机载1553B总线设备远程级联技术研究及实现

惠言 钱忠洋 周亚光 张刚

摘要：国产三代机航电设备在内场进行故障模拟、性能评估时，因1553B总线传输距离限制，无法在不同的仿真环境中开展联合试验，试验项目和评估结果存在局限。本文通过剖析1553B总线协议，总结影响传输距离的原因，采用光端机和光纤对总线进行改造，实现机载总线设备远程级联。

关键词：航电设备；1553B总线协议；光纤传输；远程级联

Keywords：avionics device；1553B bus protocol；optical fiber transmission；remote cascade

0 引言

航空電子系统（简称航电系统）是现代军用飞机信息化的核心，是信息感知、显示处理和武器交联中心，其性能和技术水平直接决定和影响飞机的整体性能和作战效能。国产三代机航电系统采用联合式数字结构，使用1553B数据总线与标准电子模块，基于高度模块化原则设计而成。结构的改变一方面提高了研制效率，有利于新技术的快速应用；另一方面也给航电设备保障带来新的挑战。大修单位除关注单件装备的技术状态外，还需确保装备的软件、硬件以及接口逻辑等与航电系统相适配。

航电综合试验台利用仿真、测试和激励措施，围绕航电系统典型工作流程提供试验环境，可同时开展单台或多台设备动态检测。以机载雷达内场检测为例，为掌握雷达目标截获和抗干扰能力，需通过仿真手段建立雷达探测环境，方法包括注入式仿真和辐射式仿真[1]，后者采用微波暗室、射频目标阵列、三轴转台等物理效应模型[2]，模拟的场景更加贴合实际，仿真置信度更高。然而，航电综合试验台和辐射式仿真环境需分布在不同的物理空间，受限于1553B总线传输距离，联合试验无法开展。

1 总线协议分析

1553B总线是指符合GJB 289A标准[3]的数据总线，具有分布处理、集中控制和实时响应等特点，主要由终端设备和传输介质两部分组成。终端设备按功能分为总线控制器、总线监视器和远程终端[3]；传输介质分为主总线和分支线，信号为曼彻斯特波形，传输延时为5.25ns/m。

1.1 总线响应时间

1553B总线数据格式包括指令字、数据字和状态字。每则消息均由BC发出指令字开始，其中对响应时间有要求的消息传输主要包括：

1）总线控制器向总线发出指令，并要求远程终端在规定时间（14μs）内返回状态字；超过规定时间，则总线控制器对消息作无响应处理；

2）总线控制器向远程终端1发出接收指令，向远程终端2发出发送指令，远程终端2需在规定时间内发出状态字及数据字；远程终端1在收到总线控制器发出的接收指令后，需在54μs内收到远程终端2发出的有效数据字，否则作无响应处理[4]。该时间包括总线控制器向远程终端2发出发送指令字、远程终端2返回状态字和远程终端2响应的时间。因指令字和状态字传输时间固定为20μs，远程终端2响应时间应为14μs。

上述响应时间均由处理时间和传输时延组成。其中，处理时间由航电设备内部决定，包括硬件电路转换、软件处理耗时等，调整后可能造成设备技术状态变化，不属于装备性能评估范围；传输时延则由1553B总线的传输介质决定。

1.2 波形失真

总线网络要求以最小失真传输数据波形，影响信号波形质量的主要失真源是反射和耗散，失真程度影响信号传输距离。

1.2.1 反射畸变

支线电缆通过短截线直接耦合或变压器耦合接入主线电缆，产生的负载阻抗和总线阻抗不匹配造成信号反射，反射系数可通过式（1）计算。

1.2.2 耗散畸变

1553B双绞屏蔽电缆存在电阻、串联电感，线缆间存在并联电容，会造成信号幅度和频率衰减，引起波形畸变[4]。

1）当曼彻斯特波形信号加载到总线时，并联电容在电压驱动下，与电缆阻抗构成RC低通滤波。在波形传输过程中，高频分量随传输距离逐渐减少；电缆阻抗除改变信号形状外，还均匀衰减了信号，衰减程度与传输距离成正比。图2（左）为初始波形和耗散整形后的波形对比，在长距离传输后，梯形波的形状和幅度均发生了较大变化。

2）典型的信号波形由4种基波频率（1MHz、500kHz、333kHz和250kHz）加上谐波混合组成。高频能量的衰减，使得传播波形的上升（下降）时间变长，当上升（下降）时间大于脉宽时，电压在到达满幅前就开始跳变，造成衰减。不同基频的脉冲在幅度上的差异造成总线波形上的瞬间电压偏移，从而造成波形的过零点偏移，如图2（右）所示。

2 1553B远程终端通信距离延长方法

2.1 改造方法

响应超时和波形失真（衰减、过零点偏移）均会影响总线的传输距离。其中，波形质量可通过改变传输介质实现，单模光纤采用激光作为信号源，具有损耗低、抗电磁干扰能力强等优点[5]，能克服双绞线传输存在的信号串扰、衰减等问题。

1553B远程终端通过分支线接入主总线，利用光端机将支路双绞线电信号转换为光信号，通过单模光纤实现远距离传输，利用对应的光端机将光信号还原成电信号。航电系统总线改造前后拓扑结构如图3所示。

2.2 方案分析

光纤传输具有良好的屏蔽干扰能力，远程终端利用光纤线缆。因总线通信采用询问/应答方式开展，故延时系数为2。

式中，常量1.5单位为μs，为同步头半时长。传输延时在增加固定转换延时3μs的基础上，每增加100m光纤，传输时间增加1μs。对比总线无响应超时要求和航电设备在总线改造前的响应时间，可计算出最终的延长距离。

3 总结

通过分析1553B通信协议和双绞线物理特性，总结影响传输距离的根本原因，提出采用光端机和单模光纤延长机载航电设备通信距离，雷达、光雷和电抗等与飞机作战效能相关的航电设备通过远程级联，实现在不同的仿真环境、基于同一航电综合平台的联合试验，为航电系统作战效能评估奠定级联基础。

采用光纤对1553B总线网络进行改造时，受网络分布和光电转换延时影响，总线的通信距离存在一定限制。进一步提升总线传输距离的方法包括减少光电转换时间、修改相关总线设备的响应时间限制等。

参考文献

[1] 刘晓斌，赵峰，艾小峰，等. 雷达半实物仿真及其关键技术研究发展[J]. 系统工程与电子技术，2020，42（7）：1471-1477.

[2] 黄瑞松，李海凤，刘金，等. 飞行器半实物仿真技术现状与发展趋势分析[J]. 系统仿真学报，2019，31（9）：1763-1774.

[3] 国防科学技术工业委员会. GJB 289A-97数字式时分制指令/响应型多路传输数据总线[S]. 1997.

[4] 国防科学技术工业委员会. GJB/ Z-2002数字式时分制指令/响应型多路传输数据总线[S]. 2002.

[5] 伊小素，余楚璇，曾华菘. 机载光纤总线拓扑结构的性能分析[J]. 通信技术，2020，53（4）：830-837.

[6] 罗晓琴.测定光纤折射率的简易方法[J]. 宿州学院学报，2009，24（1）：111-112.