1553B 總線數(shù)據(jù)快速處理軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張志國，劉學(xué)

（91550 部隊(duì)，遼寧 大連 116023）

在飛行實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，需要對(duì)1553B 數(shù)據(jù)進(jìn)行事后處理與分析[1]。傳統(tǒng)做法是首先將1553B 控制文檔（Interface Control Document，ICD）錄入到數(shù)據(jù)庫中，然后調(diào)用ICD數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索查詢處理。而ICD一般比較復(fù)雜，一條消息需要多層數(shù)據(jù)庫表才能完整表述，因此數(shù)據(jù)庫錄入人員工作量大，維護(hù)成本高。在數(shù)據(jù)處理階段，需要調(diào)用多層父子表進(jìn)行查詢，取出基本信息再重新組合出命令字進(jìn)行檢索，大大影響了數(shù)據(jù)處理速度。針對(duì)以上不足，該文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了1553B總線數(shù)據(jù)快速處理系統(tǒng)，內(nèi)部采用自定義數(shù)據(jù)模型簡化ICD 結(jié)構(gòu)，處理時(shí)運(yùn)用多線程技術(shù)，提高了數(shù)據(jù)處理效率。

1 MIL-STD-1553總線介紹

MIL-STD-1553 全稱為“飛機(jī)內(nèi)部時(shí)分制命令/響應(yīng)式多路復(fù)用數(shù)據(jù)總線”，它是一種總線標(biāo)準(zhǔn)，20世紀(jì)70 年代由美國軍方公布[2-3]，一般縮寫為1553B，其國內(nèi)對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)為GJB289A-97。相比于其他總線，其具有高效靈活、配置性較強(qiáng)的特點(diǎn)[4]。隨著武器系統(tǒng)的升級(jí)換代和測控裝備、被試品數(shù)據(jù)傳輸能力的提高，1553B 協(xié)議在靶場遙測數(shù)據(jù)處理中得到了廣泛應(yīng)用。

圖1 1553B總線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

終端是使數(shù)據(jù)總線和子系統(tǒng)相連接的電子組件。子系統(tǒng)為從多路數(shù)據(jù)總線上接收數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)的裝置或功能單元。總線控制器(BC)是總線系統(tǒng)組織信息傳輸?shù)慕K端。總線監(jiān)視器(BM)是總線系統(tǒng)中指定作接收且記錄總線上傳輸?shù)男畔⒉⒂羞x擇地提取信息以備后用的終端。遠(yuǎn)程終端(RT)是總線系統(tǒng)中不作為總線控制器或總線監(jiān)視器的所有終端[5-6]。1553B 總線的傳輸速度是1 MB/s，采用曼切斯特Ⅱ型編碼，半雙工工作方式。

2 快速處理軟件設(shè)計(jì)

2.1 命令字生成

命令字由20 個(gè)信息位組合而成，這些組合信息包括3 位同步頭、5 位遠(yuǎn)程終端地址字段、1 位發(fā)送（接收）位（T/R）、5 位子地址（方式）字段、5 位數(shù)據(jù)字計(jì)數(shù)（方式代碼）字段及1 位奇偶校驗(yàn)位（P）[7-9]，按照從高到低的順序依次排列，其結(jié)構(gòu)如圖2 所示。在軟件生成命令字時(shí)，不考慮同步頭和校驗(yàn)位作為輸入項(xiàng)，命令字占16 位，共兩個(gè)字節(jié)。

圖2 1553B命令字結(jié)構(gòu)

遠(yuǎn)程終端地址段占用16 位命令字的高5 位[10]。總線上的每一個(gè)遠(yuǎn)程終端分配有一個(gè)地址編號(hào)，編號(hào)范圍從0 到30。地址值31 為廣播地址，其被系統(tǒng)保留不可占用[11-12]。發(fā)送/接收位（即第11 位）定義遠(yuǎn)程終端操作模式，邏輯0 表示遠(yuǎn)程終端接收數(shù)據(jù)，邏輯1 表示遠(yuǎn)程終端發(fā)送數(shù)據(jù)。子地址（方式）字段（即第6-10 位）用來表示遠(yuǎn)程終端的子地址編號(hào)，編號(hào)范圍為1～30[13]。數(shù)據(jù)字計(jì)數(shù)（方式代碼）字段（即第1-5 位）表示數(shù)據(jù)發(fā)送、接收字節(jié)數(shù)[14]，其長度最大值為32 字節(jié)。其中，最大值32 字節(jié)的表示方式比較特殊，用全0 表示。

命令字分為發(fā)送命令字和接收命令字，其區(qū)別僅僅在于發(fā)送/接收位不同，0為接收命令字，1為發(fā)送接收字。在軟件生成命令字時(shí)，只需輸入相應(yīng)的遠(yuǎn)程終端地址、T/R、子地址、數(shù)據(jù)字計(jì)數(shù)，按照相應(yīng)的位置順序進(jìn)行組合，采用位移操作即可完成命令字生成。

2.2 消息結(jié)構(gòu)定義

被測參數(shù)測量值封裝成消息(Message)的形式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，消息最大長度為32 個(gè)字長度[15]。消息分別由三部分組成:命令字、數(shù)據(jù)字和狀態(tài)字。每條消息以命令字開頭，命令字分為接收命令字和發(fā)送接收字，根據(jù)傳輸模式不同，確定命令字排列結(jié)構(gòu)。狀態(tài)字位于每條消息結(jié)尾或者緊鄰命令字，它用于標(biāo)識(shí)該條消息格式是否正確、消息來自哪條總線等信息[16]。數(shù)據(jù)字位于命令字或狀態(tài)字后面，記錄了所有被測參數(shù)。在事后處理時(shí)，一般只考慮BC-RT、RT-BC、RT-RT 這3 種傳輸模式。1553B 消息結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 1553B消息結(jié)構(gòu)

接收命令字和發(fā)送命令字的組合能夠唯一確定一條消息，因此可以此作為全局消息標(biāo)識(shí)。消息定義還應(yīng)包含參數(shù)個(gè)數(shù)、命令長度、傳輸模式，此3 項(xiàng)用以計(jì)算接收命令字和發(fā)送命令字。針對(duì)消息里的每一個(gè)測量參數(shù)，通過參數(shù)序號(hào)、參數(shù)名稱、代號(hào)、單位、數(shù)據(jù)類型、輸出類型、系數(shù)等屬性加以描述。

2.3 消息解析

消息解析的目的是將1553B 文件中的每一條消息提取出來，按照數(shù)據(jù)字協(xié)議進(jìn)行參數(shù)物理量還原，并按用戶要求的格式進(jìn)行輸出。首先，將文件讀入到內(nèi)存中，便于后續(xù)進(jìn)行數(shù)組下標(biāo)操作；然后讀取消息配置文件，讀取命令字、參數(shù)個(gè)數(shù)、傳輸模式等消息基本信息，包括每個(gè)參數(shù)的參數(shù)序號(hào)、參數(shù)名稱、代號(hào)、單位、數(shù)據(jù)類型、輸出類型、系數(shù)等屬性；最后根據(jù)命令字頭提取每條消息，對(duì)消息中每個(gè)參數(shù)按處理公式進(jìn)行物理量還原。為提高處理效率，使用多線程技術(shù)對(duì)每一個(gè)消息單獨(dú)啟動(dòng)一個(gè)線程進(jìn)行消息解析。

把握了上述三類“道”義，我們不難看出作者的思想，這有助于對(duì)“道”的英譯。然而，文中“道”的含義廣博，尤其是儒道之“道”，很難在英語世界找到相應(yīng)的對(duì)應(yīng)詞，獲得傳神達(dá)意的得體譯本。筆者姑且選取劉師舜、楊憲益、戴乃迭夫婦以及羅經(jīng)國這三個(gè)經(jīng)典譯本（以下分別簡稱劉譯、楊譯、羅譯），將對(duì)應(yīng)的“道”的譯文摘出，按上文“道”的釋義及分類順序分別列舉如下（粗體為筆者所加）：

3 快速處理軟件實(shí)現(xiàn)

軟件系統(tǒng)主要由命令字生成模塊、消息結(jié)構(gòu)定義模塊、消息解析模塊構(gòu)成。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.1 命令字生成模塊

命令字生成模塊接收界面輸入的信源信息（遠(yuǎn)程終端地址、子地址）、信目信息（遠(yuǎn)程終端地址、子地址）、數(shù)據(jù)字計(jì)數(shù)，根據(jù)命令字編碼規(guī)則生成命令字。操作界面如圖5 所示。

圖5 命令字生成操作界面

命令字生成流程根據(jù)三種不同的消息結(jié)構(gòu)流程有所不同：

1）首先判斷數(shù)據(jù)字計(jì)數(shù)是否等于32 字節(jié)，若相等，長度變?yōu)?；

2）針對(duì)BC-RT 傳輸模式，設(shè)置T/R 數(shù)據(jù)位為0，將信目終端地址左移11 位、T/R 左移10 位、信目子地址左移5 位，與數(shù)據(jù)字計(jì)數(shù)執(zhí)行按位與操作，得到接收命令字；

3）針對(duì)RT-BC 傳輸模式，設(shè)置T/R 數(shù)據(jù)位為1，將信目終端地址左移11 位、T/R 左移10 位、信目子地址左移5 位，與數(shù)據(jù)字計(jì)數(shù)執(zhí)行按位與操作，得到發(fā)送命令字；

4）針對(duì)RT-RT 傳輸模式，首先參照BC-RT 模式得到接收命令字，然后參照RT-BC 模式得到發(fā)送命令字，最后將接收命令字左移16 位與發(fā)送命令字取與得到命令字組合。

命令字生成流程如圖6 所示。

圖6 命令字生成流程

3.2 消息結(jié)構(gòu)定義模塊

一條1553B 信息由命令字、多個(gè)數(shù)據(jù)字、狀態(tài)字組成。狀態(tài)字不參與解析，因此消息結(jié)構(gòu)只需包括基本信息和參數(shù)信息兩大部分。其中命令字是全局唯一的，可以此為關(guān)鍵字作為記錄索引。命令字由用戶界面輸入的命令長度、傳輸模式、參數(shù)個(gè)數(shù)計(jì)算得出，因此基本信息部分包括命令字組合、命令長度、傳輸模式、參數(shù)個(gè)數(shù)4 個(gè)元素。參數(shù)信息由多個(gè)參數(shù)組成，每一個(gè)測量參數(shù)包含參數(shù)名稱、代號(hào)、單位、數(shù)據(jù)類型、輸出類型、系數(shù)、位控位置等屬性。消息結(jié)構(gòu)如圖7 所示。

圖7 消息結(jié)構(gòu)

考慮到數(shù)據(jù)錄入、查詢的便利性和后續(xù)并行化快速解析，每一條消息結(jié)構(gòu)用ini 配置文件進(jìn)行存儲(chǔ)，這樣可同時(shí)避免命令字與參數(shù)之間的復(fù)雜關(guān)聯(lián)。

3.3 消息解析模塊

該模塊讀取配置文件的基本信息和參數(shù)信息，對(duì)每一條1553B 消息進(jìn)行解析、處理，并按用戶要求的格式進(jìn)行輸出。為提高處理速度，以多線程方式調(diào)用解析模塊，每一個(gè)1553B 配置文件啟動(dòng)一個(gè)線程。其具體流程如下：

1）讀取配置文件，獲取命令字、命令長度、參數(shù)個(gè)數(shù)、傳輸模式等消息基本信息和參數(shù)類型、系數(shù)等屬性；

2）讀取原始數(shù)據(jù)文件到內(nèi)存，并構(gòu)造CRC 校驗(yàn)表；

3）以讀入的命令字為查詢條件在內(nèi)存塊中進(jìn)行遍歷，定位后將指針以命令長度進(jìn)行偏移得到CRC校驗(yàn)碼，并與計(jì)算得到的CRC 校驗(yàn)碼進(jìn)行比較；

4）按照數(shù)據(jù)類型逐個(gè)讀取參數(shù)，并調(diào)用系數(shù)進(jìn)行量綱還原。考慮到大量的磁盤I/O 操作會(huì)耗時(shí)明顯，將結(jié)果緩存到一定大小再一次性輸出到文本文件。

消息解析流程如圖8 所示。

圖8 消息解析流程

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

分三次采集1553B 原始數(shù)據(jù)進(jìn)行文件存盤，大小分別為58 MB、116 MB、232 MB，每個(gè)數(shù)據(jù)包含BC-RT、RT-BC、RT-RT 三種傳輸模式和72 個(gè)命令字組合。處理計(jì)算機(jī)配置為32 GB 內(nèi)存、1 T 固態(tài)硬盤、雙Intel Xeon 4110 CPU。采用傳統(tǒng)處理方法和快速處理方法兩種方式，對(duì)采集的3 次1553B 數(shù)據(jù)進(jìn)行耗時(shí)統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表1 所示。

表1 處理耗時(shí)統(tǒng)計(jì)對(duì)比

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，快速處理方法相比傳統(tǒng)處理方法耗時(shí)顯著減少，處理效率有較大提升。快速處理方法耗時(shí)與數(shù)據(jù)大小、需要處理的命令字?jǐn)?shù)量正相關(guān)。

5 結(jié)論

針對(duì)當(dāng)前1553B 總線消息處理軟件參數(shù)裝訂復(fù)雜、處理速度慢的問題，該文提出了一種快速解析處理方法。提前解算命令字，并以此為消息唯一標(biāo)識(shí)符進(jìn)行多線程檢索；自定義消息結(jié)構(gòu)，取代復(fù)雜的ICD 數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)。實(shí)測處理結(jié)果表明，該方法可維護(hù)性較強(qiáng)，處理速度快，對(duì)1553B 數(shù)據(jù)處理效率有較大的提升。