4.3.1 1553B总线
4.3.1.1 1553B总线简述
MIL-STD-1553B总线接口（简称“1553B总线接口”），是基于1973年美军发布的一种多路传输数据总线标准，广泛应用于航空、航天等领域。基于该标准设计的总线是数字式时分制指令/响应型多路传输数据总线。时分制多路传输是指在一个通信系统中，通过对来自若干个信号源的信号在时间上错开采样，形成一个组合的脉冲序列，最终满足在系统中任意两个终端间均能相互交换信息的一种传输方式。作为一种时分制指令响应型串行多路数据传输总线，其数据传输具有可靠性高、安全性高、协议简单和使用方便等特点，在我国航天领域中的应用也十分广泛，现已成功应用于载人航天、深空探测、导航及大型通信卫星等工程中。它具有一般计算机网络没有的优势，具体如下：
（1）支持指令/响应的方式异步操作。它是一种以命令、响应及类似广播的方式分布处理通信方式的通信网络。通信网络上最多能够接入32个终端，全部的终端共同分享一条消息的传输信道，BC端可以通过“广播”的形式对所有RT端同时发出消息数据，传送中的消息可以被所有的RT端进行接收处理，接收到消息的RT端通过地址来对不同消息进行识别。
（2）高可靠性。任何一个RT端出现了任何的故障都不会影响整个通信网络包括其余终端的正常运行，而BC端则需要通过对其进行备份来提高1553B总线的可靠性，也就是说，当BC端出现故障后，BC端能够将总线控制权转移到备份BC端，备份BC端能够完全代替之前的终端继续工作。整个通信网络对总线本身的故障非常敏感，因此1553B总线一般会选用双冗余总线方式，即包含两个数据传输通道，保证了故障隔离及提高了容错能力。
（3）易于扩展。通信网络的结构简单，易于进行终端扩展。
（4）实时性好。1553B总线中的数据在信道上传输码速率为1 Mbit/s，其中的每条消息最多都能够包含32个字。因此，在传输一条固定不变消息的情况下，所使用的时间就会短些。
（5）合理的差错控制。该方法也称为反馈重传方法，能够保证在数据传输时，使数据尽量保持完整。当BC向某一RT发出消息或命令的情况下，终端都应该在给定的响应时间段中发回一个状态字，表示发送成功；但是如果RT并没有发回状态字，那么证明BC没有发送成功，也就是传输了不正确的消息，则由此报告上一次的消息传输无效，发送端就把认为出错的消息再重新给RT端进行传输，直到接收端认为正确地接收到了消息为止。
1553B总线因其在可靠性上有明显的优势，极适用于现场环境恶劣且可靠性要求高的领域，有很强的抗辐照特性，因此能够应用于卫星上，但成本较高。
为进一步满足日益增加的实时处理数据需求，同时提升总线传输抗干扰能力，美国军方制定了一个新的标准协议——FC-AE（fiber channel avionics environment），即航空电子光纤通道协议。FC-AE-1553协议是MIL-STD-1553B协议在带宽、地址空间和数据传输量上的扩展，其目的是更好地支持航天系统中各元素之间的通信。FC-AE-1553B的主要特性在于它的命令/响应式，消息的ACK选择，RDMA传输，文件传输，以及兼容MIL-STD-1553B终端的能力，形成一个维护简单、抗干扰能力强、传输速率高的确定性协议，具备在严苛环境下综合总线网络功能和处理复杂数据信息的能力。
4.3.1.2 1553B总线特性
1）总线架构
1553B总线系统架构是多冗余度总线型拓扑解耦股，如图4-2所示。可以进行双向传输，传输速度可以达到1 Mbit/s。
1553B总线采用屏蔽的双绞线作为传输媒介，且采用半双工传输方式，总线耦合方式有直接耦合和变压器耦合。
该总线的通信协议是指令/响应型通信协议，共支持3种终端类型，分别为总线控制器（BC）、远程终端（RT）和总线监视器（MT），信息格式有BC到RT、RT到BC、RT到RT、广播方式和系统控制方式；传输的信息经曼彻斯特（Manchester）型码编码处理后，在1553B总线上以消息形式进行传输，该协议最多支持31个远程终端。
2）总线协议
1553B数据总线以异步、命令响应方式执行数据信息的传输，其通信方式采用半双工方式，总线控制器初始化所有的传输，并控制数据总线上所有数据信息的传输，数据总线上的信息流由消息组成，而消息由命令字、数据字和状态字三种类型的字组成。有10种消息格式，每个消息至少包含两个字，每个字有16个消息位、一个奇偶校验位和3个位长的同步头。
图4-2 1553B总线接口模块拓扑连接
所有消息字都采用曼彻斯特型码Ⅱ型。曼彻斯特Ⅱ型编码格式如图4- 3所示。
图4-3 曼彻斯特Ⅱ型编码格式
4.3.1.3 1553B总线设计
1）总线电路架构
典型的1553B总线电路由微处理器、供电模块、1553B总线接口器件、变压器、晶振及支线插座组成，其电路的拓扑结构如图4-4所示。在连接中需要注意的是，变压器的正端连接到总线支线插座的内芯，负端连接到外芯。
由于1553B总线接口的控制软件所需处理器资源较少，微处理器可以选择不同种类，如嵌入式处理器、单片机、DSP和FPGA等，不同的微处理器对应的存储器及扩展电路可进行适应性的调整。1553B总线电路系统连接示意图如图4- 5所示。
图4-4 1553B总线电路拓扑结构示意图
图4-5 1553B总线电路系统连接示意图
2）总线远程终端控制器
星载计算机应用的辐射加固类型1553B总线终端控制器主要为美国DDC公司生产的BU-65170/61580/61585及其兼容器件，同时中国部分元器件生产厂家也研制了相关的宇航级终端控制器。
标准的总线终端控制器包含4096×16位的SRAM存储器、17个功能寄存器、双编码/解码器及1553B总线协议控制器等。如BU-65170及相关类型器件只能作为RT端，而BU-61580及相关类型器件可以作为RT端、BC端和MT端。其结构采用双冗余结构，自带两个收发器和协议处理器，数据按一定的协议经编码/解码器处理，通过双收发器A/B来完成与1553B总线间的数据传递。1553B总线终端控制器架构如图4-6所示。
3）隔离变压器
总线终端控制器与总线的耦合方式分为直接耦合和变压器耦合，在宇航领域应用中，建议采用变压器耦合的方式，以提升总线系统的可靠性。在1553B总线电路的构建过程中，根据选用的终端控制器来选用相配套的隔离变压器。
图4-6 1553B总线终端控制器架构
典型的总线终端控制器配套的隔离变压器为美国BTTC公司生产的B- 3226-T，适用于标准的隔离变压器需要，满足曼彻斯特Ⅱ型双相电平数据传输要求。同时中国元器件厂家也按照标准设计生产出部分型号的隔离变压器，可以原位替换。B-3226-T主要指标见表4- 1。
表4- 1 B- 3226-T主要指标
不同匝数比的耦合变压器在实际连接中会产生不同的电压值，同一个总线系统中应选用相同比例的耦合变压器。1553B总线隔离变压器连接方式如图4- 7所示。
图4-7 1553B总线隔离变压器连接方式（1英尺≈304.8 mm）