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MIL-STD-1553B总线

news 2025/7/8 10:20:23

MIL-STD-1553B总线

一、 MIL-STD-1553B总线概述

1553B总线是一种基于命令/响应协议的半双工串行数据总线。其核心特点可以概括为以下几点：

  • 集中控制: 总线上所有的数据传输都由一个唯一的**总线控制器（Bus Controller, BC）**发起和控制。
  • 主从结构: 网络中包含一个主设备（BC）和最多31个从设备，称为远程终端（Remote Terminal, RT）。
  • 双冗余设计: 为了提高可靠性，1553B总线通常采用双冗余架构（总线A和总线B），由BC选择使用哪条总线进行通信。
  • 数据速率: 标准数据传输速率为 1 Mbps。
  • 编码方式: 采用**曼彻斯特II双相电平（Manchester II Bi-phase Level）**编码，这种编码方式自带时钟信号，增强了同步的可靠性。
  • 传输介质: 使用特性阻抗为70-85欧姆（通常为78欧姆）的屏蔽双绞线。
1.1 总线上的三大角色

一个完整的1553B系统通常包含以下三种类型的终端设备：

  • 总线控制器 (Bus Controller - BC): 是整个数据总线的核心，负责发起所有的信息传输。在一个系统中，任何时刻只有一个BC是活动的。它向RT发送命令，要求其发送或接收数据。
  • 远程终端 (Remote Terminal - RT): 是总线与各个子系统（如传感器、执行器、显示器等）之间的接口。RT被动地响应BC的命令，根据指令接收或发送数据。每个RT在总线上都有一个唯一的地址（0-30）。
  • 总线监视器 (Bus Monitor - BM): 是一种可选设备，它能“监听”总线上所有的数据传输，但本身不参与通信。BM主要用于数据记录、状态监控和故障诊断。
1.2 系统架构

典型的1553B系统架构如下图所示。BC通过主总线连接到多个RT，每个RT通过一个短截线（Stub）和耦合器（Coupler）接入主总线。总线两端需要端接电阻以防止信号反射。

MIL-STD-1553B 总线系统
双冗余总线
总线A/B
总线A/B
总线A/B
总线A/B
总线控制器 BC
总线监视器 BM
远程终端 RT1 - 飞行姿态传感器
远程终端 RT2 - 发动机控制器
远程终端 RT3 - 显示单元
Coupler1
Coupler2
Coupler3
Coupler4
总线 A
总线 B

二、 1553B字格式详解

1553B总线上传输的所有信息都由20位的“字（Word）”组成。每个字都包含一个3微秒的同步头、16位的数据/命令/状态信息和1个奇偶校验位。主要有三种类型的字：

2.1 命令字 (Command Word)

由BC发出，用于启动一次数据传输。

格式:

位描述
1-3同步头 (Sync) - 1.5µs高电平, 1.5µs低电平
4-8远程终端地址 (RT Address) (5位) - 指定目标RT的地址 (0-30)。地址31为广播地址。
9发送/接收位 (T/R) (1位) - 0表示RT接收数据，1表示RT发送数据。
10-14子地址/模式码 (Subaddress/Mode Code) (5位) - 指定RT内部的数据存储位置（子地址1-30），或用于模式码命令（0或31）。
15-19字计数/模式码 (Word Count/Mode Code) (5位) - 指定要传输的数据字数量（1-32个，0表示32个），或用于模式码命令。
20奇偶校验位 (Parity) (1位) - 奇校验。
2.2 数据字 (Data Word)

用于在BC和RT之间或RT与RT之间传输实际的数据。

格式:

位描述
1-3同步头 (Sync) - 3µs低电平, 后跟高/低电平
4-19数据 (Data) (16位) - 传输的实际数据内容。
20奇偶校验位 (Parity) (1位) - 奇校验。
2.3 状态字 (Status Word)

由RT在接收到BC的有效命令后发回，用于报告其当前状态。

格式:

位描述
1-3同步头 (Sync) - 与命令字相同
4-8远程终端地址 (RT Address) (5位) - 发送该状态字的RT的地址。
9消息错误 (Message Error) (1位) - 置1表示RT检测到前序消息有误。
10仪表化 (Instrumentation) (1位) - 固定为0。
11服务请求 (Service Request) (1位) - 置1表示RT请求BC的服务。
12-14保留 (Reserved) (3位)
15广播命令已接收 (Broadcast Cmd Received) (1位) - 置1表示RT接收到了一个有效的广播命令。
16忙 (Busy) (1位) - 置1表示RT正忙，无法响应数据传输命令。
17子系统故障 (Subsystem Flag) (1位) - 置1表示RT的子系统发生故障。
18动态总线控制接受 (Dynamic Bus Control Accept) (1位)
19终端故障 (Terminal Flag) (1位) - 置1表示RT自身发生故障。
20奇偶校验位 (Parity) (1位) - 奇校验。

三、 通信协议与Demo演示

下面我们通过几个典型的通信场景来演示1553B总线的工作流程。

场景一：BC向RT发送数据 (BC-to-RT Transfer)

目标: 总线控制器（BC）向远程终端5（RT5）的子地址10发送3个数据字。

通信流程:

  1. BC发送命令字 (Receive Command):
    • BC在总线上发出一个“接收命令”。
    • 命令字内容:
      • RT地址: 5 (二进制 00101)
      • T/R位: 0 (RT接收)
      • 子地址: 10 (二进制 01010)
      • 字计数: 3 (二进制 00011)
  2. BC发送数据字 (Data Words):
    • BC紧接着在总线上发送3个数据字。
  3. RT发送状态字 (Status Word):
    • RT5在成功接收并校验完所有数据后，向BC发送一个状态字，表示操作完成。
    • 状态字内容 (正常情况下):
      • RT地址: 5 (二进制 00101)
      • 其他状态位均为0。

时序图演示:

总线控制器 (BC) 1553B总线 远程终端5 (RT5) 1. 命令字 (RT5, 接收, 子地址10, 3个字) 2. 数据字 1 3. 数据字 2 4. 数据字 3 RT5接收并处理数据 5. 状态字 (来自RT5, 状态正常) 总线控制器 (BC) 1553B总线 远程终端5 (RT5)
场景二：BC从RT请求数据 (RT-to-BC Transfer)

目标: 总线控制器（BC）从远程终端7（RT7）的子地址3请求1个数据字（例如，获取温度传感器的读数）。

通信流程:

  1. BC发送命令字 (Transmit Command):
    • BC在总线上发出一个“发送命令”。
    • 命令字内容:
      • RT地址: 7 (二进制 00111)
      • T/R位: 1 (RT发送)
      • 子地址: 3 (二进制 00011)
      • 字计数: 1 (二进制 00001)
  2. RT发送状态字 (Status Word):
    • RT7在接收并校验完命令后，立即发送其状态字。
  3. RT发送数据字 (Data Words):
    • RT7紧接着在总线上发送1个数据字。

时序图演示:

总线控制器 (BC) 1553B总线 远程终端7 (RT7) 1. 命令字 (RT7, 发送, 子地址3, 1个字) RT7准备数据 2. 状态字 (来自RT7, 状态正常) 3. 数据字 1 (温度数据) 总线控制器 (BC) 1553B总线 远程终端7 (RT7)
场景三：RT到RT的数据传输 (RT-to-RT Transfer)

目标: 将远程终端7（RT7）子地址3的数据，传输给远程终端5（RT5）的子地址12。

通信流程:

这种传输相对复杂，需要BC发出两个连续的命令。

  1. BC发送接收命令 (Receive Command):
    • BC首先命令RT5准备接收数据。
    • 命令字1内容:
      • RT地址: 5 (二进制 00101)
      • T/R位: 0 (RT接收)
      • 子地址: 12 (二进制 01100)
      • 字计数: 1 (二进制 00001)
  2. BC发送发送命令 (Transmit Command):
    • BC紧接着命令RT7发送数据。
    • 命令字2内容:
      • RT地址: 7 (二进制 00111)
      • T/R位: 1 (RT发送)
      • 子地址: 3 (二进制 00011)
      • 字计数: 1 (二进制 00001)
  3. 发送方RT发送状态字和数据字:
    • RT7在接收到命令后，先发送自己的状态字，然后发送数据字。这些信息会被RT5监听到。
  4. 接收方RT发送状态字:
    • RT5在成功接收到数据后，发送自己的状态字，表示传输完成。

时序图演示:

BC(控制器) 1553B总线 RT5(接收端) RT7(发送端) [CMD] RT5接收@SA12 [CMD] RT7发送@SA3 [STATUS] 就绪 [DATA] 0xABCD [STATUS] ACK 处理延迟: 20μs 总耗时: 50μs BC(控制器) 1553B总线 RT5(接收端) RT7(发送端)

四、代码演示

#include <iostream>    // 用于标准输入输出 (cout)
#include <vector>      // 用于动态数组 (std::vector)
#include <string>      // 用于字符串处理 (std::string)
#include <map>         // 用于键值对存储 (std::map)，模拟子地址
#include <memory>      // 用于智能指针 (std::shared_ptr, std::unique_ptr)
#include <cstdint>     // 用于固定宽度的整数类型 (uint8_t, uint16_t)
#include <bitset>      // 用于将数字转换为二进制字符串表示 (std::bitset)
#include <iomanip>     // 用于格式化输出 (std::setw, std::left, std::hex)
#include <thread>      // 用于模拟传输延迟 (std::this_thread::sleep_for)
#include <chrono>      // 用于时间单位 (std::chrono::milliseconds)// 在命名空间内进行前向声明，避免头文件依赖循环
namespace MilStd1553b {class Bus;class RemoteTerminal;// --- 1. 字结构定义 ---// 定义1553B总线上的三种主要字类型enum class WordType {COMMAND, // 命令字DATA,    // 数据字STATUS   // 状态字};// 使用一个结构体来清晰地表示一个1553B字// 相比于直接操作位，这样更具可读性和类型安全struct Word {WordType type;          // 字的类型uint8_t rtAddress = 0;  // 远程终端地址 (所有字都有)// --- 命令字特有字段 ---uint8_t trBit = 0;      // Transmit/Receive 发送/接收位 (0=RT接收, 1=RT发送)uint8_t subaddress = 0; // 子地址或模式码uint8_t wordCount = 0;  // 要传输的数据字数量// --- 数据字特有字段 ---uint16_t data = 0;      // 16位的数据内容// --- 状态字特有字段 ---bool messageError = false; // 消息错误标志位bool busy = false;         // 终端忙标志位// 为简化起见，省略了其他状态标志位};// --- 创建不同类型字的辅助函数 (工厂函数) ---// 创建一个命令字Word createCommandWord(uint8_t rtAddr, uint8_t tr, uint8_t subAddr, uint8_t wc) {return {WordType::COMMAND, rtAddr, tr, subAddr, wc};}// 创建一个数据字Word createDataWord(uint16_t data) {return {WordType::DATA, 0, 0, 0, 0, data};}// 创建一个状态字Word createStatusWord(uint8_t rtAddr, bool error = false, bool busy = false) {Word w = {WordType::STATUS, rtAddr};w.messageError = error;w.busy = busy;return w;}
} // namespace MilStd1553b// --- 2. 总线和总线角色的模拟 ---
namespace MilStd1553b {/*** @class Bus* @brief 模拟1553B总线本身。在我们的模拟中，它的主要作用是显示总线上的活动。*/class Bus {public:/*** @brief 模拟一次传输，将源、字类型和格式化的字内容打印到控制台。* @param source 传输的源头 (例如 "BC", "RT 5")。* @param word 要传输的字。*/void transmit(const std::string& source, const Word& word) {std::cout << "[" << std::left << std::setw(10) << source + " -> BUS]" // 输出源<< std::setw(15) << wordTypeToString(word.type) + ":"      // 输出字类型<< " " << formatWordForDisplay(word) << std::endl;         // 输出格式化的字内容std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(100));          // 模拟物理传输所需的时间}private:// 将字类型枚举转换为可读的字符串std::string wordTypeToString(WordType type) const {switch (type) {case WordType::COMMAND: return "Command Word";case WordType::DATA:    return "Data Word";case WordType::STATUS:  return "Status Word";}return "Unknown Word";}// 将结构化的Word对象格式化为20位的二进制字符串以供显示std::string formatWordForDisplay(const Word& word) const {std::bitset<3> sync;    // 3位同步头std::bitset<16> content; // 16位内容std::bitset<1> parity;  // 1位奇偶校验位switch(word.type) {case WordType::COMMAND:sync = 0b110; // 命令/状态字的同步头格式// 通过位移和或运算构建16位内容字段content = (std::bitset<16>(word.rtAddress) << 11) |(std::bitset<16>(word.trBit) << 10) |(std::bitset<16>(word.subaddress) << 5) |std::bitset<16>(word.wordCount % 32); // 0表示32个字break;case WordType::STATUS:sync = 0b110; // 命令/状态字的同步头格式// 简化版的状态字内容构建content = (std::bitset<16>(word.rtAddress) << 11) |(std::bitset<16>(word.messageError) << 7); // 仅演示地址和错误位break;case WordType::DATA:sync = 0b001; // 数据字的同步头格式content = std::bitset<16>(word.data);break;}// 计算奇偶校验位 (Odd Parity)// 如果内容中'1'的个数是偶数，则校验位为'1'，否则为'0'parity = (content.count() % 2 == 0) ? 1 : 0;// 使用字符串流来拼接最终的输出std::stringstream ss;ss << sync << " " << content.to_string() << " | " << parity;return ss.str();}};/*** @class RemoteTerminal* @brief 模拟一个远程终端 (RT)。RT被动地响应BC的命令。*/class RemoteTerminal {public:// 构造函数，需要一个唯一的地址和一个指向总线的共享指针RemoteTerminal(uint8_t address, std::shared_ptr<Bus> bus): m_address(address), m_bus(bus) {std::cout << "RT " << static_cast<int>(m_address) << " initialized." << std::endl;}uint8_t getAddress() const { return m_address; }/*** @brief 处理来自BC的命令。* @param command BC发来的命令字。*/void processCommand(const Word& command) {if (command.rtAddress != m_address) return; // 如果地址不匹配，则忽略该命令if (command.trBit == 1) { // 如果是发送命令 (T/R bit = 1)transmitData(command.subaddress, command.wordCount);} else { // 如果是接收命令 (T/R bit = 0)std::cout << "  (RT " << static_cast<int>(m_address) << " internal): Acknowledged RECEIVE command. Ready for "<< static_cast<int>(command.wordCount) << " data words." << std::endl;}}/*** @brief 模拟RT接收数据，并发送状态字作为响应。* @param subaddress 要存储数据的子地址。* @param dataWords 从总线接收到的数据字列表。*/void receiveData(uint8_t subaddress, const std::vector<Word>& dataWords) {std::vector<uint16_t> receivedData;for(const auto& dw : dataWords) {receivedData.push_back(dw.data);}m_subsystems[subaddress] = receivedData; // 将数据存储在模拟的子系统中std::cout << "  (RT " << static_cast<int>(m_address) << " internal): Stored " << dataWords.size() << " words at subaddress " << static_cast<int>(subaddress) << "." << std::endl;// 数据接收成功后，发送状态字auto statusWord = createStatusWord(m_address, false, false);m_bus->transmit("RT " + std::to_string(m_address), statusWord);}// 使用map模拟RT内部的子系统，键是子地址，值是存储的数据// 声明为public以便在main函数中预加载数据进行演示std::map<uint8_t, std::vector<uint16_t>> m_subsystems;private:/*** @brief 模拟RT发送数据。RT首先发送状态字，然后发送数据字。*/void transmitData(uint8_t subaddress, uint8_t wordCount) {// 1. 发送状态字auto statusWord = createStatusWord(m_address);m_bus->transmit("RT " + std::to_string(m_address), statusWord);// 2. 发送数据字auto it = m_subsystems.find(subaddress);if (it == m_subsystems.end()) return; // 如果找不到指定的子地址，则不发送数据for (uint8_t i = 0; i < wordCount && i < it->second.size(); ++i) {auto dataWord = createDataWord(it->second[i]);m_bus->transmit("RT " + std::to_string(m_address), dataWord);}}uint8_t m_address;                    // RT的唯一地址std::shared_ptr<Bus> m_bus; // 指向总线的共享指针};/*** @class BusController* @brief 模拟总线控制器 (BC)。BC是总线上唯一能主动发起通信的设备。*/class BusController {public:// 构造函数，需要一个指向总线的共享指针BusController(std::shared_ptr<Bus> bus) : m_bus(bus) {std::cout << "BC initialized." << std::endl;}/*** @brief 场景一: BC 向 RT 发送数据 (BC-to-RT)*/void bcToRtTransfer(RemoteTerminal& rt, uint8_t sub_addr, const std::vector<uint16_t>& data_list) {// 1. BC 发送“接收命令”给RTauto cmd = createCommandWord(rt.getAddress(), 0, sub_addr, data_list.size()); // trBit=0 表示RT接收m_bus->transmit("BC", cmd);rt.processCommand(cmd); // 通知RT对象处理此命令// 2. BC 发送数据字std::vector<Word> dataWordsToSend;for (const auto& data : data_list) {auto dw = createDataWord(data);dataWordsToSend.push_back(dw);m_bus->transmit("BC", dw);}// 3. RT 接收数据并回应状态字rt.receiveData(sub_addr, dataWordsToSend);}/*** @brief 场景二: BC 从 RT 请求数据 (RT-to-BC)*/void rtToBcTransfer(RemoteTerminal& rt, uint8_t sub_addr, uint8_t word_count) {// 1. BC 发送“发送命令”给RTauto cmd = createCommandWord(rt.getAddress(), 1, sub_addr, word_count); // trBit=1 表示RT发送m_bus->transmit("BC", cmd);// 2. RT 处理命令，并回应状态字和数据字rt.processCommand(cmd);}/*** @brief 场景三: BC 控制一个RT向另一个RT发送数据 (RT-to-RT)*/void rtToRtTransfer(RemoteTerminal& sender_rt, uint8_t sender_sa, RemoteTerminal& receiver_rt, uint8_t receiver_sa, uint8_t word_count) {// 1. BC 向接收方RT发送“接收命令”auto cmd1 = createCommandWord(receiver_rt.getAddress(), 0, receiver_sa, word_count);m_bus->transmit("BC", cmd1);receiver_rt.processCommand(cmd1);// 2. BC 紧接着向发送方RT发送“发送命令”auto cmd2 = createCommandWord(sender_rt.getAddress(), 1, sender_sa, word_count);m_bus->transmit("BC", cmd2);// 3. 模拟关键步骤：发送方RT响应并传输，接收方RT监听并接收std::cout << "  (Bus logic): RT " << static_cast<int>(sender_rt.getAddress()) << " now transmits, and RT " << static_cast<int>(receiver_rt.getAddress()) << " listens." << std::endl;// 触发发送方RT的传输逻辑sender_rt.processCommand(cmd2);// 在我们的模拟中，需要手动将“已发送”的数据传递给接收方RT来完成闭环auto it = sender_rt.m_subsystems.find(sender_sa);if(it != sender_rt.m_subsystems.end()) {std::vector<Word> dataWordsTransferred;for(uint16_t data : it->second) {dataWordsTransferred.push_back(createDataWord(data));}// 4. 接收方RT接收数据并回应其状态字receiver_rt.receiveData(receiver_sa, dataWordsTransferred);}}private:std::shared_ptr<Bus> m_bus; // 指向总线的共享指针};} // namespace MilStd1553b// --- 3. Demo演示主程序 ---
int main() {// 使用命名空间以简化代码using namespace MilStd1553b;// --- 环境设置 ---// 使用智能指针管理对象的生命周期auto bus = std::make_shared<Bus>();                        // 创建一个总线实例auto bc = std::make_unique<BusController>(bus);           // 创建一个总线控制器实例auto rt5 = std::make_shared<RemoteTerminal>(5, bus);  // 创建地址为5的RT (例如，显示单元)auto rt7 = std::make_shared<RemoteTerminal>(7, bus);  // 创建地址为7的RT (例如，传感器单元)// 在RT7的子地址3中预先加载一些模拟的传感器数据rt7->m_subsystems[3] = {0xABCD}; // --- Demo开始 ---std::cout << "\n" << std::string(60, '=') << std::endl;std::cout << "DEMO START: MIL-STD-1553B Communication Simulation (C++)" << std::endl;std::cout << std::string(60, '=') << "\n" << std::endl;// --- 场景一: BC-to-RT 传输 ---std::cout << ">>> SCENARIO 1: BC sends data to RT 5 (e.g., update display)" << std::endl;std::cout << std::string(60, '-') << std::endl;bc->bcToRtTransfer(*rt5, 12, {0xCAFE, 0xBABE});std::cout << std::string(60, '-') << "\n" << std::endl;// --- 场景二: RT-to-BC 传输 ---std::cout << ">>> SCENARIO 2: BC requests sensor data from RT 7" << std::endl;std::cout << std::string(60, '-') << std::endl;bc->rtToBcTransfer(*rt7, 3, 1);std::cout << std::string(60, '-') << "\n" << std::endl;// --- 场景三: RT-to-RT 传输 ---std::cout << ">>> SCENARIO 3: BC commands RT 7 to send its sensor data directly to RT 5" << std::endl;std::cout << std::string(60, '-') << std::endl;bc->rtToRtTransfer(*rt7, 3, *rt5, 15, 1);std::cout << std::string(60, '-') << "\n" << std::endl;// --- Demo结束 ---std::cout << std::string(60, '=') << std::endl;std::cout << "DEMO COMPLETE" << std::endl;std::cout << "Final data in RT 5's subaddress 15: 0x" << std::hex << rt5->m_subsystems[15][0] << std::endl;std::cout << std::string(60, '=') << std::endl;return 0;
}

命名空间 MilStd1553b: 所有的相关类和函数都被封装在这个命名空间中，以避免命名冲突。

Word 结构体: 与其使用字符串，C++版本采用一个结构体来清晰地定义一个“字”的内容。这提供了更好的类型安全性和可读性。enum class WordType 用于区分字的类型。

智能指针 (std::shared_ptr, std::unique_ptr): 代码使用现代C++的内存管理方式。Bus 和 RemoteTerminal 使用 std::shared_ptr，因为多个对象（BC和RTs）可能共享对总线的访问。BusController 使用 std::unique_ptr，因为通常系统中只有一个BC实例。

std::bitset: formatWordForDisplay 函数使用 std::bitset 来将整数形式的地址、数据等轻松转换为二进制字符串，用于在控制台输出，直观地展示总线上的位模式。

类设计: BusController、RemoteTerminal 和 Bus 的职责划分清晰，分别模拟了它们在真实系统中的角色。方法（如 bcToRtTransfer）的命名直观地反映了它们执行的1553B协议操作。

输出: 程序的输出与Python版本非常相似，会按时间顺序显示总线上的每一次传输（命令、数据、状态），让你能清楚地跟踪每个场景的完整消息序列。

五、 总结

MIL-STD-1553B总线凭借其严格的控制协议、高可靠性和确定性，在航空电子和国防系统中扮演着至关重要的角色。其命令/响应机制确保了所有数据交换都在总线控制器（BC）的统一调度下有序进行，避免了数据冲突。双冗余设计和健壮的物理层使其能够抵御恶劣的电磁干扰和物理损伤。理解其字格式和核心的通信协议是掌握和应用1553B技术的关键。尽管现代技术中出现了更高速的总线（如AFDX），但1553B因其无与伦比的可靠性和成熟度，在许多关键系统中至今仍是不可或缺的组成部分。

http://www.dtcms.com/a/268943.html

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