通用1553B总线的信息监控系统的设计

摘要：在航电系统维护过程中，为解决定位故障的效率和降低维修成本等问题，提出了基于ICD(Intedace Control Document，接口控制文件)的1553B总线的信息监控系统模型。该系统运用数据采集卡对总线中传输的信号有无失真、偏差等电气特性进行检测，并使用1553B通讯卡通过测控软件LabWindows／CVI编程与ICD数据库的动态链接，实现总线信息的解析和故障的判断。与传统的维护过程相比，这种模型能够从信号的电气特性以及信息的解析等全方位的去检测判断故障的来源，并且能够广泛在其他1553B总线系统内扩展应用。验证表明该监控系统可以对总线信息进行快速有效地监测分析，能满足应用需求。
关键词：1553B总线；数据库；总线监控；ICD

    军用数据总线MIL-STD-1553B标准因其可靠性高、传输速率高、易于扩展等优点在飞行平台的电子综合化系统中得到了广泛的应用，因此对该总线的不断深入研究十分必要。
    在飞机的排故和维修过程中，尚不能快速有效地确定是该部分的某个子系统故障还是总线故障。当出现故障时，只有对该部位的子系统进行逐一排故才能确定故障并维修，严重影响了工作效率。该监控系统的设计集成了对总线中传输信号电气特性的检测、传输数据的有效性判断以及实时比对ICD的传输信息解析，从而能够加快维修时的排故速度并减轻地勤人员的工作负担。

1 系统概述
1．1 1553B总线简介
    MIL-STD-1553B是一种时分制指令／响应式多路传输数据总线。其总线系统结构包括总线控制器(BC)、总线监听器(BM)及远程终端(RT )。总线上的信息是以消息的形式调制成曼彻斯特码进行传输的。每条消息最长由32个字组成，所有的字分为三类：命令字、数据字和状态字。每类字的长度为20位，有效信息位是16位，每个字的前3位为单字的同步字头，最后1位是奇偶校验位。有效信息(16位)及奇偶校验位在总线上以曼彻斯特码的形式进行传输，传输一位的时间为1μs(即码速率为1 MHz)。如图1所示为总线信息字的格式。

1．2 系统分析
    在信息传输出现故障时，首先要考虑两类故障，一是总线磨损等而导致的信息传输失真，无法识别，此时需要对总线进行检查、维修或是更换；二是对应的某个子设备出现通信故障，此时需要根据所传输数据判断故障类型，以达到迅速维修的目的。因此既要根据国军标要求对总线传输信号的电气特性进行条件判断，也要对传输的信息字的内容及其有效性进行判断分析。
    该系统在框架上由总线数据采集和信息监控两大模块组成，分别实现不同的系统功能。
2 硬件组成
    硬件部分由工业控制计算机、研华多功能高速数据采集卡PCI1714和成都恩菲特公司生产的1553B接口卡EPH6273构成。
2．1 数据采集模块
    数据采集模块的关键部分就是数据采集卡。1553B总线传输的曼彻斯特码的速率是1 Mb／s。根据香侬采样定理：要使信号采样后能够不失真还原，采样频率必须大于信号最高频率的两倍，即fs≥2fmax，工程上一般选择fs=(5～10fmax。采集卡PCI1714最高采样速率为30MS／  s，32k的FIFO，支持4通道模拟输入。模拟信号进入数据采集卡后，采集卡对其进行调理、采集、缓存，并将信号数据转移存入计算机的硬盘，计算机在应用程序的控制下，进而对数据进行处理、运算，最后把数据和定性判断结果在生成的面板上显示。图2是信号采集系统的功能框图。

2．2 信息监控模块
    信息监控模块的硬件核心就是1553B通讯卡。该卡是1个双通道、多功能的PCI接口卡，可同时模拟和实现总线控制(BC)、远程终端(RT)、总线监控(BM)功能，随卡提供了驱动安装程序和丰富的1553B总线接口函数。1553B通讯卡通过PCI总线把计算机和机载设备相连接，实现通信时，需要识别总线传输的每个信息字，把该信息字的内容在ICD中查询解析，迅速判断传输内容的意义并反馈给操作者。

3 软件组成
    软件部分是系统的核心，其目的是以简便的界面实现系统操作，并通过数据采集和信息监控2个模块实现系统的整体功能。软件部分主要有3部分组成，人机交互界面、数据采集程序、ICD数据库。
3．1 软件环境
    本系统是在Windows XP环境下，通过LabWindows／CVI和Microsoft Access相结合实现的。
    LabWindows／CVI是一个完全的ANSI C开发环境，用于仪器控制、自动检测、数据处理的应用软件。Access数据库是Microsoft公司推出的微机数据库管理系统，具有界面友好、易学易用、开发简单、接口灵活等特点，是典型的新一代桌面数据库管理系统。LabWindows／CVI开发环境提供了对数据库的支持能力，可以实现多种异构数据库的访问和维护，但它必须安装CVI SQL Tookit工具包。工具包中一共包含了11个子类的函数库，这些数据库编程API使LabWindows／CVI编写的上层应用程序对数据库的访问得以实现，进一步增强了可移植性。
3．2 人机交互界面
    界面面板主要装载菜单、按钮和图形显示等控件。菜单栏包括系统管理、数据采集、信息监控、数据库管理、其他功能和帮助。其中，系统管理包含有登陆系统、修改密码、注销和退出系统；数据采集包含初始化、数据查看；信息监控包含初始化、信息显示；数据库管理包含修改、查询；其他功能有用户管理、显示日志。
    每个界面也都有对应菜单项的各个功能按钮，采集面板包含参数设置、开始采集、保存、数据处理、退出等，信息监控面板包含有文件、功能、数据库、帮助等。图形显示功能使用控件Strip Chart及其对应函数PlotStripChart组合构成，传输信息的读取采用调用数据库并用表格进行迅速显示的方法。图3为系统的部分界面。

3．3 数据采集部分
    数据采集是通过开始按钮的回调函数start来实现的。采用同步绘制信号波形的方法，以直观实时的观察信号的特征：采用多线程条件下的DMA传输方式高速采样，数据在没有CPU介入的情况下直接在设备和内存间实现数据的有效传输，以实现最快的数据传输方式。使用研华多功能卡数据采集的原理框图如图4所示。

    具体测试性能都应满足国军标的要求，如终端的线间输出电压峰-峰值应在6．0～9．0 V范围内；波形过零点与理想过零点的偏差等于或小于25．000 ns；上升下降沿时间分别为TR和TF，按峰-峰值10％～90％之间测量，应满足100 ns≤TR≤300 ns，100 ns≤TF≤300 ns。保存信号波形便于观察，同时通过保存的波形数据，计算其峰-峰值、输出噪声以及上升下降沿所需的时间等来判断传输信号是否符合标准的要求，然后在面板界面上显示给操作者。图5为在LabWindows／CVI环境下实验时对常见波形的数据采集波形图。

3．4 信息监控部分
    ICD是通用航空电子总线监控系统的核心部分，它给出了航空电子系统规范中所定义的电气和电子接口的详细说明，包含了一整套总线系统数据的定义，诸如控制方式、信号类型、编码形式、故障代码等各种信息，可以分为：块(Blocks)和信号(Signals)两部分。块是在串行通信总线上的接口，定义了航空电子系统各个子系统间的接口规范，包含总线识别、信号源代码和目的代码、物理和逻辑信号等；信号是用于外场可更换单元之间传输的最小数据单位，在ICD中必须定义所有信号的数据属性。框图6即是ICD监控模块的软件流程，显示了整个信息监控模块的功能实现情况。

    ICD的数据采用数据库管理的形式，其设计是将接口控制文档抽象成数据库的许多描述表，表中内容按照数据类型形成数据记录，代表了块／信号的数据模型，然后通过自顶向下的层次划分方法，将庞大的ICD切分成逻辑上互相关联、结构上互相独立的数据描述表结构。描述表中块的格式为A／ACC1／10-00-01，其中A代表总线字母，AC为信号目的设备代码，C1为信号源设备代码，后边的数字串代表逻辑块号和物理块号。在信号传输过程中，块号是唯一的。传输的命令字可以定位源设备和目的设备(如ACC1)，然后判断后边数据字的内容从ICD中迅速查找对应的块号，在界面上实时的显示其含义，能够有效帮助操作者分析通信状态及信息。

4 结束语
    本文提出了对1553B总线信息的监控系统的设计，引入信号电气特性的检测，从而丰富了系统的检查范围；测控软件与数据库技术相结合，使测试数据的处理过程更为优化；数据采集和信息监控两个模块的有机结合使该系统的功能大大完善。该系统的设计思想及方法在效能上能满足地勤人员对飞机航电系统的维护、维修要求，对其他类似的工程应用也具有很好的借鉴意义。