星載1553B總線通信接口研究

李新貝 高山 譚超 邵根忠

（山東航天電子技術研究所，山東煙臺 264670）

1 引言

隨著航天技術的快速發展，越來越多復雜電子產品出現在星載系統中，眾多電子設備之間時時刻刻在交互通信，通信的可靠性成為星船研制過程中需要重點解決的問題。總線通信技術的應用，大大提高了航天電子系統的性能和可靠性，使得系統具有可維護性。目前1553B 總線通信在星船電子設備中的應用非常普遍［1］。在采用1553B 總線的綜合電子系統中，每一個分系統都必須具有1553B 總線接口才能完成分布式通信任務，因此，總線接口設計的重要性不言而喻［2］。

1553B總線接口形式主要有2種：直接耦合方式和變壓器耦合方式。為保證1553B 總線正常通信，本文基于疊加定理對變壓器耦合方式下1553B總線接口進行建模，運用Matlab軟件進行仿真與分析，探討了相關電阻對輸入電壓信號U的影響，得出了相應的阻值范圍。通過軟件模擬能有效減輕工程設計的工作量，同時在一定程度上提高了設計的準確性，對1553B 總線接口設計具有一定的指導意義。

2 1553B總線的建模與仿真

在航天電子設備的研制過程中，變壓器耦合方式的1553B總線接口電路如圖1所示［3］。

圖1中，BC為總線控制器，RT 為遠程終端。

在實際應用中，總線協議處理器通常采用專用接口芯片，用來實現協議層的處理。目前使用較為廣泛的接口芯片是美國DDC 公司的ACE 系列芯片，其中以BU-61580最為典型。BU-61580是一種全集成化多協議接口芯片，由兩個低功耗的雙端收發器、協議邏輯、存儲器管理邏輯、處理器接口邏輯及4K×16位bit內置共享靜態RAM，以及直接面向主處理器的緩存接口組成。該芯片集成了BC／RT／MT功能，具有靈活的存儲器／主處理器接口，可擴展64K×16位bit外部RAM［4］。

通常1553B 芯片因廠家、規格的不同，其接口電路的匹配電阻、隔離電阻等阻值也不盡相同。結合工程實踐，圖1中總線控制器D1、遠程終端D2均選用了DDC公司的BU-61580S6接口芯片，供電電壓取額定電壓5．0V；兩耦合變壓器D3、D4選用了B-3226芯片，變壓比為1∶2．5；圖1中R1～R4分別為BC、RT 的隔離電阻，通常取典型值R1＝R2＝R3＝R4＝RS＝55Ω，其目的是為了防止某一支路或終端短路對整個通信系統造成影響。R5、R6為終端匹配電阻，典型值為70～85Ω，常取R5＝R6＝RT，跨接在遠端BC 輸出端和RT 輸入端之間，用于消除傳輸線阻抗不連續時的反射干擾［5］；R7、R8為雙絞傳輸線等效阻抗RW。為了預測該接口的可靠性，應根據接口電路的等效模型來分析隔離電阻RS、終端匹配電阻RT和傳輸線阻抗RW對RT 端輸入電壓信號U的影響。首先，需計算出該接口電路的傳遞函數表達式U＝f（R）。

下文重點對1553B 總線相關電阻RS、RT、RW與D2的輸入電壓U之間的關系進行計算與分析。

2．1 接口等效電路模型

如圖2所示，以1553B總線推薦電壓為例，即D1輸出電壓信號Pout、Nout之間電壓峰峰值VPP為11．6 V，通過變壓比為1∶2．5的變壓器D3后的兩信號Pout1、Nout1之間的電壓峰峰值VPP1為（11．6×2．5）V。D2兩輸入端差分輸入阻抗Rd取最小值2．5kΩ，在不考慮變壓器的容性、感性阻抗情況下［6］，從而得出D4的等效輸入阻抗RL為2．52×Rd，根據疊加定理對以上電路進一步等效如圖3。從而可計算出D2輸入端電壓U與各電阻之間的表達式。

圖2 變壓器耦合方式的1553B總線接口電路圖Fig．2 Interface circuit of 1553Bbus based on transformer coupled mode

圖3 電壓源激勵的等效電路圖Fig．3 Equivalent circuit model based on excitation voltage source

BU-61580S6輸入端高電壓可靠識別的最大范圍為2．0V≤ViH≤5．8V（ViH為輸入高電平范圍），這是保證正?？煽客ㄐ诺幕緱l件［7］?；贛atlab仿真軟件，從以下3個方面進行分析：

（1）在理想雙絞傳輸線情況下，當RT＝77．5Ω時，討論隔離電阻RS阻值的選取范圍；

（2）在理想雙絞傳輸線情況下，當RS＝55 Ω時，討論終端匹配電阻RT的優選范圍；

（3）在（1）、（2）兩種理想狀態的分析基礎上，當RT＝77．5Ω 和RS＝55Ω 時，討論實際1553B總線雙絞傳輸線電阻RW的阻值范圍。

2．2 Matlab軟件仿真與分析

BU-61580S6輸入高電平的電壓范圍為2．0～5．8V，利用Matlab軟件分別對U-RS、U-RT、U-RW三種特性曲線進行仿真與分析，探討電阻RS、RT、RW對輸入電壓U的影響。

2．2．1U-RS特性曲線

在雙絞傳輸線阻抗為0（即理想狀態）情況下，當RT＝77．5Ω 時（即：RT取推薦阻值范圍的中間值），針對D2輸入電壓U與隔離電阻RS之間的關系曲線進行仿真，如圖4和表1所示。

圖4 1553B總線接口的U-RS 關系曲線圖Fig．4 U-RSrelation curve of 1553Bbus interface

表1 1553B總線接口的U-RS 關系曲線仿真數據表Table 1 Data on the U-RSrelation curve of 1553Bbus interface

由圖4、表1可知，當隔離電阻RS取值區間在［0，100］時，隨著RS的增大，1553B總線RT 端輸入電壓U幅值不斷減小，并趨于緩慢；區間在［0，19．2］時，U隨RS的變化顯著；當RS＝19．2Ω 時，U達到高電平最大門檻電壓5．8 V；當RS＝91．4 Ω時，U幅值為高電平最小門檻電壓2．0V；當RS≥91．4Ω 時，此時RT 已不能正常接收信號，1553B總線無法可靠通信。

要保證RT 端輸入電壓U為高電平，總線接口的隔離電阻RS應滿足：19．2Ω≤RS≤91．4Ω。根據1553B總線手冊推薦，RS通常取典型值55Ω，與以上RS阻值范圍的中間值55．3Ω 一致，進一步印證了該仿真結果的正確性；當RS＝55Ω 時，U為2．995V，能夠保證總線可靠通信。

2．2．2U-RT特性曲線

在理想雙絞傳輸線情況下，當RS＝55 Ω 時（即：RS取推薦的典型值），針對D2輸入電壓U與隔離電阻RT之間的關系曲線進行仿真，如圖5 和表2所示。

圖5 1553B總線接口的U-RT 關系曲線圖Fig．5 U-RTrelation curve of 1553B bus communication

表2 1553B總線接口的U-RT 關系曲線仿真數據表Table 2 Data on the U-RTrelation curve of 1553Bbus interface

由圖5、表2可知，當總線終端匹配電阻RT取值區間在［0，250］時，隨著RT的增大RT 端輸入電壓U幅值不斷增大；當RT＝0時，U取最小值0V；當RT＝46．2 Ω 時，U幅值剛好達到了門檻電壓2．0V。當RT取值區間在［0，46．2］時，輸入電壓U小于高電平的最小門檻電壓2．0V，1553B 總線無法正常通信；區間在［46．2，224．8］時，此時滿足輸入電壓U范圍要求，總線能夠正常通信；當RT取值區間在［224．8，250］時，輸入電壓U大于高電平的最大門檻電壓5．8V，總線工作不正常。

要保證RT 端輸入電壓U為高電平，終端匹配電阻RT阻值應滿足：46．2Ω≤RT≤224．8Ω。通常將U取值范圍控制在2．7～3．2V 之間，此時可得出RT的優選范圍為：67．5Ω≤RT≤84．9Ω，可保證總線可靠通信，該優選范圍的RT中間值為76．2Ω，與1553B總線推薦范圍的RT中間值77．5Ω 一致。

2．2．3U-RW特性曲線

由于實際1553B總線雙絞傳輸線阻抗的存在，基于以上兩種理想狀態下的分析結果，當RT、RS分別取阻值范圍的中間值（即RT＝77．5Ω、RS＝55Ω）時，對RT端輸入電壓U與傳輸線電阻RW之間的特性曲線進行仿真分析，見圖6和表3。

圖6 1553B總線接口的U-RW 關系曲線圖Fig．6 U-RWrelation curve of 1553B bus communication

表3 1553B總線接口的U-RW 關系曲線仿真數據表Table 3 Data on the U-RWrelation curve of 1553Bbus interface

結合圖6和表3可知，當傳輸線電阻RW取值區間在［0，50］時，隨著RW的增大RT端輸入電壓U幅值不斷減小。當RW＝0Ω 時，U取最大值2．995V；當RW＝30．5Ω 時，U幅值剛好達到了門檻電壓2．0 V。當RW取值區間在［0，30．5］時，1553B總線能夠正常通信；區間在［30．5，50］時，不能滿足輸入電壓U范圍要求，隨著RW增大總線通信異常，不能正常工作。

要保證RT 端輸入電壓U為高電平，實際1553B總線雙絞傳輸線電阻RW阻值應滿足：0Ω≤RW≤30．5Ω，一般使用上是可以滿足的。

3 結束語

研究1553B總線通信的關鍵，是建立總線接口的等效模型和進行阻抗匹配計算［8］。在忽略雙絞線阻抗等情況下，建立理想狀態下的等效模型，證明了模型的有效性，結合仿真圖和工程實踐得出：①當終端匹配電阻RT＝77．5Ω 時，確定了RS的選取范圍：19．2Ω≤RS≤91．4Ω；②當RS＝55Ω 時，RT的優選范圍為：67．5Ω≤RT≤84．9Ω；③基于以上2種理想分析結果，當RS＝55Ω、RT＝77．5Ω 時，確定了正常使用的RW范圍：0Ω≤RW≤30．5Ω。

本文建立了一種1553B 總線接口的等效模型和計算仿真方法，驗證了1553B總線手冊推薦參數的合理性，這對更好地指導工程設計，保證1553B總線通信的完整性和可靠性是有益的。

（References）

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