基于時間同步1553B總線通信協議的總線監視與仿真軟件設計

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(北京空間飛行器總體設計部，北京 100094)

0 引言

MIL_STD_1553B總線為一種廣泛應用于航天器中的數字式時分制指令/響應型多路傳輸數據總線，具有較高的可靠性和實時性[1-2]。在傳統的美國軍用標準中，只提供了構造最大64 byte的消息交互服務，而并沒有提供更加復雜的數據結構處理和數據流控制方法來實現更高層的通信和同步服務[3]。2008年，ECSS(European Cooperation for Space Standardization，歐洲空間標準化組織)在美軍標的基礎上，提出了一種基于時間同步的1553B總線通信協議標準。這種協議提供了更上層的接口服務，能夠有效簡化總線配置，實現總線資源的均衡分配和合理控制。目前這種通信協議已在我國多個遙感衛星型號中得到了應用，并在后續型號中持續推廣。

在我國現有的航天器中，星上數據管理系統計算機常常作為星上1553B總線控制器(Bus Controller，BC)，而為了驗證其功能正確性，總線終端(Remote Terminal，RT)仿真是測試中經常使用的方法[4-5]。ALTA、Condor等商用總線仿真卡配套的仿真軟件都可以實現基本的RT仿真功能。航天型號中常常通過對仿真卡進行二次開發來完成航天器型號測試，但是由于這些仿真軟件缺少對上層通信協議的模擬，在應用基于時間同步1553B總線通信協議的型號中進行測試會遇到諸多困難[6-8]。

本文在對基于時間同步的1553B總線通信協議各服務對RT的基本要求進行分析的基礎上，提出了完成該協議下RT仿真所需的軟件需求，通過對商用總線仿真卡進行二次開發，設計實現了一種基于時間同步1553B總線通信協議的總線監視與仿真軟件，在兼容原有商用軟件的總線監視、BC/RT仿真、數據存儲及回放等基本功能的基礎上，增加了基于時間同步1553B總線通信協議的RT仿真功能。該軟件能夠滿足應用該協議的各型號的各種測試需求，已經在多個航天器型號中得到了應用。

1 需求分析

基于時間同步1553B總線通信協議在原有美軍標的基礎上，提供了時間服務、通信同步服務、置數/取數服務、數據塊傳輸服務以及終端管理服務5種服務[9]，這些服務并不是完全獨立的：通信同步服務為協議要求的強制服務，它保證了協議的實時性，其它的服務都依賴于通信同步服務，這些依賴關系如圖1所示。

圖1 服務依賴性

基于時間同步1553B總線通信協議的最基本的特點是通過通信同步服務，把一個時間同步周期內的數據傳輸劃分為若干個通信幀，通過約定特定的數據在特定的通信幀內傳輸獲得確定的傳輸延遲，并達到均衡總線資源分配的效果，如圖2所示。因此基于時間同步1553B總線通信協議中的RT首先要識別通信幀，進而根據當前通信幀完成協議規定的在固定通信幀內進行的動作。根據協議要求，RT通過獲取幀同步消息來識別當前幀號，因而本軟件首先要實現對幀同步消息的獲取和識別。

圖2 通信幀分解圖示

置數/取數服務用于傳輸預先約定好的，固定長度的數據至目的地，置數服務用于BC->RT的數據傳輸，取數服務用于RT->BC的數據傳輸。這個過程中不涉及到握手過程，因而涉及的數據傳輸長度都是約定好的，BC為這些數據在約定的通信幀中預留相應的帶寬，RT依據幀號進行數據的接收和發送。取數服務的使用要求RT仿真軟件能夠根據已經識別的幀號，向總線發送緩存寫入不同的數據。

數據塊傳輸服務能夠響應發送端的請求來發起一次數據傳輸，并在數據傳輸結束后提供確認。為了區分在BC端和在RT端發起的數據塊傳輸服務，我們稱BC->RT的傳輸為數據塊分發傳輸；RT->BC的傳輸為數據塊獲取傳輸。數據塊分發的典型過程如下：

1)BC將需要發送的數據寫入對應RT的協議規定的子地址(11-26)中，隨后，向該RT的SA27中寫入分發描述符，說明此次數據傳輸的長度、傳輸質量、使用的子地址等信息。

2)RT讀取SA(Sub-Address, 子地址)27中的分發描述符，并按照其中的信息指示獲取傳輸數據。之后對傳輸數據進行檢查，在檢查結果正確時，向SA27寫入分發傳輸確認。

3)BC通過讀取此RTSA27中的分發傳輸確認來確認此次數據傳輸正確，此次數據塊分發過程結束。

數據塊獲取的典型過程如下：

1)RT在協議規定的子地址(11-26)中寫入需要傳輸的數據，隨后，在SA28中寫入數據塊獲取請求，說明此次數據塊獲取的長度、傳輸質量、使用的子地址等信息。

2)BC獲取此RTSA28中的數據塊獲取請求，判斷此請求為一次新的有效請求。

3)BC在之后的某個通信幀里，按照數據塊獲取請求中描述的數據長度和子地址信息實現數據傳輸，并向該RT的SA28中寫入數據塊獲取確認。

4)RT通過判斷接收到相應的數據塊獲取確認來判斷當前數據塊獲取傳輸結束。

通過以上分析可以看出，為了實現數據塊服務，仿真軟件應做到：對于數據塊分發，要求仿真軟件能夠響應BC的數據塊分發請求，包括數據塊分發復位請求和數據塊分發傳輸請求；對于數據塊獲取，則要求仿真軟件能夠根據協議要求，在特定時機提出數據塊獲取復位請求和數據塊分發傳輸請求，根據請求類型將要傳輸的數據寫入相應的發送子地址，并對請求信息中的計數和長度信息進行自主維護。

終端管理服務用于對RT進行健康監視、錯誤預警、終端配置和數據卷繞。在實際的型號應用中，只使用了協議中規定強制使用的數據卷繞服務，因而RT仿真也應能滿足數據卷繞的要求。

現有航天器中各種突發性、周期性以及不同服務質量的數據傳輸要求都能通過這幾種服務得到滿足。通過上述分析可以看出，利用時間同步1553B總線通信協議進行數據傳輸時，RT的動作依賴于對當前通信幀號的判斷。在利用數據塊傳輸服務時，RT還需要按照協議要求與BC進行一系列的握手動作才能完成數據傳輸。而商用的1553B總線仿真軟件不能提供這些服務，無法滿足仿真要求。

根據上述分析，將時間同步1553B總線監視與仿真軟件的功能需求分為兩部分。一部分為面向標準總線協議的通用需求，包括總線仿真卡設置、總線監視(BM)、BC/RT仿真、數據存儲、回放及查詢等；一部分為專用需求，主要是模擬基于時間同步1553B總線通信協議的服務的RT的行為。具體來說，時間服務、置數服務都是完全由BC端控制，不需要RT做出特定的握手動作，因而并不會對RT仿真功能帶來特殊需求；因而本軟件主要對通信同步服務、取數服務、數據塊服務和終端管理服務中的RT行為進行仿真。

2 軟件設計

本軟件使用C++語言進行開發,使用模塊化設計[10]，主要有界面顯示與交互、總線監視、數據存檔、數據查詢、配置文件管理、RT仿真、總線監視7個模塊，模塊間的關系和數據流如圖3所示。軟件采用多線程編程技術，提供圖形化界面，實現對1553B總線進行總線監視、數據存檔、回放以及查詢等功能。這些功能與傳統的仿真卡二次開發軟件類似，在此不做具體說明。與商業總線仿真軟件不同，本軟件設計了專門的協議管理模塊，配合RT仿真模塊，實現對時間同步1553B總線通信協議中RT動作的仿真。本節主要對軟件提供的針對時間同步協議的各項服務進行說明。

圖3 模塊關系和數據流

2.1 通信同步服務

幀同步消息的傳輸形式為帶數據字的方式字，根據協議要求在RT31的子地址31進行廣播。軟件協議管理模塊能夠獲取每個幀同步消息，提取當前幀號。此幀號能夠被數據存檔、總線監視、RT仿真等多個模塊獲取并調用，提供了協議仿真的基礎。

2.2 取數服務

在型號應用中，對于某個RT可能會同時設置多個子地址進行取數，同一個子地址中取的通常是同一種數據，但其數據具體內容在不同的通信幀中可能會發生變化。商業仿真卡無法支持這種變化。

在本軟件中，在對某RT的某個子地址進行仿真時，支持仿真數據的動態變化，數據中的變化區域和變化條件都可以指定。數據的變化方法可以選擇遞增/遞減、在某個范圍內隨機變化或者幾組固定數據循環變化。而變化的條件支持周期性變化，也可以用指定的消息來觸發。當用幀同步消息作為觸發消息時，結合數據變化的設置，就可以實現不同幀號下取數結果不同的效果。

2.3 數據塊服務

2.3.1 數據塊分發服務

根據協議要求，在進行數據塊分發時，BC會在向RT發送數據或者提出協議復位時，在該RT的子地址27寫入分發傳輸描述符(DTD)，而RT應在接收對分發傳輸描述符后，一個通信幀的時間內，確認其內容，并在子地址27中給出分發傳輸確認(DTC)，DTD和DTC的數據結構如表1、表2所示。

軟件的具體實現過程是，對子地址27進行監控，在接收到DTD后，直接提取其中信息組成DTC后寫入子地址27的發送緩存。除此之外，本軟件還能對數據塊分發次數進行統計，并提供單獨界面對數據塊分發的數據進行顯示。

表1 分發傳輸描述符(DTD)結構

表2 分發傳輸確認(DTC)結構

表3 獲取傳輸請求(ATR)結構

2.3.2 數據塊獲取服務

根據協議要求，在利用數據塊獲取服務進行數據傳輸時，RT需要在協議規定的子地址內寫入需要傳輸的數據后，在子地址28中寫入相應的獲取傳輸請求(ATR)，其數據結構見表3。

在航天型號中，對某個RT常常有多種數據需要通過數據塊獲取進行傳輸，且這些數據的觸發條件各不相同。而且每進行一次數據塊傳輸，其ATR中的獲取塊計數都要加1。可以看出，使用這種服務的數據傳輸過程，使用商業仿真卡根本無法自動模擬，而靠人工手動維護ATR的提起，沒辦法保證數據的周期性傳輸。為此，本軟件對于每個RT的數據塊獲取仿真提供了以下功能：

1)能夠維護一個獲取傳輸列表，對每種獲取傳輸設定不同的觸發條件：可以單次傳輸、可以周期性傳輸也可以由某條消息觸發傳輸；

2)對一個RT維護一個獲取塊計數，每發起一次獲取傳輸請求，獲取塊計數自動加1；在提起獲取傳輸復位時，該獲取塊計數清零；

3)在某條獲取傳輸被觸發時，能夠根據ATR中的子地址模式和子地址將需要傳輸的數據寫入對應子地址的發送緩存中；

4)當獲取傳輸列表中多個獲取傳輸同時被觸發時，能夠對仿真數據進行合并，并寫入對應子地址，此時生成的ATR中的當前塊長度應為被觸發的多個數據塊長度的和；

5)提供了數據塊獲取計數統計功能，對此RT的數據塊獲取狀態進行實時顯示。

2.4 終端管理服務

目前在航天器型號中，終端管理服務只使用了數據卷繞服務，也就是說RT需要將子地址30接收到的卷繞數據回寫到發送緩存中。在終端管理服務中，軟件通過將RT的子地址30的發送和接收緩存設置為同一地址，實現了這一仿真要求。

3 應用實例

以某應用基于時間同步1553B總線通信協議的航天型號中，某RT的總線傳輸要求為例，說明本文所述軟件的RT仿真功能的使用。該RT需要在總線上進行仿真的包列表如表4所示。

表4 某型號某RT的總線傳輸包列表

使用傳統仿真軟件完成此RT仿真的難度是顯而易見的。以采用數據塊獲取服務的RK2和PK3為例，為了實現PK2能夠以2 s為周期傳輸，測試人員必須每2 s手動在該RT的子地址28進行一次獲取傳輸請求仿真，數據格式如表3所示，且其中的獲取塊計數還要每2 s遞增1；保持準確的2 s周期對手動操作來說已經很難實現，而同時還要保證這個傳輸請求是在通信幀10中被提起就更加不可能了。不僅如此，還需要同時兼顧以8 s為周期傳輸的PK3。可以看出，商用仿真卡已經完全無法實現此RT的仿真。

在本軟件中，在此RT的子地址4對PK1的數據進行仿真。設置仿真數據中的包計數字段為按秒遞增，則取數服務取到的數據為一個每秒包計數遞增的遙測包。

利用數據塊獲取服務，對PK2和PK3進行仿真。分別對PK2和PK3的長度、數據內容、傳輸幀號和周期進行設置后，即可完成仿真(如圖4所示)。仿真完成后，可以在總線上觀察到RK2以2 s為周期傳輸，PK3以8S為周期傳輸，每次PK3傳輸時，PK2和PK3會被合并到一次數據塊獲取中被傳輸，本軟件會自動維護ATR的提起以及發送數據的寫入。

圖4 編輯數據塊獲取界面

可以看出，本軟件的使用大大降低了基于時間同步的1553B總線通信協議的RT仿真難度，對于提高使用該協議的航天型號測試效率和測試覆蓋性具有重要意義。

4 結束語

1553B總線監視與仿真軟件是航天器研制過程中經常使用的重要工具，其好用易用性對于總線通信功能測試效果有至關重要的作用。本軟件兼容傳統的總線監視與仿真軟件的總線監視、總線消息存儲、回放以及查詢等功能，并通過對商用仿真卡進行二次開發，實現了適用于基于時間同步1553B總線通信協議的RT仿真功能，大大降低了采用基于時間同步1553B總線通信協議的型號的總線功能測試復雜度，提高了測試覆蓋率。該軟件已經應用于多顆遙感衛星的綜合電子分系統軟件測試中，取得了良好的效果。隨著基于時間同步的1553B總線通信協議的推廣將得到更加廣泛的應用。