CN115762302A - 一种机载1553b总线教学实验系统及实验仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于仿真演示技术领域，公开了一种机载1553B总线教学实验系统及实验仿真方法，所述机载1553B总线教学实验系统包括：总线仿真模块用于对1553B数据总线上总线控制器、远程终端和总线监视器的仿真；总线数据传输模块由多个短截线节点的1553B数据总线组成，用于构建1553B总线网络拓扑结构，进行数据的传输。本发明实现1553B数据总线的协议仿真和电气仿真功能。内部集成示波器模块，可实时观察总线波形信息，可对总线信号的幅度、频率、波形、同步、畸变信息进测量分析，采用通用硬件平台，具有冗余PCI插槽，支持功能扩展。支持仿真总线控制器、远程终端和总线监视器。

Description

一种机载1553B总线教学实验系统及实验仿真方法

技术领域

本发明属于仿真演示技术领域，尤其涉及一种机载1553B总线教学实验系统及实验仿真方法。

背景技术

MIL-STD-1553B总线，即飞机内部数字式时分制指令/响应型多路传输数据总线。它具有传输稳定、抗干扰、负荷轻、速率高等优点。已经成为现代航空机载系统设备互联的关键技术，广泛的应用于飞机、舰船、坦克等军事、工业和科技领域。为了适应现代军事斗争的需要。

MIL-STD-1553总线是美国军方专为机载设备通信制定的一种数据传输总线标准。上世纪60年代初，由制导/显示/射击瞄准设备组成的综合火力控制系统，配合远距空对空武器，使战斗机的性能大大提高。但随之造成通信数据总量的增加，加之设备之间的接口千差万别，使得系统处理复杂，可靠性变差。同时，由于缺乏统一的标准，设计、维护和系统升级的成本不断上升。为了解决这一问题，随着新的需求和应用的提出，1978年又推出了更新标准MIL-STD-1553B，并在以后陆续推出了补充协议Notice1，Notice2，Notice3以及Notice4对其进行了补充完善。简而言之，单个电子设备类似于计算机局域网中的单个计算机，1553B标准类似于计算机之间的通信协议。

MIL-STD-1553推出多年后，经历了几次标准的调整。目前大多数现代系统采纳MIL-STD-1553B Notice 2版本。Notice 3以及最新版本Revision B Notice 4都没有改变Notice2的目录，仅仅作了一些标题的改变。

从上世纪八十年代起，一些相关行业如电子、兵器、航天等也相继开始依据该标准涉足该领域。从八十年代后期到1997年，GJB289A-97修订版颁布期间GJB289已开始从实验室走向实际应用，2000年以来，GJB289A-97修订版已经在机载、弹载、舰载等许多国防领域中得到推广，并取得了良好的效果。

目前1553B总线已经发展成为世界性的数据总线标准，在军用航空电子系统中应用范围非常广泛，比如卫星通信系统、国际空间站的空间地址探寻、大规模交通控制、航空燃料补给等等，甚至包括在内一系列的发射器和服务器中，比如飞行器和发射器的基本接口。

除此以外，海军的舰艇、潜水艇，陆军的直升机和坦克，这些都用到了1553B总线协议。但1553B总线教学实验内容往往采用实际装备或退役装备教学，虽然有更直观的、更真实的外形，但由于是实际装备的最初设计目的和使用用途并不是针对教学使用，所以能够达到的教学效果有限，不能让学习者真正学会使用1553B总线，了解其使用特点和注意事项。同样原因，对于教学者要求和教学目的也很难达成，教学者往往需要了解装备接口硬件、搭建复杂的教学演示环境，调试繁杂的仪器设备，教学内容相对单一只能枚举特殊情况进行教学，更换教学地点往往需要重新搭建环境费时费力，并且往往只能够由教学者进行操作，学员无法快速上手进行实际实操学习。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

(1)现有教学针对性不强，系统结构复杂，教学环境搭建困难，更换教学地点困难，学员上手困难带入性差。

(2)现有教学实验系统设备功能单一，只能枚举部分特殊功能进行教学，教学环境中仪器仪表调试繁杂，不能够直观的给出每种教学环境下的物理参数，教学设备和多个仪器之间配合松散，容易造成仪器调试导致的教学演示失败。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种机载1553B总线教学实验系统及实验仿真方法。

一种机载1553B总线教学实验系统，包括：总线仿真模块和总线数据传输模块；

所述总线仿真模块用于对1553B数据总线上总线控制器(BC)、远程终端(RT)和总线监视器(BM)的仿真；

所述总线数据传输模块由多个短截线节点的1553B数据总线组成，用于构建1553B总线网络拓扑结构以及进行数据的传输。

在一实施例中，所述总线仿真模块包括：便携仿真终端、教学主机和以太网交换机组成；便携仿真终端为两台，所述便携仿真终端通过以太网交换机与教学主机连接；所述教学主机用于提供教学演示用软件界面、配置并控制便携式终端设备以及提供1553B总线中波形查看及电气特性分析。

在一实施例中，所述教学主机包括1553B总线分析卡；

所述1553B总线分析卡与总线数据传输模块进行通信，所述1553B总线分析卡搭载有总线控制器、远程终端和总线监视器；总线监视器用于对1553B总线消息进行实时监测；

1553B总线分析卡采用虚拟仪器，用于在线抓取1553B总线波形，并对1553B总线波形进行实时分析、显示1553B总线波形及波形对应的实际数据。

在一实施例中，所述总线数据传输模块采用1553B总线网络拓扑结构；所述总线数据传输模块包括主总线网络线缆，短截线网络线缆，四个三子线耦合器，两个终止器。

在一实施例中，所述机载1553B总线教学实验系统进一步包括：上位机软件层、驱动软件层、底层；

所述上位机软件层通过调用驱动软件层分别控制便携式终端和1553B总线分析卡；

所述驱动软件层采用标准C语言，用于在多种平台上移植，进行教学实验操作；

所述底层采用IP核，用于监控1553B总线的数据信息，并将1553B总线总通讯过程通过软件层的上位机显示。

在一实施例中，所述上位机软件层还用于：通过调用网络驱动，对便携式设备发送总线模式配置命令，配置完成后，通过调用网络驱动向1553B总线上收发数据。

在一实施例中，所述上位机软件层还用于：上通过调用PCI驱动，向分析卡发送模式配置命令，等待上位机进一步操作，判断是否需要向1553B总线发送波形，是否需要对1553B总线波形进行采集，是否需要对1553B总线进行分析。

在一实施例中，所述机载1553B总线教学实验系统还包括：硬件接口，所述硬件接口分别与总线仿真模块和总线数据传输模块连接；

所述硬件接口包括通过线缆与三子线耦合器和便携式仿真终端连接的PL75接口以及1553B总线分析卡与三子线耦合器连接使用的DB9-PL75转接接口。

在一实施例中，所述机载1553B总线教学实验系统进一步包括机柜，所述机柜用于安装总线仿真模块和总线数据传输模块；

所述机柜还安装有键盘、鼠标、显示器。

本发明的另一目的在于提供一种实验仿真方法包括：利用建立的机载1553B总线教学实验系统，进行1553B数据总线的协议仿真和电气仿真；

通过示波器实时分析总线波形信息，对总线信号的幅度、频率、波形、同步、畸变信息进测量分析。

结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明提供的总线教学演示系统，主要特点是分布处理、集中控制和实时响应；其可靠性机制包括防错功能、容错功能、错误的检测和定位、错误的隔离、错误的校正、系统监控及系统恢复功能，采用双冗余结构，有两个传输通道，保证了良好的容错性和故障隔离。同时，本发明还具有以下优良特点：

(1)实时性好，1553B总线的传输码速率为1Mb/s，每条消息最多包含32个字，传输一个固定不变的消息所需时间短。数据传输速率比一般的通信网高。

(2)合理差错控制措施和特有的方式命令，为确保数据传输的完整性，1553B采用了合理的差错控制措施反馈重传纠错方法。当总线控制器向某一远程终端发出一个命令或发送一个消息时，终端应在给定的响应时间内发回一个状态字，如果传输的消息有错，终端就拒绝发回状态字，由此报告上次消息传输无效。方式命令不仅使系统能完成数据通信控制任务，还可以调查故障情况并完成容错管理机制。

(3)总线效率高，总线形式的拓扑结构对总线效率的要求比较高，为此1553B对涉及总线效率指标的某些强制性要求如命令响应时间、消息间隔时间以及每次消息传输的最大和最小数据块的长度都有严格限制。

(4)具有命令/响应以及“广播”通信方式，能够以“广播”方式向所有远程终端发送一个时间同步消息，这样总线上的所有消息传输都由总线控制器发出的指令来控制，相关终端对指令应给予响应并执行操作。这种方式非常适合集中控制的分布式处理系统。

(5)本发明建立了1553B机载通信总线的实验教学系统，使学员通过观察和实验了解总线的物理结构、网络结构、传播波形和通信协议，掌握总线的基本理论和维护保障方法。具体实现如下效果：

1553B总线实验系统用于实现1553B数据总线的协议仿真和电气仿真功能。内部集成示波器模块，可实时观察总线波形信息，可对总线信号的幅度、频率、波形、同步、畸变信息进测量分析，采用通用硬件平台，研华工控主板，WindowsXP系统，具有冗余PCI插槽，支持功能扩展。

(6)本发明支持仿真总线控制器(BC)、远程终端(RT)和总线监视器(BM)；支持GJB289A《数字式时分制指令/响应型多路传输数据总线》要求的各种基本消息类型；支持独立仿真32个RT设备，可以设置RT设备的响应数据字；支持调节1553B总线电气参数，包括波形的幅值、波形的上升下降时间等；支持内建示波器功能。

应当理解的是，以上的描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明的公开。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。

图1是本发明实施例提供的机载1553B总线教学实验系统。

图2是本发明实施例提供机载1553B总线教学实验系统软件架构原理图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种总线教学演示系统、设备、介质及终端，下面结合附图对本发明作详细的描述。

如图1所示，本发明提供一种机载1553B总线教学实验系统，包括：总线仿真模块和总线数据传输模块；

所述总线仿真模块，用于对1553B数据总线上总线控制器(BC)、远程终端(RT)和总线监视器(BM)的仿真；

所述总线数据传输模块由多个短截线节点的1553B数据总线组成，用于构建1553B总线网络拓扑结构，进行数据的传输。

在一优选实施例中，所述总线仿真模块包括：便携仿真终端、教学主机和以太网交换机组成；便携仿真终端为两台，通过以太网交换机与教学主机连接；所述教学主机用于提供教学演示用软件界面、配置并控制便携式终端设备，以及提供1553B总线中波形查看及电气特性分析。

在一优选实施例中，所述教学主机包括1553B总线分析卡；

1553B总线分析卡与总线数据传输模块进行通信；所述1553B总线分析卡搭载有总线控制器(BC)、远程终端(RT)和总线监视器(BM)；

总线监视器(BM)用于对1553B总线消息进行实时监测；

1553B总线分析卡采用虚拟仪器，用于在线抓取1553B总线波形，并对1553B总线波形进行实时分析、显示1553B总线波形及波形对应的实际数据。

在一优选实施例中，所述总线数据传输模块采用1553B总线网络拓扑结构，所述总线数据传输模块包括主总线网络线缆，短截线网络线缆，四个三子线耦合器，两个终止器。

在一优选实施例中，如图2所示，所述机载1553B总线教学实验系统进一步包括：上位机软件层、驱动软件层、底层；

所述上位机软件层通过调用驱动软件层分别控制便携式终端和1553B总线分析卡；

所述驱动软件层采用标准C语言，用于在多种平台上移植，进行教学实验操作；

所述底层采用IP核，用于监控1553B总线的数据信息，并将1553B总线总通讯过程通过软件层的上位机显示。

在一优选实施例中，所述上位机软件层还用于：通过调用网络驱动，对便携式设备发送总线模式配置命令，配置完成后，通过调用网络驱动向1553B总线上收发数据。

在一优选实施例中，所述上位机软件层还用于：通过调用PCI驱动，向分析卡发送模式配置命令，等待上位机进一步操作，判断是否需要向1553B总线发送波形，是否需要对1553B总线波形进行采集，是否需要对1553B总线进行分。

在一优选实施例中，所述机载1553B总线教学实验系统还包括：硬件接口，所述硬件接口分别与总线仿真模块和总线数据传输模块连接；

所述硬件接口包括通过线缆与三子线耦合器和便携式仿真终端连接的PL75接口以及1553B总线分析卡与三子线耦合器连接使用的DB9-PL75转接接口。

在一优选实施例中，所述机载1553B总线教学实验系统进一步包括机柜，用于安装总线仿真模块和总线数据传输模块；

所述机柜还安装有键盘、鼠标、显示器。

在一优选实施例中，本发明还提供一种实验仿真方法包括：利用建立的机载1553B总线教学实验系统，进行1553B数据总线的协议仿真和电气仿真；

通过示波器实时分析总线波形信息，对总线信号的幅度、频率、波形、同步、畸变信息进测量分析。

下面以1553B总线为例对本发明技术方案作进一步描述

实施例

1、本发明提供的机载1553B总线教学实验系统使学员通过观察和实验了解1553B总线的物理结构、网络结构、传播波形和通信协议，掌握1553B总线的基本理论和维护保障方法。具体实现功能如下：

1553B总线实验系统用于实现1553B数据总线的协议仿真和电气仿真功能。实验系统由总线分析模块、总线仿真模块和总线数据传输模块组成。其中，总线仿真模块用于实现1553B数据总线上BC(总线控制器)的仿真，RT(远程终端)的仿真和BM(总线监视器)的仿真；总线分析模块用于实现对1553B总线波形进行分析；总线数据传输模块由一套十个短截线节点的1553B数据总线组成，用于构建实验系统的1553B总线网络拓扑结构。具体如下：

支持仿真总线控制器(BC)、远程终端(RT)和总线监视器(BM)；

支持GJB289A《数字式时分制指令/响应型多路传输数据总线》要求的各种基本消息类型；

支持独立仿真32个RT设备，可以设置RT设备的响应数据字；

支持调节1553B总线电气参数，包括波形的幅值、波形的上升下降时间等；

支持内建示波器功能；

2、主要技术指标

可靠性要求：运行稳定可靠，平均故障间隔时间(MTBF)不小于1000小时，平均故障修复时间不大于2个小时。

工作温度：-5℃～+40℃；

工作电源：单相交流电源，220V/50Hz。

总线规范：GJB289A；

仿真级别：信号级总线通信控制与管理；

1553B总线耦合器数量不少于4个、便携仿真终端不少于2个,总线分析卡不少于3个。

内部集成示波器模块，可实时观察总线波形信息；

测量参数：幅度、频率、波形、同步、畸变；

扩展性指标：采用通用硬件平台，支持功能扩展。

3、本发明使用的1553B总线分析卡(VI0201)搭配便携式仿真终端(BS15005)模拟总线控制器(BC)、远程终端(RT)、总线监视器(BM)，1553B总线网络拓扑使用一根标准四短截线节点的1553B数据总线电缆，搭配4个单子线耦合器(NHC-310)，2个终止器组成。

便携式仿真终端具有可以脱离适配器单独使用的特点，方便在实际飞机等教学场所进行演示，便携式仿真终端使用BS15005型仿真终端，使用电池独立工作时间可以达到两小时，每个便携式终端能够通过软件配置，仿真满足GJB289A要求的1个BC设备或1个BM设备或32个RT设备。

教学主机主要作用为：提供教学演示用软件界面、配置并控制便携式终端设备、提供系统方案中所要求的波形查看及电气特性分析功能。教学主机由：工控机和VI0201型1553B总线分析卡构成，该分析卡采用虚拟仪器方案设计，目前已在航空设计院得到实际应用，能够在线抓取1553B总线波形，并对总线波形进行实时分析，能够直观的观测到总线波形及其对应的实际数据，是教学演示、问题排故、总线测试的不二之选。

4、软件设计

根据系统方案中的要求，综合分析MIL-STD-1553B总线实验系统在实际使用中使用场景，采用了便捷灵活的软件架构设计，软件架构分为三层：上位机软件、驱动软件、底层，具体结构如图2所示。

其中，上位机软件通过调用中间驱动层分别控制便携式终端和1553B总线分析卡，具体的过程为：上位机软件通过调用网络驱动，为便携式设备发送总线模式配置命令，配置完成后，通过调用网络驱动向1553B总线上收发数据。上位机软件通过调用PCI驱动，向分析卡发送模式配置命令，等待上位机进一步操作，判断是否需要向总线发送波形，是否需要对总线波形进行采集，是否需要对总线进行分析。上位机软件中内置示波器插补采样率1GSPS，时域精度64bit,20ns时标，波形时间测量精度：10ns，波形幅值测量精度：0.1V，完全能够满足系统方案中要求。上位机总线控制器仿真界面支持支持BC周期消息帧、消息子帧以及非周期帧，能够对GJB289A要求的全部消息类型进行仿真。上位机远程终端仿真界面总线远程终端支持32个RT地址的仿真，每个RT支持独立配置，支持多个RT设备同时仿真，能够对GJB289A要求的全部RT消息状态进行仿真。上位机总线监视器能够对总线消息进行实时监测，同时，支持总线消息过滤和总线消息保存，支持对异常消息进行标红显示，支持GJB289A中要求的全部消息类型解析。

5、在本发明中，驱动软件支持Windows XP SP6以上全部操作系统。

6、硬件接口设计中，硬件接口采用标准化、通用化设计，三子线耦合器、便携式仿真终端采用标准BJ77接口设计，能够直接与标准化线缆连接，终止器采用PL75标准接口设计，无需转接线可以直接与三子线耦合器构成总线网络的主线，考虑到BJ77接口在实际电脑主机卡槽上引出比较困难，采用主机标准DB9接口引出，并提供DB9转PL75接口转接线。

通过示波器实时分析总线波形信息，对总线信号的幅度、频率、波形、同步、畸变信息进测量分析，示波器模块的操作步骤如下：

第一步：打开示波器界面；

第二步：设置采样参数；在“触发通道”一栏选择采样通道，如“A”通道；在“通道B信号类型”一栏选择B通道是信号通道；采样还是噪声通道采样，若是用A通道触发则此项保持默认即可；

第三步：设置示波器参数，可横向放大波形，也可横向缩小波形；还可纵向放大或缩小波形。

应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围应由所附的权利要求来限制。

Claims (10)

1.一种机载1553B总线教学实验系统，其特征在于，所述机载1553B总线教学实验系统包括：总线仿真模块和总线数据传输模块；

所述总线仿真模块用于对1553B数据总线上总线控制器、远程终端和总线监视器的仿真；

所述总线数据传输模块由多个短截线节点的1553B数据总线组成，所述总线数据传输模块用于构建1553B总线网络拓扑结构以及进行数据的传输。

2.根据权利要求1所述的机载1553B总线教学实验系统，其特征在于，所述总线仿真模块由便携仿真终端、教学主机和以太网交换机组成；

便携仿真终端的数量为两台，所述便携仿真终端通过以太网交换机与教学主机连接；

所述教学主机用于提供教学演示用软件界面、配置并控制便携式终端设备以及提供1553B总线中波形查看及电气特性分析。

3.根据权利要求2所述的机载1553B总线教学实验系统，其特征在于，所述教学主机包括1553B总线分析卡；

所述1553B总线分析卡与总线数据传输模块进行通信，所述1553B总线分析卡搭载有总线控制器、远程终端和总线监视器；总线监视器用于对1553B总线消息进行实时监测；

所述1553B总线分析卡采用虚拟仪器，用于在线抓取1553B总线波形，并对1553B总线波形进行实时分析、显示1553B总线波形及波形对应的实际数据。

4.根据权利要求3所述的机载1553B总线教学实验系统，其特征在于，所述总线数据传输模块采用1553B总线网络拓扑结构，所述总线数据传输模块包括主总线网络线缆，短截线网络线缆，四个三子线耦合器，两个终止器。

5.根据权利要求4所述的机载1553B总线教学实验系统，其特征在于，所述机载1553B总线教学实验系统还包括：

上位机软件层，所述上位机软件层通过调用驱动软件层分别控制便携式终端和1553B总线分析卡；

驱动软件层，所述驱动软件层采用标准C语言，用于在多种平台上移植，进行教学实验操作；

底层，所述底层采用IP核，用于监控1553B总线的数据信息，并将1553B总线总通讯过程通过软件层的上位机显示。

6.根据权利要求5所述的机载1553B总线教学实验系统，其特征在于，所述上位机软件层还用于：通过调用网络驱动对便携式设备发送总线模式配置命令，配置完成后，通过调用网络驱动向1553B总线上收发数据。

7.根据权利要求5所述的机载1553B总线教学实验系统，其特征在于，所述上位机软件层还用于：上通过调用PCI驱动，向分析卡发送模式配置命令，等待上位机进一步操作，判断是否需要向1553B总线发送波形，是否需要对1553B总线波形进行采集，是否需要对1553B总线进行分析。

8.根据权利要求1所述的机载1553B总线教学实验系统，其特征在于，所述机载1553B总线教学实验系统还包括：硬件接口，所述硬件接口分别与总线仿真模块和总线数据传输模块连接；

所述硬件接口包括通过线缆与三子线耦合器和便携式仿真终端连接的PL75接口以及1553B总线分析卡与三子线耦合器连接使用的DB9-PL75转接接口。

9.根据权利要求1所述的机载1553B总线教学实验系统，其特征在于，所述机载1553B总线教学实验系统还包括机柜，所述机柜用于安装总线仿真模块和总线数据传输模块；

所述机柜还安装有键盘、鼠标、显示器。

10.一种如权利要求1～9任意一项所述的机载1553B总线教学实验系统的实验仿真方法，其特征在于，所述实验仿真方法包括：利用建立的机载1553B总线教学实验系统，进行1553B数据总线的协议仿真和电气仿真；

通过示波器实时分析总线波形信息，对总线信号的幅度、频率、波形、同步、畸变信息进测量分析。

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