FC-AE-1553數(shù)據(jù)總線的特點及在航天領(lǐng)域的應用

黃俊木，王 洋，徐天慧，徐向前

(重慶航天火箭電子技術(shù)有限公司,重慶 400039)

0 引言

在過去的數(shù)十年，我國的航天事業(yè)蓬勃發(fā)展，取得了令人矚目的成就。為了更為安全、便捷地探索浩瀚星空，新一代運載火箭的研制工作早已展開。隨著我國太空探索的腳步邁向深空，新一代運載火箭的系統(tǒng)愈發(fā)龐大、復雜，因此對于各個子系統(tǒng)之間的通信要求愈發(fā)嚴格，迫切要求具有較高的通信速率和更高的傳輸寬帶。面對復雜的宇宙電磁環(huán)境，還應具有較高的抗電磁干擾特性。在上一代運載火箭的系統(tǒng)中被廣泛應用的MIL-STD-1553B已經(jīng)不能滿足新一代運載火箭的需求。相較于通過電信號傳輸信息,通過光信號傳輸信息不僅具有更高的通信速率，而且還具有更高的抗電磁干擾特性，采用光纖連接新一代運載火箭系統(tǒng)的各個子系統(tǒng)自然成為了首選方案。

新系統(tǒng)能夠通過橋接的方式實現(xiàn)新系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)的互聯(lián)，不僅可以避免重復性的工作，還可以節(jié)約大量的資源。FC-AE-1553數(shù)據(jù)總線與MIL-STD-1553B總線的上層協(xié)議高度相似，可以較為方便地兼容、繼承傳統(tǒng)設備。除此之外，F(xiàn)C-AE-1553的傳輸介質(zhì)為光纖，這一特性使其能夠滿足新一代運載火箭系統(tǒng)各個子系統(tǒng)對通信更為嚴格的需求。

1 MIL-STD-1553B與FC-AE-1553數(shù)據(jù)總線

1.1 MIL-STD-1553B總線概述

1978年，美國制定了有關(guān)數(shù)據(jù)總線電氣特性和通信協(xié)議規(guī)范的軍事標準，即MIL-STD-1553B[1]。作為第一代軍事數(shù)據(jù)總線，它規(guī)定了飛機內(nèi)部數(shù)字命令-響應時間多路復用數(shù)據(jù)總線的技術(shù)要求，以及多路復用數(shù)據(jù)總線的操作，總線上信息流的格式和電氣要求，并提供了媒介以實現(xiàn)不同系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)和信息的傳輸。

MIL-STD-1553B總線最初是為戰(zhàn)斗機的內(nèi)部電子系統(tǒng)網(wǎng)絡標準而提出的，它具有可靠性高、速度快、技術(shù)成熟，易于擴展等特點。到目前為止，已從戰(zhàn)斗機控制系統(tǒng)逐步擴展到導彈、艦船、航空航天和其他領(lǐng)域的系統(tǒng)。在我國，MIL-STD-1553B總線已被廣泛應用于航空航天領(lǐng)域。除此之外，作為軍事數(shù)據(jù)總線，它在提高船舶、車輛、坦克和軍艦等武器領(lǐng)域的技術(shù)水平方面發(fā)揮了重要作用。

1.1.1 MIL-STD-1553B構(gòu)成要素

一個標準的MIL-STD-1553B網(wǎng)絡如圖1所示。主要由網(wǎng)絡控制器(Bus Controller，BC)、遠程終端(Remote terminal，RT)、總線監(jiān)視器(Bus Monitor，BM)、數(shù)據(jù)總線(Data Bus)這4部分組成。其中BC是網(wǎng)絡控制器，它負責整個網(wǎng)絡通信的管理，盡管連接到總線上的各個系統(tǒng)也具有BC的功能，但在一定時間內(nèi)只有一個BC被激活。總線通過BC啟動命令，發(fā)出的命令負責總線上各種RT和子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸。RT為遠程終端,總線中所有不充當總線控制器或總線監(jiān)視器的終端都稱為遠程終端，它充當數(shù)據(jù)總線和各種子系統(tǒng)之間的接口設備。MIL-STD-1553B數(shù)據(jù)總線最多可以互連31個RT，只有在BC發(fā)起命令后，RT才會做出相應的響應。RT在收到有效命令后，RT將發(fā)送狀態(tài)信息，如果收到的命令不符合要求，將丟棄數(shù)據(jù)。總線監(jiān)視器負責監(jiān)視數(shù)據(jù)總線的數(shù)據(jù)傳輸。BM可以存儲所有傳輸?shù)臄?shù)據(jù)或者特定部分的數(shù)據(jù)以進行實時分析。由于BM僅存儲信息，并且不參與數(shù)據(jù)傳輸，因此它充當被動設備，主要用于測試和作為備用總線控制器。總線采用雙絞屏蔽線傳遞電信號，為了提高可靠性，采取冗余措施，每個終端與兩根總線連接。

圖1 MIL-STD-1553B網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)

1.1.2 字格式

子系統(tǒng)之間通過互相傳遞消息完成通信，消息是由字構(gòu)成。MIL-STD-1553B標準定義了3種不同的字類型。字格式的長度為20位，并且每種字的格式保持一致，即前3位是同步字段，后16位用于信息，最后一位是奇偶校驗位，用于奇偶校驗。 MIL-STD-1553B定義了3種不同的字格式。

1)命令字(command word)由3位同步字段、5位遠程終端地址字段、1位發(fā)送/接收(T/R)位、5位子地址/模式字段、5位字數(shù)/模式代碼字段和一位奇偶校驗位組成，命令字由BC產(chǎn)生。

2)數(shù)據(jù)字(data word)包含傳輸?shù)男畔ⅲ?位是同步字段，后16位是信息字段，該字段由用戶根據(jù)需要自行定義，最后一位是奇偶校驗位。

3)狀態(tài)字(status word)由遠程終端發(fā)出，當接收到來自總線控制器的有效消息后，將通過狀態(tài)字向總線控制器發(fā)送RT的狀態(tài)，比如忙碌、錯誤等。

1.1.3 消息格式

總線上的數(shù)據(jù)需遵循協(xié)議規(guī)定，MIL-STD-1553B標準定義了完整的消息傳輸格式，其中BC到RT的傳輸，RT到BC的傳輸和RT到RT的傳輸被廣泛運用，圖2描述了這3種消息格式。

(a)BC->RT

1)BC到RT:總線控制器向?qū)ぶ返腞T發(fā)出命令字，指示它將要接收消息。數(shù)據(jù)字緊跟在命令字之后，字數(shù)范圍為1～32。RT驗證消息后，會發(fā)送狀態(tài)字以響應總線控制器，從而完成BC到RT之間的數(shù)據(jù)傳輸。

2)RT到BC:總線控制器向RT發(fā)出命令字，指示它發(fā)送一條消息，該消息的字數(shù)在1～32之間。RT驗證命令字之后，RT傳輸狀態(tài)字和數(shù)據(jù)字。總線控制器驗證狀態(tài)字，完成RT到BC的數(shù)據(jù)傳輸。

3)RT到RT:控制器將接收命令字發(fā)送給尋址的RT，然后再將發(fā)送命令字發(fā)送給另一個尋址的RT，兩者都包含相同的特定字數(shù)，范圍在1～32之間。在對命令字進行驗證之后，發(fā)送RT傳輸其狀態(tài)字，然后傳輸正確數(shù)量的數(shù)據(jù)字。接收方RT驗證消息后，發(fā)送其狀態(tài)字，完成RT到RT數(shù)據(jù)傳輸。

1.2 FC-AE-1553概述

FC-AE-1553總線是一種高度可靠的高速光纖通道總線，該協(xié)議由美國國家標準協(xié)會(ANSI)制定[2]，F(xiàn)C-AE-1553傳輸介質(zhì)采用光纖，使得FC-AE-1553具有光纖通道的良好網(wǎng)絡性能。除此之外，F(xiàn)C-AE-1553是上層對MIL-STD-1553B的映射[3]，對后者的特點能夠很好地繼承和保留，能夠在前者的基礎上進行平滑升級。FC-AE-1553與MIL-STD-1553B都是采用命令響應式，前者采用光信號傳遞信息，其信息傳遞速率是后者的百倍乃至千倍以上，具有更高的高傳輸寬帶、更低的延時特點，能夠滿足目前航空系統(tǒng)對高速總線的需求。一個經(jīng)典的FC-AE-1553網(wǎng)絡如圖3所示。

圖3 FC-AE-1553B網(wǎng)絡

FC-AE-1553 網(wǎng)絡包含了網(wǎng)絡控制器(Net Co-ntroller,NC)、網(wǎng)絡終端(Net Terminal)、RT和FC-AE-1553協(xié)議橋。NC是一個消息的發(fā)起者，控制整個網(wǎng)絡的通信，一個FC-AE-1553 網(wǎng)絡可以具有多個NC，但處于工作狀態(tài)時，只能由一個NC控制網(wǎng)絡。

1.2.1 FC-AE-1553與MIL-STD-1553B的對比

FC-AE-1553協(xié)議是由MIL-STD-1553B的上層協(xié)議映射而來，故其協(xié)議與MIL-STD-1553B高度相似。映射的基本目的是將MIL-STD-1553B遠程終端連接到光纖通道網(wǎng)絡中，支持將MIL-STD-1553B命令字映射到光纖通道標頭字段，盡管FC-AE-1553主要基于MIL-STD-1553B結(jié)構(gòu)，但它包含的擴展功能超出標準MIL-STD-1553B的功能。擴展的功能有：更大的終端接入數(shù)量(224)，更大的字數(shù)(232個32位字)和更大的子地址空間(232)。 FC-AE-1553充分利用了光纖通道提供的網(wǎng)絡拓撲(相對于MIL-STD-1553B的總線拓撲)，從而允許同時在網(wǎng)絡和多個網(wǎng)絡控制器實體之間進行數(shù)據(jù)通信。該映射還支持將多個MIL-STD-1553B總線集中到一個共同的FC-AE-1553網(wǎng)絡中，同時保持單個MIL-STD-1553總線的功能。表1提供了MIL-STD-1553和FC-AE-1553的比較。

表1 MIL-STD-1553與FC-AE-1553的比較

1.2.2 FC-AE-1553的特點及優(yōu)勢

MIL-STD-1553B總線特別適合關(guān)鍵任務處理模塊與實時傳感器和控制器之間的互連。在過去的數(shù)十年中，MIL-STD-1553B在軍事航空電子平臺上被廣泛使用，其原因主要有：1)線性網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。憑借這種拓撲結(jié)構(gòu)，MIL-STD-1553B非常適合用于連接飛行器和地面車輛中的分布式設備，點對點連接使所需的電纜大大減少，從而減小了整體質(zhì)量和必要的空間。對于線性網(wǎng)絡，系統(tǒng)設計人員和維護人員很容易添加或減少網(wǎng)絡節(jié)點。2)冗余。采用雙總線冗余結(jié)構(gòu)，可以通過傳輸通道之間的自動切換來提高系統(tǒng)的容錯性。3)出色的環(huán)境適應性。MIL-STD-1553B總線可廣泛用于極端高溫等極端環(huán)境。

MIL-STD-1553B總線雖然具有上述優(yōu)點，但對于高度復雜的電子系統(tǒng)，仍存在某些限制，例如其總線數(shù)據(jù)速率只有1 Mbit/s，有限的容錯能力以及復雜的維護工作等。而FC-AE-1553采用了光纖通道技術(shù)，同時保留了MIL-STD-1553B總線的諸多優(yōu)點，因此FC-AE-1553相較于MIL-STD-1553B有了很大的改進。

由于映射MIL-STD-1553B協(xié)議，F(xiàn)C-AE-1553能夠利用現(xiàn)有的為MIL-STD-1553B航天器，航空電子網(wǎng)絡的系統(tǒng)設計硬件和軟件。由于采用了光纖通道技術(shù)，F(xiàn)C-AE-1553的數(shù)據(jù)速率可以達到1 Gbit/s或2 Gbit/s[4]。光纖通道采用8B/10B編碼，實際傳輸速率可達106.25 Mbit/s，可實現(xiàn)該傳輸速率的1/8，1/4 ，1/2構(gòu)建鏈路，該傳輸速率范圍能夠滿足可預見的未來宇宙飛船、航空電子系統(tǒng)網(wǎng)絡的需求。FC-AE-1553在端口到端口之間的數(shù)據(jù)傳輸延遲低于10 μs量級。

FC-AE-1553可通過銅線或光纖介質(zhì)傳輸，低成本的視頻同軸線物理層可達到1 Gbit/s的傳輸速率和25 m的傳輸距離。對于多模光纖，傳輸速率可擴展到500 m;對于單模光纖，將提供1000 m 以上的輸距離。在使用光纖作為介質(zhì)傳輸數(shù)據(jù)的前提下，可以提高航天器網(wǎng)絡傳輸?shù)目闺姶鸥蓴_能力[5]。FC-AE-1553的10-12位最大允許錯誤率使高可靠的數(shù)據(jù)傳輸成為可能，節(jié)省驗證數(shù)據(jù)的步驟，這樣就可以傳輸?shù)统杀镜膲K應用數(shù)據(jù)，如傳感器數(shù)據(jù)[6]。

和MIL-STD-1553B類似，F(xiàn)C-AE-1553也采取冗余設計，典型的網(wǎng)絡接口控制器由2個數(shù)據(jù)傳輸通道組成，一個是主通道，一個是備用通道。如果主通道傳輸出現(xiàn)故障問題，可切換到備用通道。FC-AE-1553支持不同的拓撲結(jié)構(gòu)，因此可以達到成本和性能之間的權(quán)衡。

除此之外，F(xiàn)ibre Channel是一個基于COTS的網(wǎng)絡，涉及Fibre Channel領(lǐng)域的民用企業(yè)在標準和產(chǎn)品供應方面擁有廣泛的技術(shù)基礎。ANSI光纖通道的標準制定始于1988年，涉及約80家民間公司，包括著名的Sun、IBM、希捷、惠普、戴爾和康柏等。這些公司的努力可以作為進一步發(fā)展FC-AE-1553技術(shù)的基礎。MIL-STD-1533B總線的成功源于其開放性，而光纖通道也是一種開放標準，因此光纖通道的標準制定工作將向所有組織開放。通過這種方式，將有越來越多的公司和組織參與FC-AE-1553的開發(fā)，推動FC-AE-1553的進一步完善。

1.3 FC-AE-1553在軍事和航天領(lǐng)域的應用

現(xiàn)代武器系統(tǒng)、航空航天系統(tǒng)趨于復雜化、精細化，為了保證各個子系統(tǒng)之間的通信穩(wěn)定、快速，其搭載的通信系統(tǒng)應該具有如下特點。

1)整體通信系統(tǒng)應該具有很強的抗干擾能力，因為在不同的環(huán)境下有著不同的電磁環(huán)境；

2)通信系統(tǒng)應設計靈活，易于修改；

3)通信子系統(tǒng)應具有很強的抗干擾能力；

4)通信子系統(tǒng)相對獨立工作，并且對應用程序軟件盡可能透明，盡量減少占用整個系統(tǒng)的通信時間。

FC-AE-1553滿足上述要求，因此在現(xiàn)代武器系統(tǒng)、航空航天系統(tǒng)、艦船系統(tǒng)中得到越來越廣泛的應用。自1973年美國制定MIL-STD-1553B以來，1553B系列的標準被廣泛應用于F-16，F(xiàn)-18和F-22等戰(zhàn)斗機。1553B總線傳輸介質(zhì)可以使用同軸電纜、屏蔽雙絞線和光纖電纜等，各個終端通過變壓器耦合或直接耦合到總線。FC-AE-1553總線的傳輸速率、傳輸距離和遠程終端數(shù)量符合中小型船舶和海底系統(tǒng)通信要求，因此也已廣泛用于海軍艦船。

作為陸軍的地面武器，所有類型的坦克都經(jīng)常在劇烈振動、嘈雜、多塵且溫度變化劇烈的惡劣環(huán)境中工作，因此內(nèi)部電子設備之間數(shù)據(jù)通信的故障檢測必須非常嚴格。為了實時控制發(fā)動機和變速器，它們之間的數(shù)據(jù)通信要求信息的最大響應時間盡可能短，以提高整個動力系統(tǒng)的整體性能。 FC-AE-1553總線具有高可靠性和良好的實時性，并且與集成了這種類型的數(shù)據(jù)通信的電力傳輸、大量數(shù)據(jù)和實時的集成控制的系統(tǒng)相比，它具有比絕大多數(shù)現(xiàn)有總線更大的性能優(yōu)勢。

隨著我國航天事業(yè)的蓬勃發(fā)展，航空航天電子系統(tǒng)越來越精密，功能復雜，因此航空航天的電子系統(tǒng)一體化、綜合化的程度越來越高，傳統(tǒng)的MIL-STD-1553B較低的傳輸寬帶愈發(fā)不能滿足航空航天電子的需求。除此之外，隨著人類探索太空腳步的不斷邁進，航空航天電子系統(tǒng)將面對比在地球更加復雜的電磁環(huán)境，比如太空探測器、人造衛(wèi)星，時刻暴露在宇宙射線輻射干擾下，需要抗干擾能力更強的設備。因此，以光纖作為信號傳輸介質(zhì)的FC-AE-1553在航空航天電子系統(tǒng)中的更多應用趨勢愈發(fā)明顯。就目前而言，國內(nèi)已經(jīng)將FC-AE-1553應用于實際工程領(lǐng)域，比如上海宇航系統(tǒng)工程研究所在某運載火箭上采用FC-AE-1553數(shù)據(jù)總線傳遞遙測數(shù)據(jù)。

FC-AE-1553總線作為重要的軍事數(shù)據(jù)總線，具有較高的傳輸速率、良好的環(huán)境適應性、電磁兼容性和冗余容錯能力。FC-AE-1553總線采用雙重冗余結(jié)構(gòu)，以確保良好的容錯能力和故障隔離能力。協(xié)議中采用的曼徹斯特編碼格式可確保錯誤的檢測位置和錯誤的隔離，字格式和消息傳輸格式確保糾錯和定位檢測，總線的傳輸介質(zhì)采用屏蔽雙絞線、光纖等介質(zhì)，并采用耦合方式與端子連接，有效抑制了外部電磁干擾，保證了通信的可靠性。因此，F(xiàn)C-AE-1553總線不僅在軍事領(lǐng)域中占有重要地位，而且在未來很長一段時間內(nèi)將繼續(xù)被應用。

2 1553B數(shù)據(jù)總線的研究重點方向

隨著我國航天事業(yè)的蓬勃發(fā)展，基于FC-AE-1553的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡正應用于航天工程研制，主要有如下研究方向：

1)增強1553B通信總線的安全性。1553B數(shù)據(jù)總線是一項軍事標準，定義了已在軍事和航空航天電子平臺中實施40多年的串行通信總線的規(guī)范。1553B數(shù)據(jù)總線專為實現(xiàn)較高容錯能力而設計，而對網(wǎng)絡安全問題的關(guān)注較少。目前已有學者對該方向進行研究，例如Stan等[7]通過集成基于機器學習的入侵檢測系統(tǒng)(IDS)來增強1553B數(shù)據(jù)總線的安全性。

2)實時更新1553B網(wǎng)絡的同步時間。目前的1553B通信網(wǎng)絡時間同步后不能自動對時，為解決此問題，Zhang等[8]設計了一種具有GPS模塊接口的FC-AE-1553網(wǎng)絡，通過GPS模塊接收器從衛(wèi)星接收包括時間、緯度和經(jīng)度在內(nèi)的信息，將從GPS接收器接收的數(shù)據(jù)傳輸?shù)紽C-AE-1553網(wǎng)絡，以對網(wǎng)絡進行時間同步。

3)將FC-AE-1553協(xié)議與其他技術(shù)相融合，以增強FC-AE-1553高可靠、低延遲、高帶寬。目前已有此方面的研究成果，例如 Fang等[9]設計了一種具有交換類型和總線類型的異構(gòu)FC-AE-1553網(wǎng)絡，主要實現(xiàn)方式是融合PON技術(shù)和FC-AE-1553協(xié)議。

4)動態(tài)帶寬調(diào)度。雖然FC-AE-1553具有較高的數(shù)據(jù)傳輸帶寬，但是面對FC-AE-1553交換網(wǎng)絡中的突發(fā)流量，可能會造成端口堵塞。目前，He 等[10]和姜國義等[11]探索了此方面的可行性，設計了動態(tài)帶寬調(diào)度方法，可以在硬件資源和功耗限制的前提下提高航空航天網(wǎng)絡的傳輸性能。

3 結(jié)論

本文比較了FC-AE-1553與MIL-STD-1553B兩種數(shù)據(jù)總線，F(xiàn)C-AE-1553相較于MIL-STD-1553B能夠滿足更多的子系統(tǒng)互聯(lián)，且有著更高的數(shù)據(jù)傳輸速率和可靠性，滿足新一代運載火箭系統(tǒng)的需求。隨著我國太空探索的腳步邁向深空，F(xiàn)C-AE-1553數(shù)據(jù)傳輸總線將在更多的型號任務中被廣泛應用，支撐我國航天事業(yè)的進一步發(fā)展。

除此之外，采用FC-AE-1553數(shù)據(jù)總線的系統(tǒng)能夠與傳統(tǒng)采用MIL-STD-1553B總線的系統(tǒng)之間進行通信，可以較為方便地對傳統(tǒng)系統(tǒng)進行升級，避免資源浪費。