基于飛控半物理仿真平臺的1553B總線調度方法

吳佳駒　閆建國　遆好建

摘 要： 1553B總線廣泛應用于國內外航空電子系統。在簡要介紹1553B總線通信的基礎上，對1553B總線在飛控半物理仿真平臺中實現總線數據調度、監視、存儲及終端模擬等功能進行了詳細的說明。目標機采用VxWorks實時操作系統，給出軟件典型模塊的設計方法，該設計方法提高了總線數據傳輸效率，顯著減小總線負載率。仿真結果顯示，1553B總線調度軟件在飛控半物理仿真平臺中有效實現預定功能，工作性能穩定，為研究1553B總線在其他半物理仿真平臺中的應用和移植提供參考。

關鍵詞： 1553B； 飛控半物理仿真平臺； 軟件設計方法； 移植

中圖分類號： TN967?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）11?0020?04

Method of 1553B bus scheduling based on flight control semi?physical simulation platform

WU Jia?ju， YAN Jian?guo， TI Hao?jian

（Automation College， Northwestern Polytechnical University， Xian 710129， China）

Abstract： 1553B bus is widely used in domestic and international avionics systems. On the basis of a brief introduction on 1553B bus communication， the implementation of bus data scheduling， monitoring， storage and terminal emulation functions are described detailed based on flight control semi?physical simulation platform with 1553B bus. VxWorks real?time operating system is adopted by target machine. The design method of software typical module is given， which improves the efficiency of bus data transmission and reduces the bus loading rate significantly. Simulation results show that the intended functions can be implemented in flight control semi?physical simulation platform with 1553B bus scheduling software effectively， and its working performance is stable. It provides a reference for studying of 1553B bus applications and transplanting in other semi?physical simulation platform.

Keywords： 1553B； flight control semi?physical simulation platform； software design method； transplanting

0 引 言

飛控半物理仿真平臺將真實飛機子系統的一部分以實物方式引入仿真回路，其余部分以數學模型描述，進行實物和數字聯合仿真，為飛行控制與管理系統的設計提供了地面測試環境，縮短項目的研發周期，減少項目的研發經費。

在飛控半物理仿真平臺中，1553B作為一種串行數據總線標準負責飛控計算機與其余終端設備進行數據通信。相比ARINC?429，ARINC?629，SCI，AFDX，HSDB等機載數據總線，1553B總線具有如下突出優點：線性局域網絡結構、冗余容錯能力、支持“啞”節點和“智能”節點、高水平的電器保障性能、良好的器件可用性、實時可確定性[1]。

1 1553B通信系統組成

從通信系統的角度，1553B總線可分為三種模式，通信系統組成如圖1所示。

BC：總線控制器（Bus Controller）。對總線進行控制和管理，是所有消息的調用控制者，負責發送命令、參與數據的傳輸、接收狀態響應和監測總線系統。

BBC：備用總線控制器（Backup Bus Controller）。當總線控制器故障時，備用總線控制器開始工作，與總線控制器實現的功能一樣。

RT：遠程終端（Remote Terminal）。總線上掛載的負載，通過總線進行各個遠程終端之間的信息交流，對從總線上控制接收到的有效命令做出響應，并在一定時間內回送狀態字，完成相應動作。

BM：總線監視器（Bus Monitor）。監聽和記錄總線上傳輸的命令和數據的終端，受BC控制，通過設定相應參數，可以記錄特定類型的信息，不參與任何總線傳輸，只起到記錄總線數據的作用。

1553B信息流由一串1553B消息構成，1553B規范中規定一個完整的消息包括命令字、數據字、狀態字三種類型，所有1553B字都是20 b長，其中有效位為16位，每個字都為：

3位同步位+16位數據/命令/狀態位+1位奇偶校驗

同步和奇偶校驗位被1553B硬件用于確定信息格式和數據錯誤。在同步位中（第1到第3位）1個半比特位為高電平，1個半比特位為低電平；命令字和狀態字的同步位相同，先高電平再低電平；而數據字則相反，先是低電平再高電平[2]。三種字結構如圖2所示。

2 系統拓撲結構

1553B總線設計為多總線拓撲結構，其硬件組成包括：總線耦合器、總線接線器、總線線纜和綜合設計在相應設備中的接口板卡，兩條1553B總線電纜實現各終端設備A、B通道的物理連接，各終端均采用變壓器耦合方式掛接在1553B總線上[3]。

飛控半物理仿真平臺采用分布式仿真系統布局設計，同時具備獨立仿真和聯合仿真的能力。各分布式仿真系統由綜合管理計算機、飛控計算機和其他終端設備組成，拓撲結構如圖3所示。

仿真環境下，綜合管理計算機作為BC，其他終端作為總線上的RT，BC通過總線調度程序對各終端進行調度。飛參記錄器作為總線上的BM，負責監控飛控半物理仿真平臺中1553B總線上的數據通信，并進行通信數據存儲，通過對存儲文件進行解碼可以還原整個通信過程。

3 總線控制器軟件設計

鑒于飛控半物理仿真平臺對實時性和可靠性的嚴格要求，本飛控半物理仿真平臺的下位機使用VxWorks嵌入式實時操作系統[4]。

現今，國內外有關1553B的文章僅僅介紹總線控制器和遠程終端的單獨軟件流程，而半物理仿真試驗的功能往往需要基于兩種單獨軟件流程拓深來實現，本文給出半物理仿真試驗中軟件典型模塊的設計流程。

實際半物理仿真試驗既有周期性消息的同步通信要求，又有非周期性消息的異步通信要求，同步通信與異步通信的組合調度方法對1553B總線的性能、負載率、穩定性產生重要影響，因此，合理的組合調度方法十分重要。

3.1 同步通信與異步通信的組合

在仿真過程中，異步通信是在有請求的時候插入到同步通信中，具有較高的實時性和重要性。因此，在周期性消息同步通信的同時，完成非周期性消息的異步通信有實際意義。

由于非周期指令發送的時刻由終端決定，總線控制器給外設終端周期性發送方式代碼，相應的外設終端接收方式代碼后，會返回一個矢量字。外設終端接收方式代碼時有三種不同的類型：

（1） 外設提前將相應的矢量字寫入緩存區

如果外設終端提前將矢量字寫入緩存區，當BC發送方式代碼到該終端時，該終端將會返回相應的矢量字，BC根據返回的矢量字執行相應的操作。

（2） 外設沒有將相應的矢量字寫入緩存區

如果外設終端沒有向緩存區寫入矢量字，當BC發送方式代碼到該終端時，該終端將會返回一個默認的矢量字，BC接收到默認的矢量字將不做任何處理，轉向下一數據幀的幀頭。

（3） 外設向緩存區寫入矢量字后未及時清除

如果外設向緩存區寫入相應的矢量字，則BC根據返回的矢量字執行相應的操作。如果下一數據幀外設沒有及時清除緩存區中的矢量字，則BC會繼續收到此矢量字，從而不斷執行此非周期性命令。

綜合以上三種情況，如果要執行同步、異步混合通信，外設應提前將矢量字寫入緩存區，BC周期性地向外設發送方式代碼，對外設回送的矢量字進行判斷，如果與預定的矢量字一致，則執行一次非周期性指令，然后轉向下一幀調度數據，否則直接轉向下一幀調度數據。此后外設將緩存區中的矢量字清除，下一數據幀BC接收不到相應的矢量字，BC執行一次非周期性調度指令。

周期、非周期組合調度程序流程如圖4所示。

3.2 多個非周期性指令的調度方法

當同一個外設終端執行多條非周期性命令時，BC發送方式代碼到對應的遠程終端，遠程終端回送不同的矢量字，BC根據矢量字執行相應的控制命令，可以采用以下兩種方法執行多個非周期性指令的調度方法。

（1） 每一數據幀發送多個方式代碼

如果某遠程終端對應[n]條非周期性指令，每一數據幀BC發送[n]個方式代碼，遠程終端將回送[n]個矢量字，將這[n]個矢量字分別與該遠程預定的矢量字進行對比。若與某個預定的矢量字相等時，BC執行相應的控制指令。

（2） 每一數據幀發送一個方式代碼

每一個數據幀，BC向該遠程終端發送一個方式代碼，將回送的矢量字分別與預定的[n]個矢量字比較，當回送的矢量字與其中某一個矢量字相等時，BC執行相應的控制指令。

實際編程時，方法（2）總線負載率小、實時性高，調度子程序流程圖如圖5所示。

非周期調度時，BC和各遠程終端的時間必須同步，即兩邊基于VxWorks的時間片設置需要相同，才能保證數據通信的同步性，否則會產生丟包、數據通信延遲等現象。

3.3 副幀數據的實現

進行飛控半物理仿真時，同一個地址往往交替發送某幾類數據，即包含副幀數據。例如，綜合管理計算機向某一終端發送的數據副幀數為2，即綜合管理計算機將向該終端周期、循環地發送兩類數據。

（1） BC發送副幀數據

BC向某一終端發送的數據在總線調度表中設置，人為改動創建的總線調度表，如果有兩個副幀，BC交替執行對應的調度指令；如果有多個副幀，依次執行每個調度指令。此種方法滿足飛控半物理仿真平臺的數據調度。其他仿真系統中，如果BC向某一終端發送的副幀數非常多，創建中斷子程序，BC每執行一個數據幀便進入中斷子程序，根據進入中斷子程序的次數決定執行對應的副幀數據。

例如，BC向某一終端發送m幀數據，中斷子程序執行次數為n，n%m∈[0，m-1]，共m種不同的余數，因此該時刻BC應該執行（（n%m）+1）條副幀數據。

半物理仿真環境下，BC發送副幀數據的難點在于BC更新副幀數據與BC調度兩個進程相協調，如果協調不好，會出現調度數據延遲現象，約40～160 ms，具體任務劃分可以參考H.Gomma總結的六條原則[5]。

（2） RT發送副幀數據

如果某遠程終端向外發送的數據具有副幀，則該遠程終端應周期性地將副幀數據寫入緩存區。此時，BC周期性地調度該遠程終端向其他外設發送不同的副幀數據。此處難點在于總線控制器調度時間與遠程終端寫入副幀時間的同步，否則會出現大量丟包和數據通信延遲現象。

3.4 BM模塊

飛行參數記錄儀作為BM監控飛控半物理仿真平臺中1553B數據通信，監視總線調度的正確性，并將監視的通信數據存儲到建立的文件中，根據相應的解碼原則可以還原整個1553B總線通信過程。

（1） 監視模塊

在飛控半物理仿真平臺中，BC每一條調度指令執行時間約1 ms，為了保障BM能監視到1553B總線上每一條通信信息，設定BM運行周期為1 ms。在VxWorks的主函數下開啟一個監視任務，通過1553B總線的API（Application Programming Interface，應用程序編程接口）函數BusTools_BM_ReadLastMessageBlock（）周期性地監視總線上是否有數據通信。

（2） 存儲模塊

在VxWorks操作系統下創建文件observe.txt用來存儲數據。當1553B監視到總線上有數據通信時，將數據存儲到observe.txt文件中。存儲模塊用到的VxWorks I/O應用接口函數為creat（），open（），write（），read（）等，接口函數庫為ioLib。

4 總線負載率

查詢相關國軍標資料[6]，可知1553B各條指令每次執行花費的時間如表1所示。

1553B傳輸方式為半雙工，同一時刻總線上只能有一個方向的數據傳輸，可以通過時間來計算總線負載率。設置數據幀間隔為10 μs，通過計算，飛控半物理仿真平臺中1553B總線通信的負載率為49.8%，滿足技術要求指標。

5 結 語

本文詳細介紹了基于飛控半物理仿真平臺中1553B總線調度軟件典型模塊的設計原則。經過實際仿真試驗，該調度軟件實現了數據調度、軟件監視、數據存儲、終端模擬等功能，工作性能穩定，為研究1553B總線在其他半物理仿真平臺的應用和移植提供依據。

參考文獻

[1] 廖文彬.MIL?STD?1553多功能總線測試卡的實現[D].成都：電子科技大學，2009.

[2] 顏猛，蔣軒祥.1553總線BC/BBC配置下總線管理軟件的研究與實現[J].微電子學與計算機，2003，20（1）：20?22.

[3] 支超有.機載數據總線技術及其應用[M].北京：國防工業出版社，2009.

[4] 周啟平，張揚，吳瓊，等.VxWorks開發指南與Tornado實用手冊[M].北京：中國電力出版社，2004.

[5] 羅國慶.VxWorks與嵌入式軟件開發[M].北京：機械工業出版社，2003.

[6] 國防科學技術工業委員會.5186.6?2005數字式時分制指令相應型多路傳輸數據總線測試方法[EB/OL].北京：國防科學技術工業委員會，2006.