彈載遙測(cè)系統(tǒng)1553B總線參數(shù)解析方法

梁亦聰，唐 強(qiáng)，張景鵬，馬 澤

(西安機(jī)電信息技術(shù)研究所，陜西 西安 710065)

0 引言

遙測(cè)系統(tǒng)服務(wù)于各型導(dǎo)彈武器系統(tǒng)，測(cè)試參數(shù)包含多種通信接口。近些年，應(yīng)用于無人機(jī)平臺(tái)的智能彈藥武器系統(tǒng)測(cè)試中越來越多地使用數(shù)字式時(shí)分制指令/響應(yīng)性多路傳輸數(shù)據(jù)總線。文獻(xiàn)[1]對(duì)1553B總線的遙測(cè)數(shù)據(jù)處理分析討論，側(cè)重架構(gòu)格式對(duì)總線消息的解析處理，提出1553B總線消息解析的關(guān)鍵三要素的說法，并實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)解析的功能。但是彈載裝置作為BM總線監(jiān)控設(shè)備，需要針對(duì)多種類型的信息格式進(jìn)行綜合解析，硬件設(shè)計(jì)中使用的1553B接口芯片的輸出數(shù)據(jù)格式與傳統(tǒng)彈載遙測(cè)數(shù)據(jù)組幀采集策略存在差異，使得遙測(cè)數(shù)據(jù)處理軟件不能直接解算。本文結(jié)合1553B總線數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，提出遙測(cè)彈載采集編幀方式和遙測(cè)數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)庫加載模式相結(jié)合的軟件處理策略，將1553B數(shù)據(jù)和遙測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)一編幀，由地面數(shù)據(jù)處理軟件完成消息拆包和提取，解決數(shù)據(jù)處理軟件功能擴(kuò)展遇到的問題。

1 1553B總線數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模型

1.1 1553B數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

1553B總線最初由美國(guó)空軍用于航空電子系統(tǒng)，該多路傳輸數(shù)據(jù)總線被廣泛用于飛機(jī)綜合航電系統(tǒng)、外掛物管理與集成系統(tǒng)，并逐步擴(kuò)展到坦克、艦船、航天等系統(tǒng)級(jí)領(lǐng)域。在我國(guó)，1553B總線遵循GJB 289A—97《數(shù)字式時(shí)分制指令/響應(yīng)性多路傳輸數(shù)據(jù)總線》。近年來，陸陸續(xù)續(xù)很多導(dǎo)彈武器系統(tǒng)中引入了1553B總線技術(shù)，該總線極大地減少了武器系統(tǒng)中設(shè)備及電纜數(shù)量，減輕飛行器重量，同時(shí)由于總線具備的高可靠雙冗余特性，也增加了武器系統(tǒng)信號(hào)傳輸可靠性。

MIL-STD-1553總線是飛機(jī)內(nèi)部時(shí)分制命令/響應(yīng)式多路復(fù)用總線[1]。1553B總線能掛31個(gè)遠(yuǎn)程終端，總線采用命令/響應(yīng)型通信協(xié)議。1553B有三種終端類型：總線控制器(BC)、遠(yuǎn)程終端(RT)和總線監(jiān)視器(BM)；信息格式包含BC到RT、RT到RT、廣播方式和系統(tǒng)控制方式；1553B總線多冗余度總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，具有雙向傳輸特性，速率通常有1 Mbps和4 Mbps，傳輸方式為半雙工方式，采用曼徹斯特碼進(jìn)行編碼傳輸[2]。

1553B數(shù)據(jù)總線由消息流組成，分成指令字、狀態(tài)字和數(shù)據(jù)字三種類型，字定義是一個(gè)信息序列長(zhǎng)度為20位，其中16位有效位，每個(gè)字的前三位為同步字頭，最后一位是奇偶校驗(yàn)位，如圖1所示。

圖1 1553B總線字格式Fig.1 1553Bus word format

彈載遙測(cè)系統(tǒng)主要服務(wù)于各型空地戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈和遠(yuǎn)程火箭武器系統(tǒng)，彈載1553B總線與外掛物管理集成系統(tǒng)和飛控裝置相關(guān)[2]。彈載1553B總線消息根據(jù)接口控制文件傳輸格式，具體消息格式包括以下幾種形式：

1) 總線控制器向遠(yuǎn)程終端傳輸：BC向RT發(fā)出一個(gè)接收指令字及規(guī)定數(shù)目的數(shù)據(jù)字到RT，RT在核實(shí)消息后應(yīng)發(fā)回一個(gè)狀態(tài)字給BC；

2) 遠(yuǎn)程終端向總線控制器傳輸：BC向RT發(fā)出一個(gè)發(fā)送指令字，該RT核實(shí)指令字后，應(yīng)發(fā)回一個(gè)狀態(tài)字給BC及規(guī)定數(shù)目的數(shù)據(jù)字；

3) 不帶數(shù)據(jù)字的方式指令；

4) 帶數(shù)據(jù)字的方式指令(發(fā)送)；

5) 帶數(shù)據(jù)字的方式指令(接收)；

6) 總線的消息間隔根據(jù)GJB 289A中的規(guī)定，消息之間的最小間隔為4 μs，遠(yuǎn)程終端響應(yīng)有效指令字的時(shí)間間隔為4～12 μs。

1.2 武器系統(tǒng)模型框架

通常機(jī)載武器系統(tǒng)的信息交聯(lián)關(guān)系如圖2所示，外掛管理系統(tǒng)作為導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的BC，在多彈掛裝時(shí)RIU同時(shí)作為外掛管理系統(tǒng)的RT和多枚導(dǎo)彈的BC數(shù)據(jù)控制及管理，導(dǎo)彈的一體化飛控裝置作為RIU的遠(yuǎn)程終端，遙測(cè)裝置負(fù)責(zé)導(dǎo)彈系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集及傳輸。

1.3 參數(shù)解析需求分析

1553B總線消息的解析方法研究主要是根據(jù)1553B總線中的總線數(shù)據(jù)架構(gòu)特點(diǎn)、特征信息頭等來完成數(shù)據(jù)處理軟件解析[3]。彈載武器系統(tǒng)1553B的消息格式如表1所示。文獻(xiàn)[3]提出的架構(gòu)一、架構(gòu)二僅僅是在總線空閑時(shí)填入了特征碼0xZZ信息，形成了1553B信息幀，可是多個(gè)RT地址間不同的消息格式不易區(qū)分，架構(gòu)三和架構(gòu)四是未做特殊處理的設(shè)計(jì)思路，直接透?jìng)骺偩€所有消息格式，適用于單一總線數(shù)據(jù)解析設(shè)計(jì)。

圖2 機(jī)載武器信息交聯(lián)示意圖Fig.2 Schematic diagram of airborne weapon information crosslinking

表1 彈載武器系統(tǒng)1553B的消息格式Tab.1 Message format of projectile borne weapon system 1553B

本文涉及的遙測(cè)彈載裝置測(cè)試數(shù)據(jù)中除了1553B總線還包括RS422、模擬量信息和圖像信息等信息，彈載1553B總線數(shù)據(jù)會(huì)在遙測(cè)幀中占據(jù)較大的數(shù)據(jù)帶寬，通常的信息量會(huì)在每秒4萬字節(jié)左右，彈載遙測(cè)裝置往往受到空間尺寸、總體需求以及經(jīng)濟(jì)性影響，未使用專門的接口協(xié)議芯片。

此外，彈載遙測(cè)裝置下傳輸數(shù)據(jù)的信息格式也要適用常規(guī)的地面遙測(cè)參數(shù)處理軟件[4]。遙測(cè)地面數(shù)據(jù)處理軟件一般會(huì)根據(jù)接口控制文件中規(guī)定的數(shù)據(jù)格式配置不同的ACCESS文件數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)處理時(shí)直接調(diào)用。彈載1553B總線消息傳輸格式多種多樣，時(shí)間間隔短，很難用傳統(tǒng)的固定數(shù)據(jù)子幀+固定數(shù)據(jù)庫加載模式進(jìn)行數(shù)據(jù)解析。

綜上，軟件需求設(shè)計(jì)1553B總線參數(shù)解析方法是從消息解析三要素消息包頭特征字、步長(zhǎng)和合理完整消息包結(jié)尾標(biāo)志碼入手，綜合彈載系統(tǒng)中遙測(cè)裝置設(shè)計(jì)多總線綜合的實(shí)際情況。

2 彈載遙測(cè)系統(tǒng)1553B總線參數(shù)解析方法

2.1 彈載遙測(cè)裝置總線接口硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)1553B總線數(shù)據(jù)采集方式，遙測(cè)裝置中1553B接收電路包括隔離變壓電路、模擬接收電路和信息解碼電路，其中解碼電路與遙測(cè)編碼器集成在一塊FPGA芯片中[5]。隔離變壓器采用PM公司DB2725芯片，模擬接收電路采用HOLT公司HI1573接收芯片，解碼器采用Altera公司EP3C25E144I7FPGA芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，內(nèi)部進(jìn)行數(shù)據(jù)解碼。具體電路圖如圖3所示。

圖3 1553B硬件設(shè)計(jì)示意圖Fig.3 1553B hardware design diagram

2.2 彈載遙測(cè)裝置1553B總線數(shù)據(jù)文件架構(gòu)設(shè)計(jì)

標(biāo)準(zhǔn)遙測(cè)幀結(jié)構(gòu)定義為“時(shí)間碼”+“主幀幀頭”+“數(shù)據(jù)幀”。時(shí)間碼由遙測(cè)地面站接收時(shí)存盤添加，子幀幀頭從相應(yīng)的子幀通道里提取合并數(shù)據(jù)，形成*.dat二進(jìn)制文件。遙測(cè)彈載1553B接收轉(zhuǎn)發(fā)策略為等待接收，實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)方式。

2.3 針對(duì)1553B信息初步解析軟件設(shè)計(jì)

彈載軟件策略設(shè)計(jì)基于FPGA平臺(tái)Verilog語言編寫了曼徹斯特解碼程序塊、RS422異步通信接收程序塊、圖像壓縮轉(zhuǎn)發(fā)程序塊、模擬量采集程序塊以及彈載采集編碼程序塊完成混合編幀。

1553B軟件主要為FPGA內(nèi)部對(duì)曼徹斯特碼的解碼器設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)流控制設(shè)計(jì)，其中解碼器部分包括接收器、同步檢出、數(shù)據(jù)檢出、錯(cuò)誤檢出、奇偶檢測(cè)和位/字計(jì)數(shù)等功能，解碼器設(shè)計(jì)框圖如圖4所示[6]。

圖4 1553B軟件設(shè)計(jì)示意圖Fig.4 1553B Software design Diagram

軟件策略處理流程主要包括：

1) 同步頭檢測(cè)，當(dāng)檢測(cè)到同步頭后觸發(fā)整個(gè)解碼過程開始，并給出同步頭類型；

2) 檢測(cè)到同步頭后，計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，在計(jì)數(shù)器的控制下進(jìn)行解碼。包括碼型轉(zhuǎn)換與移位操作、同步頭類型輸出、曼徹斯特碼型校驗(yàn)、奇偶校驗(yàn)、字連續(xù)性校驗(yàn)等；

3) 當(dāng)碼的串并轉(zhuǎn)換以及各種校驗(yàn)都完成后，給出并行數(shù)據(jù)和校驗(yàn)結(jié)果信號(hào)，在計(jì)數(shù)器的控制下最終給出數(shù)據(jù)有效信號(hào)data_ready。協(xié)議模塊可在該信號(hào)有效(高電平)時(shí)檢測(cè)其他校驗(yàn)信號(hào)，并決定是否取走并行數(shù)據(jù)。

2.4 動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)子幀軟件設(shè)計(jì)

不同的武器系統(tǒng)傳輸協(xié)議會(huì)有差異，彈載數(shù)據(jù)編碼引入了“動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)子幀”的設(shè)計(jì)思路，彈載編碼控制單元會(huì)將RS422總線信息、模擬量信息、1553B數(shù)據(jù)編幀時(shí)插入幀頭識(shí)別碼，用于多路信息分路。彈載遙測(cè)裝置首先對(duì)混編遙測(cè)主幀的1553B消息進(jìn)行參數(shù)解析，其次依據(jù)接口控制文件對(duì)解析出的消息原碼進(jìn)行二次處理，動(dòng)態(tài)組成數(shù)據(jù)子幀[6]。這樣處理避免了采集1553B總線對(duì)傳統(tǒng)遙測(cè)幀改動(dòng)較大的問題，在數(shù)據(jù)處理上有良好的繼承性。

遙測(cè)彈載1553B數(shù)據(jù)子幀中插入十六進(jìn)制“0x7E**”的幀頭信息作為標(biāo)識(shí)位，總線空閑時(shí)會(huì)插入“0x88”特征信息，其余數(shù)據(jù)特征則完全依據(jù)消息格式和接口控制文件的內(nèi)容進(jìn)行無差異傳輸。

1553B曼徹斯特解碼過程動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)子幀處理策略：

1) 檢測(cè)到同步頭后觸發(fā)整個(gè)解碼過程開始，記錄給出同步頭類型和指令類型。如果指令字信息是數(shù)據(jù)指令，將得出16位并行數(shù)據(jù)放入緩存RAM1；

2) 若指令類型為方式指令，則將16位并行數(shù)據(jù)放入緩存RAM2，不進(jìn)行校驗(yàn)結(jié)果檢測(cè)；

3) 混編入遙測(cè)主幀時(shí)，緩存響應(yīng)數(shù)據(jù)讀取信號(hào)，逐一送出8位并行數(shù)據(jù)，先高后低。讀出RAM1首字節(jié)前插入子幀幀頭“0x7EAA”，讀空時(shí)返回填充字“0x88”；讀出RAM2首字節(jié)前插入子幀幀頭“0x7EBB”，讀空時(shí)返回填充字“0x88”。

由于1553B總線數(shù)據(jù)量大，消息間隔為微秒量級(jí)，因此考慮數(shù)據(jù)處理通用性程序架構(gòu)，彈上編解碼程序僅簡(jiǎn)單判讀消息格式，所有數(shù)據(jù)的分包在地面數(shù)據(jù)處理完成，子幀中遙測(cè)數(shù)據(jù)的架構(gòu)形式一般分成以下幾種數(shù)據(jù)處理架構(gòu)：

1) 接收到單獨(dú)的BC至RT或RT至BC的數(shù)據(jù)包幀；

2) 接收到連續(xù)的BC至RT或RT至BC的數(shù)據(jù)包幀；

3) 接收單獨(dú)的方式指令幀；

4) 數(shù)據(jù)幀和指令幀混合型。

2.5 彈載1553B總線數(shù)據(jù)文件解析方法

基于數(shù)據(jù)架構(gòu)，遙測(cè)數(shù)據(jù)中收到1553B的數(shù)據(jù)子幀格式基本可以分成表2—表5這4種格式。

表2 單獨(dú)數(shù)據(jù)子幀格式Tab.2 Single data subframe format

表3 連續(xù)數(shù)據(jù)子幀格式Tab.3 Continuous data subframe format

表4 方式指令子幀格式Tab.4 Format of mode instruction subframe

表5 數(shù)據(jù)幀和指令幀混合型格式Tab.5 Mixed data frame and instruction frame format

2.6 數(shù)據(jù)處理解析過程

在表4、表5架構(gòu)模式下，就可以依據(jù)傳統(tǒng)遙測(cè)數(shù)據(jù)處理方式解析數(shù)據(jù)。1553B總線遙測(cè)數(shù)據(jù)解析的方式解析消息包括子幀幀頭、指令字頭和消息數(shù)據(jù)。具體解析步驟如下：

1) 用子幀幀頭區(qū)分消息幀的類型。編寫遙測(cè)數(shù)據(jù)庫及配置文件，用子幀幀頭作為判讀依據(jù)轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)消息幀文件和指令幀文件；

2) 當(dāng)判讀到子幀幀頭為“0x7EAA”，根據(jù)接口控制文件中包含的消息幀內(nèi)容識(shí)別字，從數(shù)據(jù)消息幀逐兩個(gè)字節(jié)順序搜索消息包頭特征字，進(jìn)一步區(qū)分消息類型，如“懸掛物描述”消息或“諸元信息”等。解析指令字確定遠(yuǎn)程終端地址內(nèi)容、收發(fā)方式、子地址或指令方式、數(shù)據(jù)字長(zhǎng)度等信息；

3) 根據(jù)數(shù)據(jù)字長(zhǎng)度信息截取規(guī)定字節(jié)長(zhǎng)度即接收了完成的數(shù)據(jù)幀內(nèi)容；

4) 狀態(tài)字為總線控制器和遠(yuǎn)程終端數(shù)據(jù)響應(yīng)反饋時(shí)，遙測(cè)數(shù)據(jù)預(yù)處理可不做進(jìn)一步解析，直接反饋總線狀態(tài)，原碼記錄并存盤形成文件；

5) 繼續(xù)判讀后兩位數(shù)據(jù)是否為“0x88”，若是則結(jié)束即完成一個(gè)消息包的解析；如果不是，即架構(gòu)格式為表2或表4所述，確定為新的一個(gè)消息。隨即逐兩位判讀是數(shù)據(jù)指令字信息還是方式指令信息，如果是方式數(shù)據(jù)指令包幀，重復(fù)步驟2)～4)的操作；若是方式指令，原碼記錄并形成存盤文件；

6) 當(dāng)判讀到子幀幀頭為“0x7EBB”，判定接收的消息為指令信息，依據(jù)GJB 289A內(nèi)容及表3的格式原碼記錄并存盤形成文件；

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

經(jīng)過上文論述的彈載遙測(cè)系統(tǒng)1553B總線參數(shù)解析方法，結(jié)合多次實(shí)驗(yàn)聯(lián)試聯(lián)調(diào)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求。1553B總線仿真器設(shè)置參數(shù)界面，可以模擬總線多節(jié)點(diǎn)RT數(shù)據(jù)輸出及矢量字設(shè)置，仿真器接入彈載遙測(cè)裝置通過遙測(cè)地面站進(jìn)行數(shù)據(jù)接收，經(jīng)遙測(cè)數(shù)據(jù)處理軟件解析。

經(jīng)過2.6節(jié)步驟解析后，形成解析之后的1553B總線文件，圖5是解析出來的消息數(shù)據(jù)，圖6為指令幀格式數(shù)據(jù)，最左側(cè)為遙測(cè)時(shí)間信息，右側(cè)的各列代表數(shù)據(jù)內(nèi)容(HEX)。形成的數(shù)據(jù)文件可作為導(dǎo)彈總體數(shù)據(jù)分析軟件的信息源文件直接讀取分析。

圖5 解析數(shù)據(jù)文件輸出格式Fig.5 Parse the data file output format

圖6 解析指令文件輸出格式Fig.6 Parse the instruction file output format

本文提出的軟硬件結(jié)合的遙測(cè)彈載1553B數(shù)據(jù)處理方法能夠快速簡(jiǎn)單地完成消息拆包和提取，可以在總體數(shù)據(jù)判讀軟件上直接被調(diào)用分析，結(jié)合多次實(shí)驗(yàn)聯(lián)試驗(yàn)證，能夠滿足武器系統(tǒng)使用需求。

4 結(jié)論

本文對(duì)作為導(dǎo)彈、火箭彈等武器系統(tǒng)飛行器系統(tǒng)懸掛物的1553B通訊接口接收及數(shù)據(jù)解析進(jìn)行分析，沿用了傳統(tǒng)的遙測(cè)數(shù)據(jù)處理辦法，結(jié)合彈載1553B總線接收策略，配置了符合接口控制文件的消息數(shù)據(jù)庫，將復(fù)雜的總線消息轉(zhuǎn)換為易讀的標(biāo)準(zhǔn)二進(jìn)制或十六進(jìn)制文件形式，方便植入武器系統(tǒng)總體分析數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)綜合評(píng)價(jià)。通過系統(tǒng)測(cè)試及靶場(chǎng)實(shí)際飛行試驗(yàn)驗(yàn)證，該方法簡(jiǎn)單有效，符合武器系統(tǒng)對(duì)遙測(cè)數(shù)據(jù)提出的要求。