一种1553B 总线原理教学训练系统的设计与实现

李 良， 李亭亭， 黄家彬， 杨远科， 郝炜亮

（96921 部队， 北京 100020）

0 引言

20 世纪60 年代的机载电子系统设备之间通过庞杂的电缆束进行连接，随着机载电子系统要求提升和功能增加， 传统点对点电缆通信方式将会占用很大的空间和重量，对传输线的定义和测试较为复杂，故障率也比较高。为了解决这一问题，美国于1973 年研制出1553B 多路传输数据总线，它取代了在传感器、控制器和其它单机设备间传递数据的大量电缆及中间装置，减轻了设备重量，使得系统可扩展性好，系统的自治性增强。 随着1553B 总线的优越性的不断体现和设备的迭代升级，国内很多领域也开始将1553B 协议用到机电设备中。 为了使操作人员更好的掌握高度集成设备原理，更快的分析排除故障，设计一种1553B 总线原理教学训练系统显得尤为紧迫和至关重要。 本文将阐述一种软硬件可裁剪、可扩展的1553B 总线原理教学训练系统设计思路和实现方式，训练内容可根据用户实际需求进行软硬件配置和更新，以便使用人员尽快生成设备操作使用和维护维修能力。

1 1553B 总线原理教学训练系统功能

1553B 总线原理教学训练系统主要用于熟悉设备原理和提升操作技能，深入理解基于1553B 总线通信设备的闭环控制数据流和设备故障， 为故障定位打下理论和实践基础。 功能包括四个部分： 一是认知1553B 总线。 直观认知1553B 总线电缆、终端电阻、耦合器、1553B 接口电路板、协议芯片以及整个通信链路的硬件实现， 还可以通过示波器直观分析总线通信协议；二是实现操作训练功能。通过仿真各单机之间的数据通信及操作控制， 熟悉操作流程和安全注意事项；三是与操作同步的设备原理演示功能。与操作流程同步显示设备原理，做到边操作边学习，另外开发多媒体素材库，用于离线学习设备原理和新技术；四是与操作同步的实时故障解析功能。在操作的同时，同步显示设备故障代码及含义，追根溯源，理解设备发生故障的原理机理。

2 原理教学训练系统硬件组成

该系统主要包括硬件和软件两大部分， 通过1553B总线搭建通信链路， 实现测试设备和仿真单机之间数据通信以及相关测试功能。 硬件组成架构如图1 所示。

图1 1553B 总线原理教学训练系统总体硬件组成

2.1 总体硬件组成

1553B 总线原理教学训练系统硬件主要包括4 台仿真单机、1 台测试操作的中心计算机、1 台故障解析计算机、1台测试原理同步演示计算机、1 台深化原理学习计算机、网络交换机、示波器、显示系统和视频切换组件等。 该系统用网络交换机将中心计算机、故障解析计算机和测试原理同步解析计算机构建成局域网络，实现将中心计算机的测试控制信息与故障解析计算机、测试原理同步解析计算机互联互通， 达到故障实时解析和原理同步显示的设计目的。示波器用于抓取1553B 通信协议，协助分析设备故障。

2.2 仿真单机网络拓扑

该系统共包括4 台为实现特定功能的仿真单机，每台仿真单机主要包括DSP-1553B 主控模块、 电源模块和功能模块等。在仿真单机设计时，采取硬件基本通用、软件定制的原则进行。标准的硬件接口使得插卡易拆卸、易拓展，可根据用户需求设计仿真单机内部的子功能板卡，从而实现硬件功能的扩展与裁剪。仿真单机的通信链路采用分布式拓扑结构，通过耦合器连接各终端设备，如图2 所示。

图2 设备仿真单机拓扑示意图

线缆选择1553B 专用的屏蔽双绞线缆， 具有极高的安全性。 耦合器根据要求，选择线式耦合器，耦合器样式如图3 所示。

图3 线式耦合器示意图

1553B 电缆分设A 总线和B 总线两条冗余电缆，两条电缆形式完全相同。 每条电缆分为三段：主电缆、对接终端电阻和可选择性插入前两条电缆中间的总线端引出测试电缆，三者的结构形式分别如图4、图5 和图6。 主电缆由7 个单子线线耦串联组成，左端带固定的终端电阻，右端不带终端电阻，但有连接“对接终端电阻”或“总线端引出测试电缆”的连接器（PL75-47）。各线耦的短截线（子线）长度均为1m。各短截线头上的插头，分别为连接四个仿真单机的PL75-47 连接器、连接地面中心机、执行机构插头和示波器BNC 插头。

图4 1553B 主电缆

图5 对接终端电阻

图6 总线端引出测试电缆

对接终端电阻为线式终端电阻连接CJ70-47 线式插座（可与主电缆或总线端引出测试电缆的PL75-47 连接器对接），线缆长度0.1m。 总线端引出测试电缆， 用于可选择性地插入前两条电缆中间， 引出总线信号至示波器测试。 形式为PL75-47 连接器 （接终端电阻） 引出两个电缆， 一根用0.3m 1553B 电缆引出接CJ70-47 连接器 （对接主电缆），另一根为1m 1553B 电缆引出接BNC 插头（接示波器）。

2.3 仿真单机硬件组成

仿真单机实现1553B 总线通信和单机功能程序运行，其核心是主控模块，它按照预定程序要求控制其它功能模块的工作。仿真单机内部采用模块化设计，内部有电源模块、主控模块以及预留功能模块，各个模块均有外形尺寸相同的铝合金外壳包裹且各个模块部件之间的距离相同，可进行同位替换，如图7 所示。

图7 仿真单机内部布局图

由于DSP 片内通信资源有限且固定，FPGA 可以通过编程实现功能逻辑接口设计、外围电路少、可扩展性高等特性， 因此主控模块采用基于DSP+FPGA嵌入式设计方案[1-2]，位比特率为1Mbps。 1553B 通信采用DSP+FPGA+1553B 驱动芯片的设计方式，其基本设计原理如框图8 所示。 电源模块将外部输入的直流电源变为单机内部需要的各种电源， 输入电压范围：直流9V～36V，输出按单机内部板卡需要，带过压过流保护。

图8 DSP-1553B 原理框图

FPGA 芯片通过编程可以实现总线译码和1553B 总线通信功能， 也通过编程设置总线控制器BC 或远程终端RT，完成1553B 协议规定的消息传输，有很强的稳定性和检错能力；DSP 板载4MB FALSH 存储器，可以对配置参数进行存储， 主要完成数据解算和功能程序控制；1553B 驱动芯片主要实现对输出信号的电平转换，达到总线上所需电压范围要求。 模块单独预留2 路隔离RS-232/422，用于调试和控制。

2.4 教学训练系统计算机

教学训练系统计算机包括1 台中心计算机、1 台故障解析计算机、1 台原理同步演示计算机和1 台深化原理学习计算机。 在4 台计算机中，中心计算机、故障解析机、原理演示计算机与网络交换机之间组成一个局域网，并采取UDP 通信协议进行网络通信，中心计算机作为消息发送方， 将测试信息通过网络交换机发送至测试原理同步演示计算机和实时故障解析计算机。

使用人员通过操作使用中心计算机，熟悉界面流程，提高实践动手能力。 中心计算机里面安装有支持1553B总线通信的板卡，与仿真单机通过总线相连。

故障解析计算机接收中心计算机通过局域网发送的故障代码数据，故障解析计算机软件解析故障代码，从而判定设备状态，显示设备故障或健康信息。

深化原理学习计算机为高图形性能的计算机， 双显示输出，独立运行，不在地面局域网内。 它把设备原理通过虚拟动画、动态图表、数据流向直观演示，并配有语音解说和文字，方便使用人员尽快熟悉原理。

原理同步演示计算机接收中心计算机通过局域网发送的流程步骤，与操作流程实时同步显示设备的实时工作原理。

2.5 显示系统及投屏切换

为了达到同步显示、任意观看某一计算机信息，教学训练系统设计了一套3 路双显示系统，如图9 所示。含3 个一分二视频分线器、3 台桌面显示器、1 个显示切换模块及配套显示电缆。三个视频分线器的输入，分别连接故障解析计算机、原理演示计算机和深化原理学习计算机，每个视频分线器的两路输出，一路接台式显示器，另一路接显示切换模块的一个输入。显示切换模块输出为HDMI 信号， 投到前方大屏；另单独有1 台中心计算机接独立显示器，可根据实际需求选择投屏或不投屏，本平台选择不投屏。

图9 显示系统及投屏切换示意图

3 1553B 总线原理教学训练系统软件组成及设计

3.1 教学训练系统软件组成

该系统软件部分主要是由仿真单机内嵌软件、中心计算机内嵌程序、故障解析软件、原理同步演示软件和深化原理学习多媒体教学软件等组成。软件设计总体原则是满足当前需求，通过少量修改可扩展至不同的应用领域。

3.2 仿真单机内嵌软件设计

仿真单机内嵌软件是指主控板上运行的主控软件，包括DSP 内嵌的主控程序、FPGA 内嵌的1553B 总线通信程序和功能板卡子程序。 主控程序和功能板卡上的子程序根据对象需求编写。

1553B 总线通信程序没有采取传统的1553B 总线协议芯片，而是通过FPGA 实现1553B 总线通信功能，主要包括模拟收发器、 曼彻斯特编解码器和协议处理逻辑三个子功能模块。 模拟收发器完成FPGA 输出信号与总线信号之间的电平转换， 曼彻斯特编解码器和协议处理逻辑是通信接口的程序主体。 曼彻斯特编解码器主要完成消息字的解码，并将其串并转换后输出。协议处理模块实现RT、MT、BC 三种总线终端的协议处理， 主要包括数据接收部分、数据发送部分和数据缓存部分组成，此外还包括超时检测、地址译码及读写控制、中断管理等。

3.3 计算机教学训练软件设计

故障解析软件、测试原理同步演示软件和深化原理学习多媒体教学软件，均是采用Unity 3D 引擎开发的软件系统框架，用C#语言进行开发设计。Unity 3D 是交互式图形化的专业开发工具， 它有专业的物理引擎和图像渲染引擎，支持多格式导入。在这三台计算机软件设计中，考虑到新技术更新、学习资源库更新等后续维护需求，采取软件框架独立，学习资源自行配置的方式进行程序设计，通过读取JSON 配置文件的形式加载所需学习资源。 如需改动或者增加学习内容，只需修改配置文件即可。 软件中使用到的三维模型均采用3Ds max 建模软件开发完成，视频动画采用AE 视频软件或FLASH 开发制作完成， 所有素材资料包进行配音辅助讲解，便于使用人员更好地学习。

中心计算机软件主要运行测试程序， 与仿真单机和2 台子功能计算机进行总线通信和流程控制。

4 结论

本文分析了1553B 总线原理教学训练系统的设计目的、软硬件组成和系统架构，通过少量软件修改和仿真单机内子功能板卡定制即可扩展至不同领域。通过研制后的实践运用，这种基于1553B 总线通信网络的训练教学系统为使用人员掌握设备原理和操作技能提供了切实可行的训练平台，既方便后期资源维护，也方便扩展应用，可以为相关单位的训练保障条件建设提供了思路和借鉴。