王文萱，翟正军

　　（西北工业大学 计算机学院，陕西 西安 710129）

　　摘要：1553B总线在航空、航天、舰船等嵌入式高可靠实时通信领域占有重要地位。分析了1553B总线终端的组成，归纳比较了DDC公司研制的多款1553B总线处理器的发展变化的特征，应用该公司集成度最高的1553B总线处理器，设计了小型化的1553B总线终端，与采用集成度较低的1553B处理器完成的设计方案进行了比较。结果表明，所设计的终端在体积、功耗、重量方面降幅均超过60%。

　　关键词： 1553B总线；总线终端；通信处理器

0引言

　　数字式时分制指令响应型多路传输总线1553B标准最初是由美国为研制联合式航空电子系统制定的通信标准。由于1553B总线在航电系统上的应用大大提高了飞机的性能，因而逐步扩展到舰船、航天等高可靠通信领域。虽然1553B总线已发展应用了30年，但由于1553B总线具有集中控制简单、实时响应、容错可靠、便于维护、技术成熟等优势，因此在航空、航天、舰船等嵌入式高可靠实时领域1553B总线依然占有重要的地位。以最新型的欧洲宽体客机A350XWB为例，在机载局域网中采用了1553B总线实现联网通信。

　　嵌入式高可靠实时系统功能与性能发展的同时，对系统的体积、功耗、重量等要求也愈来愈高，在基于1553B总线互联的系统中，每个设备都需要1553B终端才能接入到总线中，因此1553B总线终端在系统中占有相当的比重。在满足系统通信要求下，降低1553B总线终端的设计复杂度，减少体积、功耗、重量，成为1553B终端设计人员的一项重要的追求目标。

　　美国数字设备公司（DDC）［1］在1553B总线器件研发、制造及应用方面占有重要的地位，本文以其不断推新发展的1553B总线处理器芯片为研究对象，分析归纳了DDC公司将原来与1553B终端实现相关的外围器件不断集成到1553B总线通信处理器中，而且不断扩展1553B总线通信处理器内部可编程能力的趋势，使读者了解1553B总线通信处理器功能不断增强、集成度不断提高的特点，为设计人员选择合适的1553B总线通信处理器提供参考，以满足系统1553B总线功能要求的同时，也能满足对1553B总线终端的体积、功耗、重量的指标约束条件。

11553B总线终端构成

　　1553B总线传输速率为1 Mb/s，传输媒介为屏蔽双绞线，可接入32个终端，终端共有三种类型：总线控制器（Bus Controller，BC）、远程终端（Remote Terminal，RT）和总线监视器（Bus Monitor，BM）。BC是总线上唯一能组织数据消息传输的终端；RT是接受总线上BC控制，完成消息发送或接收的终端；BM是接收总线上消息并能有选择记录的终端，其仅“监控”总线上信息传输但不参与总线的通信。在嵌入式高可靠实时系统中，1553B总线为双余度拓扑结构，所有1553B总线终端设备通过变压器耦合方式挂接在总线网络上［2］。

　　采用变压器耦合方式的1553B总线终端硬件包括：主机接口电路、消息存储器、1553B协议处理器、双余度总线收发器和隔离变压器。通用的1553B总线终端硬件构成如图1所示。

　　主机接口电路、实现主机地址、数据及控制总线到终端内部总线的缓冲隔离及控制。消息存储器支持主机与终端内部1553B协议处理器对1553B总线消息数据的存储、读写访问，需要设计消息存储器共享互斥访问控制电路，以达到两者可正确访问。

　　1553B协议处理器按照1553B协议要求，首先完成1553B的ManchesterⅡ码编译码、数据串并转换与并串转换、数据字同步头的产生与检测、奇校验；其次根据主机规定，作为BC、RT或BM完成总线传输中的任务。作为BC，组织消息的发送与正确性判断；作为RT，完成对指令字的识别、状态字的自动响应；作为BM，完成对所有或部分要求监控的消息监控并记录。1553B协议处理器是终端的控制核心，不仅要访问消息存储器完成1553B消息数据的收发及相应状态的修改，而且要与双余度1553B总线收发器连接，将串行数据发送到发送器或从接收器接收串行数据，还要提供主机可编程接口能力，由主机控制终端的角色、运行或读取终端的实时状态，在主机通信软件管理下完成1553B总线传输任务。双余度1553B总线收发器能够将TTL电平的串行Manchester码与双极性的Manchester码相互转化。两路隔离变压器，源端与双余度1553B总线收发器连接，次端与1553B总线的两条主电缆耦合器分别相连。

21553B通信处理器的变化分析与比较

　　从上面1553B总线终端构成可见，为完成1553B总线通信任务，需要至少五部分功能单元电路。

　　在2000年前，1553B总线生产厂家如UTMC、NHI等公司的1553B协议处理器、总线收发器、变压器等均是独立的器件，因此设计1553B总线终端需要十多个元器件，硬件模块体积大、重量重、功耗大。

　　DDC公司首先认识到集成的必要性和发展趋势，于1995年推出了集成度大幅度提高的1553B先进通信引擎（ACE）器件［3］，是高集成度的1553B总线通信处理器。 ACE单一器件包含了子系统（设备）主机接口隔离电路、消息存储器、1553B协议处理器、双余度总线收发器，实现的主要功能包括：

　　（1）BC/RT/BM协议一体化设计，由软件配置工作角色；

　　（2）主处理器接口，灵活多样，支持8/16 bit模式，可零等待或插入等待；

　　（3）消息存储器，64 KB RAM，包含主机与内部协议访问的互斥访问控制；

　　（4）内置双余度总线收发器，单5 V供电；

　　（5）增强BC功能的特征：支持自动重试、可编程间隔时间、帧自动重复、可编程响应超时时间；

　　（6）增强RT功能的特征：可编程命令非法化表，可选择单消息缓冲、双缓冲、环形缓冲和全局环形缓冲，独立的方式命令中断，可根据子地址进行忙位编程；

　　（7）增强BM功能的特征：选择消息监控特征，提供可编程触发选项。

　　随着半导体微电子工艺水平的发展和提高，在对1553B终端设计要求不断提高的外界需求推动下， 以ACE为基础，通过集成外部器件提高集成度、改变封装缩小体积、增强内部新的功能扩展通用性等措施，DDC公司在1999年、2004年、2011年和2013年分别推出了MiniACE、MicroACE、TotalACE、TotalACEXtreme四款产品。下面分别说明这四款典型处理器的主要特点。

　　（1）MiniACE将ACE的DIP封装改为“Flat Pack”封装，体积压缩为25.4 mm×25.4 mm×3.3 mm。相比ACE仅有的CPU局部总线接口，扩展提供了一种PCI总线的接口，为1553B终端作为PCI总线的从设备提供了无缝连接。但需要外接两个隔离变压器。（2）MicroACE在MiniACE基础上，不仅增强了BC的编程能力，包括十余种总线表判定、分支、循环操作码等，方便了用户对总线的控制，而且改为BGA封装，体积压缩到20.7 mm×20.7 mm×3.3 mm。提供CPU局部总线接口或PCI总线接口。需要外接两个隔离变压器。（3）TotalACE在MicroACE之上，内部集成了两个隔离变压器，是BGA封装，体积为27.9 mm×15.2 mm×4.7 mm，也提供CPU局部总线接口或PCI总线接口。不需要外接两个隔离变压器。（4）TotalACEXtreme在TotalACE基础上，增强了能同时做多个RT的功能。采用更小的BGA封装，体积缩小为16 mm×16 mm×4.7 mm；提供CPU局部总线接口或PCI总线接口。不需要外接两个隔离变压器。

　　总结DDC公司以上五款1553B通信处理芯片的特征，比较如表1所示。

31553B总线终端设计

　　采用UTMC公司低集成度1553B协议处理芯片BCRTM为核心器件［45］，需要增加外部存储器、双余度收发器、两个隔离变压器、主机接口隔离电路、仲裁电路、译码电路、时钟电路等，需要至少10多个功能器件，才能实现一个1553B总线终端，如图2所示。

　　图2基于低集成度的BCRTM芯片的终端设计框图

　　而采用最新的Total-ACEXtreme高集成度芯片［6］，因其内部集成了绝大多数电路，只需要再增加时钟、简单的主机接口访问译码电路即可构建一个比UT1553B BCRTM方案功能更全（支持多个RT同时工作、RT&BM模式等功能）的1553B总线终端，如图3所示。

　　图3基于高集成度TotalACEXtreme的终端设计框图对比采用集成度较低的UT1553B BCRTM芯片与采用集成度最高的TotalACEXtreme芯片构建1553B总线终端的两种设计方案，后者占用电路板的面积节省了70％，重量减轻约60％，功耗降低约60％，因而大大降低了1553B总线终端的体积、功耗、重量，为系统设计节省了宝贵的资源。

4结论

　　本文介绍了1553B总线终端的功能单元构成，通过分析DDC公司推出的五款1553B总线处理器的技术特征和发展趋势，说明随着集成电路水平的提高，1553B总线通信处理器集成的功能电路数量不断增加、完成的功能愈来愈强大、体积越来越小；同时与主设备的接口趋向简单化、服务趋向透明化，从而为1553B设计人员降低1553B总线终端硬件设计复杂度，减少体积、功耗与重量的目标奠定了基础。

参考文献

　　［1］ MILSTD1553B Designer′s Guide［Z］.Data Device Corporation.

　　［2］ 张浩.嵌入式1553B总线通信卡的设计与研究［D］.南京：南京理工大学,2008.

　　［3］ BU65170/61580 Advanced Communication Engine (ACE) Data Sheet［Z］. Data Device Corporation.

　　［4］ UT1553B BCRTM manual［Z］. United Technology MicroElectrical Corporation.

　　［5］ 刘士全,黄正,蔡洁明,等.1553B总线应用竞争访问时序分析［J］.微型机与应用,2015,34(1):6971.

　　［6］ TotalAceXtremeTM BU67301B Data Sheet［Z］. Data Device Corporation.