通用1553B總線的信息監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘要：在航電系統(tǒng)維護(hù)過程中，為解決定位故障的效率和降低維修成本等問題，提出了基于ICD(Intedace Control Document，接口控制文件)的1553B總線的信息監(jiān)控系統(tǒng)模型。該系統(tǒng)運(yùn)用數(shù)據(jù)采集卡對(duì)總線中傳輸?shù)男盘?hào)有無失真、偏差等電氣特性進(jìn)行檢測(cè)，并使用1553B通訊卡通過測(cè)控軟件LabWindows／CVI編程與ICD數(shù)據(jù)庫(kù)的動(dòng)態(tài)鏈接，實(shí)現(xiàn)總線信息的解析和故障的判斷。與傳統(tǒng)的維護(hù)過程相比，這種模型能夠從信號(hào)的電氣特性以及信息的解析等全方位的去檢測(cè)判斷故障的來源，并且能夠廣泛在其他1553B總線系統(tǒng)內(nèi)擴(kuò)展應(yīng)用。驗(yàn)證表明該監(jiān)控系統(tǒng)可以對(duì)總線信息進(jìn)行快速有效地監(jiān)測(cè)分析，能滿足應(yīng)用需求。
關(guān)鍵詞：1553B總線；數(shù)據(jù)庫(kù)；總線監(jiān)控；ICD

    軍用數(shù)據(jù)總線MIL-STD-1553B標(biāo)準(zhǔn)因其可靠性高、傳輸速率高、易于擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)在飛行平臺(tái)的電子綜合化系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用，因此對(duì)該總線的不斷深入研究十分必要。
    在飛機(jī)的排故和維修過程中，尚不能快速有效地確定是該部分的某個(gè)子系統(tǒng)故障還是總線故障。當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，只有對(duì)該部位的子系統(tǒng)進(jìn)行逐一排故才能確定故障并維修，嚴(yán)重影響了工作效率。該監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)集成了對(duì)總線中傳輸信號(hào)電氣特性的檢測(cè)、傳輸數(shù)據(jù)的有效性判斷以及實(shí)時(shí)比對(duì)ICD的傳輸信息解析，從而能夠加快維修時(shí)的排故速度并減輕地勤人員的工作負(fù)擔(dān)。

1 系統(tǒng)概述
1．1 1553B總線簡(jiǎn)介
    MIL-STD-1553B是一種時(shí)分制指令／響應(yīng)式多路傳輸數(shù)據(jù)總線。其總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括總線控制器(BC)、總線監(jiān)聽器(BM)及遠(yuǎn)程終端(RT )?？偩€上的信息是以消息的形式調(diào)制成曼徹斯特碼進(jìn)行傳輸?shù)?。每條消息最長(zhǎng)由32個(gè)字組成，所有的字分為三類：命令字、數(shù)據(jù)字和狀態(tài)字。每類字的長(zhǎng)度為20位，有效信息位是16位，每個(gè)字的前3位為單字的同步字頭，最后1位是奇偶校驗(yàn)位。有效信息(16位)及奇偶校驗(yàn)位在總線上以曼徹斯特碼的形式進(jìn)行傳輸，傳輸一位的時(shí)間為1μs(即碼速率為1 MHz)。如圖1所示為總線信息字的格式。

1．2 系統(tǒng)分析
    在信息傳輸出現(xiàn)故障時(shí)，首先要考慮兩類故障，一是總線磨損等而導(dǎo)致的信息傳輸失真，無法識(shí)別，此時(shí)需要對(duì)總線進(jìn)行檢查、維修或是更換；二是對(duì)應(yīng)的某個(gè)子設(shè)備出現(xiàn)通信故障，此時(shí)需要根據(jù)所傳輸數(shù)據(jù)判斷故障類型，以達(dá)到迅速維修的目的。因此既要根據(jù)國(guó)軍標(biāo)要求對(duì)總線傳輸信號(hào)的電氣特性進(jìn)行條件判斷，也要對(duì)傳輸?shù)男畔⒆值膬?nèi)容及其有效性進(jìn)行判斷分析。
    該系統(tǒng)在框架上由總線數(shù)據(jù)采集和信息監(jiān)控兩大模塊組成，分別實(shí)現(xiàn)不同的系統(tǒng)功能。
2 硬件組成
    硬件部分由工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、研華多功能高速數(shù)據(jù)采集卡PCI1714和成都恩菲特公司生產(chǎn)的1553B接口卡EPH6273構(gòu)成。
2．1 數(shù)據(jù)采集模塊
    數(shù)據(jù)采集模塊的關(guān)鍵部分就是數(shù)據(jù)采集卡。1553B總線傳輸?shù)穆鼜厮固卮a的速率是1 Mb／s。根據(jù)香儂采樣定理：要使信號(hào)采樣后能夠不失真還原，采樣頻率必須大于信號(hào)最高頻率的兩倍，即fs≥2fmax，工程上一般選擇fs=(5～10fmax。采集卡PCI1714最高采樣速率為30MS／  s，32k的FIFO，支持4通道模擬輸入。模擬信號(hào)進(jìn)入數(shù)據(jù)采集卡后，采集卡對(duì)其進(jìn)行調(diào)理、采集、緩存，并將信號(hào)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移存入計(jì)算機(jī)的硬盤，計(jì)算機(jī)在應(yīng)用程序的控制下，進(jìn)而對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、運(yùn)算，最后把數(shù)據(jù)和定性判斷結(jié)果在生成的面板上顯示。圖2是信號(hào)采集系統(tǒng)的功能框圖。

2．2 信息監(jiān)控模塊
    信息監(jiān)控模塊的硬件核心就是1553B通訊卡。該卡是1個(gè)雙通道、多功能的PCI接口卡，可同時(shí)模擬和實(shí)現(xiàn)總線控制(BC)、遠(yuǎn)程終端(RT)、總線監(jiān)控(BM)功能，隨卡提供了驅(qū)動(dòng)安裝程序和豐富的1553B總線接口函數(shù)。1553B通訊卡通過PCI總線把計(jì)算機(jī)和機(jī)載設(shè)備相連接，實(shí)現(xiàn)通信時(shí)，需要識(shí)別總線傳輸?shù)拿總€(gè)信息字，把該信息字的內(nèi)容在ICD中查詢解析，迅速判斷傳輸內(nèi)容的意義并反饋給操作者。

3 軟件組成
    軟件部分是系統(tǒng)的核心，其目的是以簡(jiǎn)便的界面實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)操作，并通過數(shù)據(jù)采集和信息監(jiān)控2個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的整體功能。軟件部分主要有3部分組成，人機(jī)交互界面、數(shù)據(jù)采集程序、ICD數(shù)據(jù)庫(kù)。
3．1 軟件環(huán)境
    本系統(tǒng)是在Windows XP環(huán)境下，通過LabWindows／CVI和Microsoft Access相結(jié)合實(shí)現(xiàn)的。
    LabWindows／CVI是一個(gè)完全的ANSI C開發(fā)環(huán)境，用于儀器控制、自動(dòng)檢測(cè)、數(shù)據(jù)處理的應(yīng)用軟件。Access數(shù)據(jù)庫(kù)是Microsoft公司推出的微機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，具有界面友好、易學(xué)易用、開發(fā)簡(jiǎn)單、接口靈活等特點(diǎn)，是典型的新一代桌面數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)。LabWindows／CVI開發(fā)環(huán)境提供了對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的支持能力，可以實(shí)現(xiàn)多種異構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)的訪問和維護(hù)，但它必須安裝CVI SQL Tookit工具包。工具包中一共包含了11個(gè)子類的函數(shù)庫(kù)，這些數(shù)據(jù)庫(kù)編程API使LabWindows／CVI編寫的上層應(yīng)用程序?qū)?shù)據(jù)庫(kù)的訪問得以實(shí)現(xiàn)，進(jìn)一步增強(qiáng)了可移植性。
3．2 人機(jī)交互界面
    界面面板主要裝載菜單、按鈕和圖形顯示等控件。菜單欄包括系統(tǒng)管理、數(shù)據(jù)采集、信息監(jiān)控、數(shù)據(jù)庫(kù)管理、其他功能和幫助。其中，系統(tǒng)管理包含有登陸系統(tǒng)、修改密碼、注銷和退出系統(tǒng)；數(shù)據(jù)采集包含初始化、數(shù)據(jù)查看；信息監(jiān)控包含初始化、信息顯示；數(shù)據(jù)庫(kù)管理包含修改、查詢；其他功能有用戶管理、顯示日志。
    每個(gè)界面也都有對(duì)應(yīng)菜單項(xiàng)的各個(gè)功能按鈕，采集面板包含參數(shù)設(shè)置、開始采集、保存、數(shù)據(jù)處理、退出等，信息監(jiān)控面板包含有文件、功能、數(shù)據(jù)庫(kù)、幫助等。圖形顯示功能使用控件Strip Chart及其對(duì)應(yīng)函數(shù)PlotStripChart組合構(gòu)成，傳輸信息的讀取采用調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)并用表格進(jìn)行迅速顯示的方法。圖3為系統(tǒng)的部分界面。

3．3 數(shù)據(jù)采集部分
    數(shù)據(jù)采集是通過開始按鈕的回調(diào)函數(shù)start來實(shí)現(xiàn)的。采用同步繪制信號(hào)波形的方法，以直觀實(shí)時(shí)的觀察信號(hào)的特征：采用多線程條件下的DMA傳輸方式高速采樣，數(shù)據(jù)在沒有CPU介入的情況下直接在設(shè)備和內(nèi)存間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的有效傳輸，以實(shí)現(xiàn)最快的數(shù)據(jù)傳輸方式。使用研華多功能卡數(shù)據(jù)采集的原理框圖如圖4所示。

    具體測(cè)試性能都應(yīng)滿足國(guó)軍標(biāo)的要求，如終端的線間輸出電壓峰-峰值應(yīng)在6．0～9．0 V范圍內(nèi)；波形過零點(diǎn)與理想過零點(diǎn)的偏差等于或小于25．000 ns；上升下降沿時(shí)間分別為TR和TF，按峰-峰值10％～90％之間測(cè)量，應(yīng)滿足100 ns≤TR≤300 ns，100 ns≤TF≤300 ns。保存信號(hào)波形便于觀察，同時(shí)通過保存的波形數(shù)據(jù)，計(jì)算其峰-峰值、輸出噪聲以及上升下降沿所需的時(shí)間等來判斷傳輸信號(hào)是否符合標(biāo)準(zhǔn)的要求，然后在面板界面上顯示給操作者。圖5為在LabWindows／CVI環(huán)境下實(shí)驗(yàn)時(shí)對(duì)常見波形的數(shù)據(jù)采集波形圖。

3．4 信息監(jiān)控部分
    ICD是通用航空電子總線監(jiān)控系統(tǒng)的核心部分，它給出了航空電子系統(tǒng)規(guī)范中所定義的電氣和電子接口的詳細(xì)說明，包含了一整套總線系統(tǒng)數(shù)據(jù)的定義，諸如控制方式、信號(hào)類型、編碼形式、故障代碼等各種信息，可以分為：塊(Blocks)和信號(hào)(Signals)兩部分。塊是在串行通信總線上的接口，定義了航空電子系統(tǒng)各個(gè)子系統(tǒng)間的接口規(guī)范，包含總線識(shí)別、信號(hào)源代碼和目的代碼、物理和邏輯信號(hào)等；信號(hào)是用于外場(chǎng)可更換單元之間傳輸?shù)淖钚?shù)據(jù)單位，在ICD中必須定義所有信號(hào)的數(shù)據(jù)屬性?？驁D6即是ICD監(jiān)控模塊的軟件流程，顯示了整個(gè)信息監(jiān)控模塊的功能實(shí)現(xiàn)情況。

    ICD的數(shù)據(jù)采用數(shù)據(jù)庫(kù)管理的形式，其設(shè)計(jì)是將接口控制文檔抽象成數(shù)據(jù)庫(kù)的許多描述表，表中內(nèi)容按照數(shù)據(jù)類型形成數(shù)據(jù)記錄，代表了塊／信號(hào)的數(shù)據(jù)模型，然后通過自頂向下的層次劃分方法，將龐大的ICD切分成邏輯上互相關(guān)聯(lián)、結(jié)構(gòu)上互相獨(dú)立的數(shù)據(jù)描述表結(jié)構(gòu)。描述表中塊的格式為A／ACC1／10-00-01，其中A代表總線字母，AC為信號(hào)目的設(shè)備代碼，C1為信號(hào)源設(shè)備代碼，后邊的數(shù)字串代表邏輯塊號(hào)和物理塊號(hào)。在信號(hào)傳輸過程中，塊號(hào)是唯一的。傳輸?shù)拿钭挚梢远ㄎ辉丛O(shè)備和目的設(shè)備(如ACC1)，然后判斷后邊數(shù)據(jù)字的內(nèi)容從ICD中迅速查找對(duì)應(yīng)的塊號(hào)，在界面上實(shí)時(shí)的顯示其含義，能夠有效幫助操作者分析通信狀態(tài)及信息。

4 結(jié)束語(yǔ)
    本文提出了對(duì)1553B總線信息的監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，引入信號(hào)電氣特性的檢測(cè)，從而豐富了系統(tǒng)的檢查范圍；測(cè)控軟件與數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)相結(jié)合，使測(cè)試數(shù)據(jù)的處理過程更為優(yōu)化；數(shù)據(jù)采集和信息監(jiān)控兩個(gè)模塊的有機(jī)結(jié)合使該系統(tǒng)的功能大大完善。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想及方法在效能上能滿足地勤人員對(duì)飛機(jī)航電系統(tǒng)的維護(hù)、維修要求，對(duì)其他類似的工程應(yīng)用也具有很好的借鑒意義。