基于1553B总线的导弹武器系统通信协议设计与仿真*

2014-12-10徐宏伟黎玉刚李延宁

弹箭与制导学报 2014年6期

张杨，徐宏伟，黎玉刚，吴超，李延宁

(中国兵器工业第203研究所，西安 710065)

0 引言

随着现代科技的快速发展，导弹武器系统各部件间的通讯也越来越复杂，系统的通信方式也从原来的模拟量向 RS422总线、CAN 总线、1553B［1］等总线式通信转变。

作为导弹武器系统的“神经”网络，总线式通信能够保证武器系统正常、有序的工作，完成各项功能。信息传输品质的好坏直接影响整个武器系统的制导精度。文中针对基于1553B总线的导弹武器系统通信协议设计中的协议可行性验证困难的问题，设计了弹上系统1553B总线通信协议并进行了仿真验证。

1 武器系统总线通信协议设计

1.1 弹上系统信息流分析

导弹武器系统主要由弹载计算机、导引头、组合导航装置、安全自毁装置、舵机、弹载记录仪组成［2］。在导弹的飞行过程中，导引头和组合导航装置不断获取目标信息、导弹运动参数等，并实时发送给弹载计算机，弹载计算机在收到有关数据后，立即进行高速制导和导航运算，得到相应控制参数，并将其发送给舵机，舵机控制导弹按照预定的轨道飞行。在导弹未命中目标时，弹载计算机给安全自毁装置发送安全自毁命令，导弹自毁。弹载记录仪负责记录弹上所有通信数据。基于上述分析可知，该弹上系统信息流可以分为指令消息(如安全自毁命令)、应答消息(如自毁装置反馈的应答结果)和周期性传输消息(如目标信息)。

1.2 1553B总线拓扑及应用层协议设计

1553B总线为数字式时分制指令/响应型数据总线，其基本结构如图1所示。

图1 多路传输数据总线基本结构图

基于上述分析及弹上数据流特点，得到该弹上系统总线拓扑，如图2所示。

图2 导弹武器总线通信系统网络拓扑结构图

GJB289A-97［1］定义了1553B总线的10种消息格式，具体分析后可以总结为以下8种:M1:表示BC到RT或RT到BC消息传送方式;M2:表示RT到RT消息传送方式;M3:表示BC到RT消息广播传送方式;M4:表示RT到RT消息广播传送方式;M5:表示不带数据字的方式指令传送方式;M6:表示带数据字的方式指令发送或接收方式;M7:表示方式指令，不带数据字的广播传送方式;M8:表示方式指令，带数据字的广播传送方式。

对于弹载计算机发向部件的控制指令可以采用M1方式或者M3方式，如弹载计算机发送给各个部件的自检命令可以采用M3的广播传送方式来完成。结合弹上数据流特点，根据消息格式的不同，该弹上系统1553B总线数据传输如表1所示。

1.3 1553B总线系统的技术指标

1553B总线系统的技术指标主要有总线负载、总线效率、总线传输延迟时间、系统的可靠性和误字率等［3］。

总线负载衡量总线上信息传输拥挤程度，是指总线上实际传输信息所需的时间占通信系统总激活时间的百分比。总线效率是指总线在传输消息的时间内，传输有效数据位占总的传输位的百分比，它只与1553B总线消息传输的固定格式有关，是1553B总线自身特性的一种体现。传输延迟时间是指1553B总线上消息从一个子系统发送出去到另一个子系统接收到所用时间，它与总线负载相关，当总线负载率在某一范围内时，总线传输延迟对总线设计的影响可以不予考虑。由于1553B总线采用了余度设计和故障隔离设计可以有效保障其硬件可靠性。在传输数据过程中由于受到噪声等各种干扰可能产生错误的概率，即为误字率。1553B总线采用重传技术，使1553B总线系统对各种干扰具有很强的抑制能力。

表1 1553B总线数据传输表

综上所述，1553B总线系统的技术指标中，对总线设计影响最大最直接的是总线负载率和总线传输延迟时间，其中总线传输延迟时间与总线负载率相关联，因此，通过对总线负载率设计计算及试验仿真，可以对1553B总线应用层协议设计的有效性和可行性进行验证。

在军用条件下，根据实际应用经验，总线负载率应严格规定不能超过80%。超出该界限，总线的定时和数据传输必须严格控制，否则，在异常情况(如出错处理或非周期数据突发处理)下，会打破系统的处理机制，引起通信阻塞。通常军用场合允许的总线负载率为50% ～70%，保留30% ～50%的总线吞吐量的余量，为系统升级保留足够的余度［4］。

2 武器系统总线负载率计算

根据1553B总线标准协议［1］，1553B总线的标准传输速率为1 Mbps，即8 μs可以传输8 Bit的数据。此外在计算总线负载率时，需要做如下符合标准的假设:

假定响应时间平均值为8 μs(1553B标准中响应时间规定为 4～12 μs)，消息的间隔假定为8 μs(1553B标准中规定最小消息间的间隔为4 μs)。

在以上假设的前提下，由所总结的8种消息格式可得到表2。

根据表1中数据及表2中公式，可以方便的计算出1553B总线通信系统的理论负载率［5］。

在计算时，需要两种状态下的总线负载率:一种是只考虑周期性数据下的总线负载率，称之为半载负载率;另一种是将周期性数据和非周期性数据都考虑的总线负载率，而且非周期性数据在周期性数据中一个最大周期时间段内全部发送的情况(这是一种理想状态)，称之为满载负载率，也称为最大负载率。

表2 1553B总线负载率计算表

1553B系统的理论总线负载率计算公式如下:

只考虑周期性数据，可由表2计算总线半载负载率如下:

1)完成该系统每10 ms内传输的周期性数据量累计为1 476 Bit;

2)10 ms总线上的最大传输数据量为10 000 Bit;

3)根据式(1)，可得所设计通信系统的理论总线半载负载率为14.76%。

考虑周期性数据和非周期性数据，可由表2计算总线满载负载率如下:

1)完成该系统每10 ms内传输的总数据量累计为2 672 Bit;

2)根据式(1)，可得所设计通信系统的理论总线满载负载率为26.72%。

所设计的武器通信系统的理论总线满载负载率为26.72%，半载负载率为14.76%，远小于最大负载率50%～70%的要求，导弹武器系统1553B总线通信协议的理论设计是可行的。

3 1553B通信系统仿真

仿真验证系统构成如图3，主要包括:单通道多功能1553B通信板(模拟BC)、多通道多功能1553B通信板(模拟4个RT和BM)、差分示波器、若干变压耦合器、2个120 Ω终端电阻。

仿真验证表明:所设计的总线应用层协议能够正常通信;并得到了不同工况下的总线实时通信波形，如图4～图7所示。通过测量图4、图6中的总线占用时间，可以得到该协议条件下的总线负载率。

从图4中，可以得到半载情况下数据传输的周期为10 ms，与所设置的周期是一致的;从图5中，可以得到在10 ms周期内，传输完所有周期性消息所用时间为1.432 ms;从图6中，可以得到满载情况下数据传输的周期为10 ms;与所设置的周期是一致的。从图7中，可以得到在10 ms周期内，传输完所有非周期性和周期性消息所用时间为2.644 ms。