1553B总线处理器的比较分析与应用设计

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%。

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.

北京轩宇空间科技取得 FPGA 在轨重构控制系统及方法专利，提高了软件上注控制的可靠性

金融界 2024 年 8 月 20 日消息，天眼查知识产权信息显示，北京轩宇空间科技有限公司取得一项名为“FPGA 在轨重构控制系统及方法“，授权公告号 CN113238985B，申请日期为 2021 年 5 月。

专利摘要显示，一种 FPGA 在轨重构控制系统及方法，系统包括：CPU 处理器以及与其连接的重构 FPGA 芯片、一个 SRAM 芯片、三个 FLASH 芯片、一个刷新芯片，刷新芯片连接重构 FPGA 芯片，并连接有一个配置 FLASH；CPU 处理器采用 SoC2008 芯片，用于通过以太网接口芯片或 1553B 接口芯片从上位机接收 FPGA 原始重构程序、CPU 引导程序、FPGA 重构程序，并分别存储于一个 FLASH 芯片中；刷新芯片用于将 SoC2008 芯片传输的 FPGA 重构程序加载于配置 FLASH。在重构失败时可通过上位机控制 SoC 让其复位，自动加载引导程序，提高了软件上注控制的可靠性，并能定时刷新，增加抗辐射能力，降低了 FPGA 软件在轨重构的风险性。

本文源自金融界

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