā)展和廣泛應(yīng)用起到了推動(dòng)作用。

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