MIL-STD-1553

MIL-STD-1553是美國國防部發布的一個軍用標準，定義了機械、電氣和串行數據總線的功能特徵。它最初是設計來作為軍用航空電子的航空數據總線，但現在已普遍用於軍用和民用太空飛行器的機載數據處理（OBDH）子系統。它具有多個（通常為雙重）冗餘 (工程學)的平衡線路物理層、一個差分網路接口設備、時分多路復用、半雙工命令/響應協議，並可處理多達30個遠程終端（設備）。使用光纜代替電纜的MIL-STD-1553版本稱為MIL-STD-1773。

MIL-STD-1553最早在1973年作為一項美國空軍標準發布，並首次用於F-16戰隼戰鬥機戰鬥機。其他飛機的設計也迅速跟進，包括F/A-18黃蜂式戰鬥攻擊機、AH-64阿帕契直升機、P-3獵戶座海上巡邏機、F-15鷹式戰鬥機以及F-20虎鯊戰鬥機。它現在在美軍所有軍種廣泛使用，北大西洋公約組織（NATO）亦已將之作為STANAG 3838 AVS採用。STANAG 3838在英國為UK MoD Def-Stan 00-18 Part 2，使用於龍捲風戰鬥轟炸機、鷹式教練機（Mk 100及之後），以及廣泛配合STANAG 3910 -「EFABus」，用於颱風戰鬥機。JAS 39獅鷲戰鬥機使用MIL-STD-1553B。俄羅斯製造的米格-35戰鬥機也使用MIL-STD-1553。印度的烈火系列飛彈據稱也使用了該總線系統，並還有不少軍事裝備應用該總線作為電子通信接口。MIL-STD-1553正在由一些更新的美國技術取代，如IEEE 1394。

## 修訂

MIL-STD-1553B發布於1978年，取代了早先1975年發布的MIL-STD-1553A規範。1553A與1553B修訂版本的基本區別在於，後者定義選項，而不是讓使用者自行按需定義。標準制定者發現，當標準沒有定義某一規範時，它的使用就沒有協調，硬體和軟體必須為每個新的應用程式重新設計。1553B的主要目標是提供靈活性，而無需為每個新使用者創建新的設計。這通過明確指定電氣接口來實現，從而確保不同製造商的設計之間的電氣兼容性。

自1978年以來，已經對該標準發布了六項變更通知。例如，1986年的第二號變更通知將文檔標題「飛機內部時分命令/響應多路復用數據總線」改為「數字時分命令/響應多路復用數據總線」。

MIL-STD-1553標準目前由美國國防部和汽車工程師學會航太部門維護。

## 物理層

單個總線由在1MHz時具有70-85Ω阻抗的線對組成。在使用圓形連接器的情況下，其中心引腳用於高（正）曼徹斯特雙相信號。發射器和接收器經由隔離變壓器耦合到總線，並使用一對隔離電阻器和可選的耦合變壓器分支出短截線連接。這減少了短路的影響，並確保總線不通過飛機傳導電流。曼徹斯特編碼用於在同一線對上同時傳輸時鐘和數據，並消除信號中的直流分量（其不能通過變壓器）。比特率為1.0Mbps（每微秒1比特）。比特率的準確度和長期穩定性綜合在一起，僅規定在±0.1％之內；短期時鐘穩定度必須在±0.01％以內。發射器的峰值輸出電壓為18-27V。

通過使用幾個獨立的線對，總線可以成為冗餘 (工程學)，然後所有設備連接到所有總線。在當前主控制器發生故障的情況下，指定新的總線控制電腦。通常，輔助飛行控制電腦通過主數據總線監視主電腦和飛行器傳感器。使用光纖的不同版本總線重量較輕，並具有更好的電磁干擾抗性，包括電磁脈衝（EMP）。這也稱為MIL-STD-1773。「AS 1773」實現具有1Mbit/s與20Mbit/s的雙速率。

## 總線協議

一個MIL-STD-1553多路數據總線系統由控制多個遠程終端（RT）的總線控制器（BC）組成，它們通過數據總線連接在一起，在總線控制器與所有相關的遠程終端之間提供單個數據路徑。這也可以有一個或多個總線監視器（BM）；但是，總線監視器尤為不允許參與數據傳輸，僅用於捕獲和記錄數據用於分析等。在冗餘總線實現中，使用若干數據總線來提供多於一個數據路徑，即為雙冗餘數據總線、三冗餘數據總線等。到數據總線的所有傳輸都可以藉由總線控制器和所有連接的遠程終端取得。消息是由一個或多個16位字（命令、數據或狀態）組成。包含每個字的16位元使用曼徹斯特編碼發送，其中每個位元傳輸為0.5微秒高與0.5微秒低表示一個邏輯1，而低-高序列表示一個邏輯0。每個字前面有一個3微秒同步脈衝（數據字為1.5微秒低+1.5微秒高，對於命令和狀態字則相反，不能在曼徹斯特碼中出現）及尾隨的奇偶校驗位。實際上每個字可以視同一個20位元字：3位元用於同步，16位元用於有效負載，1位元用於奇偶校驗控制。消息內的字連續傳輸，並且消息之間必須至少有4微秒的間隙。不過，這種消息間間隙可以並且通常遠大於4微秒，甚至一些舊的總線控制器將達到1毫秒。設備必須在4-12微秒內開始將其響應發送到一個有效命令，並且如果在14微秒內沒有開始響應，則認為沒有接收到命令或消息。

總線上的所有通信都在總線控制器的控制下，包括從總線控制器到遠程終端的接收與發送命令。用於將數據從總線控制器傳輸到終端的字序列（符號形式為`<originator>.<word_type(destination)>`，類似通信順序進程的符號）為：

主動方.命令(終端) → 終端.狀態(主動方) → 主動方.數據(終端) → 主動方.命令(終端) → 終端.狀態(主動方)

而終端到終端的通信為：

主動方.命令(終端_1) → 終端_1.狀態(主動方) → 主動方.命令(終端_2) → 終端_2.狀態(主動方) → 主動方.命令(終端_1) → 終端_1.數據(終端_2) → 主動方.命令(終端_2) → 終端_2.狀態(主動方)

這意味著在傳輸期間，所有通信由總線控制器啟動，並且終端設備不能自己開始數據傳輸。在遠程終端到遠程終端傳輸的情況下，序列如下：在遠程終端接口（例如RT1）後面的子系統中的應用或功能將要發送的數據寫入特定（發送）子地址（數據緩衝器）中。該數據寫入子地址的時間不一定與事務的時間相關聯，儘管接口確保不發送部分更新的數據。總線控制器命令作為數據目的地的遠程終端（例如RT2）在指定（接收）數據子地址接收數據，然後命令RT1從命令中指定的發送子地址發送。RT1發送狀態字，指示其當前狀態和數據。總線控制器接收RT1的狀態字，並且看到發送命令已經接收，並且操作無誤。RT2接收共享數據總線上的數據，並將其寫入指定的接收子地址，並發送其狀態字。接收RT接口後面的子系統上的應用或功能然後可以訪問數據。同樣，該讀取的時間不一定與傳送的時間相關。總線控制器接收RT2的狀態字，並且看到接收命令和數據已經無誤接收和操作。

然而，如果遠程終端無法通過設置狀態字中的錯誤位來發送其狀態或期望的數據或指示問題，則總線控制器可以重試該傳輸。這樣的重試有幾種選擇，包括立即重試（在冗餘數據總線對的另一數據總線上）和在傳輸序列中稍後重試（在同一總線上）。

序列確保終端正在工作並且能夠接收數據。在序列的數據傳輸結束時的狀態字確保數據已接收、且可接受數據傳輸的結果。正是這個序列使MIL-STD-1553具有高的完整性。

然而，該標準沒有規定任何特定傳輸的特定時間——這取決於系統設計師。通常（大多數軍用飛機上的做法），總線控制器具有覆蓋大多數傳送的傳送調度，通常組織成主幀或主周期，再細分為小周期。在這種循環執行調度結構中，在每個小周期（速率組1）中發生的傳送以最高速率（通常為50Hz）發生，在每隔一個小周期發生的傳送中，其中有兩個組（速率組2.1和2.2）以下一個最高速率發生，例如25Hz。類似地，有四組（3.1、3.2、3.3和3.4）則例如12.5Hz等。因此，在使用該調度結構的情況下，傳輸全部在諧波相關的頻率上，例如50、25、12.5、6.25、3.125及1.5625Hz（對於在50Hz下包括32個次循環的主幀）。雖然遠程終端不能直接自己開始傳送，但該標準包括遠程終端需要傳送、而未經總線控制器自動調度時的方法。這些傳送通常稱為非循環傳送，因為它們在循環執行程序使用的結構之外。在此序列中，遠程終端通過狀態字中的一個位（「服務請求」位）請求傳送。通常來說，這使總線控制器發送「傳送向量字模式代碼」命令。然而，當遠程終端僅具有一個可能的非循環傳輸時，總線控制器可以跳過該部分。向量字由遠程終端作為單個16位數據字發送。此向量字的格式未在標準中定義，因此系統設計人員必須指定什麼值、來自什麼遠程終端、意味著總線控制器將採取什麼操作。這可以是立即或在當前次循環結束時安排非循環傳送。這意味著總線控制器必須輪詢連接到數據總線的所有遠程終端，通常在主要周期中至少輪詢一次。具有較高優先級功能的遠程終端（例如，操作飛行器控制表面的遠程終端）輪詢地更為頻繁。低優先級功能的輪詢頻率較低。

在總線控制器與特定遠程終端之間，或者在總線控制器與一對遠程終端之間，允許六種類型的事務：

<image>

- 控制器到遠程終端傳輸。總線控制器發送一個16位接收命令字，緊隨1到32個16位數據字。然後，所選的遠程終端發送一個16位狀態字。
- 遠程終端到控制器傳輸。總線控制器向遠程終端發送一個發送命令字。遠程終端然後發送一個狀態字，緊隨1到32個字。
- 遠程終端到遠程終端傳輸。總線控制器發出一個接收命令字，緊隨一個發送命令字。發送遠程終端發送一個狀態字，j緊隨1到32個數據字。接收終端然後發送其狀態字。
- 無數據字的模式命令。總線控制器發送一個命令字，子地址為0或31，表示「模式代碼」類型命令。遠程終端用一個狀態字響應。
- 有數據字的模式命令（發送）。總線控制器發送一個命令字，子地址為0或31，表示「模式代碼」類型命令。遠程終端以一個狀態字作為響應，緊隨一個數據字。
- 有數據字的模式命令（接收）。總線控制器發送一個具有子地址0或31的命令字，表示「模式代碼」類型命令，緊隨一個數據字。遠程終端用一個狀態字響應。

MIL-STD-1553B還引入了可選的廣播傳輸的概念，其中數據會發送到實現該選項的所有遠程終端，但是沒有遠程終端響應，因為這將導致總線上的衝突。這可以用在將相同的數據發送到多個遠程終端的地方，以減少事務的數量，從而減少數據總線上的負載。然而，接收這些廣播的遠程終端缺乏顯式響應意味著，在事務有錯誤的情況下不能自動地重新嘗試這些傳輸。

在總線控制器和所有有能力的遠程終端之間允許四種類型的廣播事務：

<image>

- 控制器到遠程終端傳輸。總線控制器發送一個接收命令字，終端地址為31，表示廣播類型命令，後面緊隨0到32個數據字。所有實現廣播的遠程終端將接受數據，但不會有遠程終端響應。
- 遠程終端到遠程終端傳輸。總線控制器發出一個接收命令字，終端地址為31，表示廣播類型命令，緊隨一個發送命令。發送遠程終端發送一個狀態字，緊隨1到32個數據字。所有實現廣播的遠程終端將接受該數據，但不會有遠程終端響應。
- 無數據字的模式命令（廣播）。總線控制器發送一個命令字，終端地址為31，表示廣播類型命令，子地址為0或31，表示「模式代碼」類型命令。不會有遠程終端響應。
- 有數據字的模式命令（廣播）。總線控制器發送一個命令字，終端地址為31，表示廣播類型命令，子地址為0或31，表示「模式代碼」類型命令，之後緊隨一個數據字。不會有遠程終端響應。

命令字的構造如下。前5位是遠程終端地址（0-31）。第六位對於接收為0，對於發送為1。接下來的5位表示在終端（1-30）上保持或獲取數據的位置（子地址）。注意，子地址0和31保留用於模式代碼。最後5位表示期望的字數（1-32），全部為零表示32個字。在模式代碼情況下，這些位指示模式代碼數字（例如，發起「自我測試」與「發送位元字」）。

遠程終端地址 (0 - 31)｜接收或發送｜數據位置（子地址） (1 - 30)｜預期字數 (1 - 32)

1｜2｜3｜4｜5｜6｜7｜8｜9｜10｜11｜12｜13｜14｜15｜16

狀態字解碼如下。前5位元是正在響應的遠程終端的地址。該字的其餘部分是單位元條件碼。保留一些位元。狀態「1」表示條件為真；「消息錯誤」和「服務請求」為示例。多個條件可能同時為真。

遠程終端地址｜單位元條件碼

1｜2｜3｜4｜5｜6 - 16

下面的圖像例示了上面解釋的許多協議和物理層概念。例如，命令字中包含的遠程終端地址值0x3（範圍為0到31）。第六位元為1，表示從遠程終端發送。子地址為0x01。最後5位元表示期望取得的給1的字數量，其與狀態字之後的單個數據字（值為0x2）相匹配。

同樣如上所述，設備必須在4-12微秒內開始將其響應發送到有效命令。在如下示例中，響應時間為8.97微秒，因此在規格範圍內。這意味著遠程終端3在總線控制器查詢的8.97微秒後響應。查詢的振幅比響應的振幅低，是因為信號探測位置更靠近遠程終端。

在狀態字中，前5位元是正在響應的遠程終端的地址，在這種情況下為0x3。正確的傳輸在命令字中顯示與狀態字中相同的遠程終端地址。

<image>

## 概念描述

<image>

圖1顯示了一個樣例MIL-STD-1553B系統，包括：

- 冗餘MIL-STD-1553B總線
- 一個總線控制器
- 一個備用總線控制器
- 一個總線監控器
- 一個獨立的遠程終端，其具有與其通信的一個或多個子系統
- 一個具有嵌入式遠程終端的子系統

### 總線控制器

在任何MIL-STD-1553總線上同時只能有一個總線控制器。它通過總線發起所有消息通信。

圖1顯示了1553數據總線的細節：

- 根據存儲在其本地存儲器中的命令列表進行操作
- 命令各種遠程終端發送或接收消息
- 服務從遠程終端接收的任何請求
- 檢測和從錯誤中恢復
- 保留錯誤歷史

1553B規範規定系統中的所有器件都連接到冗餘總線對，以在主總線損壞或故障的情況下提供備用數據路徑。總線消息一次只在一條總線上傳輸，由總線控制器決定。

### 備用總線控制器

儘管在任何時間，總線上只有一個總線控制器（BC），但是該標準提供了使用狀態字和模式代碼中的標誌切換到備用總線控制器（BBC）或（BUBC）的機制。這也可以在正常操作中由於特定功能切換而使用，例如切換到切換或自在飛機外部但連接到總線的總線控制器。在故障和故障條件下切換的過程通常涉及主用和備用總線控制器之間的離散連接，並且該備用監視在操作期間主總線控制器的動作。例如，如果總線上存在過長的靜止，則指示活動的總線控制器已失效，則由離散連接指示下一個最高優先級的備用總線控制器接管並開始作為活動的總線控制器操作。

### 總線監控器

總線監控器（Bus Monitor，BM）不能通過數據總線傳遞資訊。它的主要作用是監視和記錄總線事務，而不會干擾總線控制器或RT的操作。然後可以存儲這些記錄下來的總線事務，用於以後的離線分析。

理想情況下，總線監控器捕獲並記錄通過1553數據總線發送的所有消息。然而，記錄繁忙數據總線上的所有事務可能是不切實際的，因此總線監控器經常會配置為事務紀錄子集，根基於應用程式提供的一些標準。

或者，總線監控器可以與備用總線控制器結合使用。這使得備用總線控制器調用成為活動總線控制時，能夠「調到正常運行」`{{what}}`。

### 遠程終端

一個遠程終端可用於提供：

- MIL-STD-1553B數據總線與一個附加子系統之間的接口
- 一個MIL-STD-1553B總線與另一個MIL-STD-1553B總線之間的橋接。

例如，在履帶式車輛中，一個遠程終端可以從慣性導航子系統獲取數據，並通過1553數據總線將該數據發送到另一個遠程終端，以顯示在機組儀表上。遠程終端的更簡單的示例可以是接通飛行器的前燈、著陸燈或信號器的接口。

遠程終端測試計劃：

遠程終端驗證測試計劃（RT Validation Test Plan）是用於遠程終端設計的設計驗證，以滿足AS 15531和MIL-STD-1553B（含通知2）的要求。這個測試計劃最初定義在MIL-HDBK-1553附錄A。它在MIL-HDBK-1553A第100章中更新。該測試計劃現在由SAE AS-1A航空電子網絡小組委員會維護為AS4111。

遠程終端生產測試計劃（RT Production Test Plan）是驗證測試計劃的簡化子集，用於遠程終端的生產測試。該測試計劃由SAE AS-1A航空網路小組委員會維護為AS4112。

## 總線硬體特徵

總線硬體包括：（1）電纜、（2）總線耦合器、（3）終端器、（4）連接器。

### 線纜

儘管MIL-STD-1553B規定數據總線應具有70至85歐姆之間的特性阻抗，但業界標準化為78歐姆。同樣，業界已普遍標準化雙芯電纜的特性阻抗為78歐姆。

MIL-STD-1553B沒有指定總線的長度。但是，總線的最大長度直接與電纜導體的規格和發送信號的時間延遲有關。較小的導體比較大的導體更易衰減信號。1553B電纜的典型傳播延遲為每英尺1.6納秒。因而，100ft總線的兩端之間存在160納秒的傳播延遲，其等於1553B信號的平均上升時間。根據MIL-HDBK-1553A，當信號的傳播延遲時間大於上升或下降時間的50%時，需要考慮傳輸線效應。該延遲時間與傳播的距離成比例。此外，必須考慮發射機和接收機之間的實際距離以及發射機和接收機的各個波形特性。

MIL-STD-1553B指定對於變壓器耦合的短截線（stub），最長為20ft，但可以超過。當沒有連接短截線，主母線看起來像一條無限長的傳輸線，沒有干擾的反射。短截線添加後，便會加載總線，造成阻抗失配並產生信號反射。反射引起的失配和信號失真的程度，是短截線呈現的阻抗和端子輸入阻抗的函數。為使信號失真最小化，期望短截線保持高阻抗，該阻抗反射回總線。但與此同時，阻抗必須保持較低，方能將足夠的信號功率傳送到接收端。因此，為了達到指定的信噪比和系統誤碼率性能，需要在這些衝突要求之間進行權衡。（有關更多資訊，參閱MIL-HDBK-1553A）。

### 短截線

<image>

每個終端、遠程終端、總線控制器、總線監控器都是通過短截線連接到總線，短截線由與該總線本身相同類型的一段電纜形成。MIL-STD-1553B定義了將這些短截線耦合到總線的兩種方式：變壓器耦合的短截線和直接耦合的短截線。變壓器耦合的短截線對於它們的容錯和更好地匹配總線阻抗以及隨之而來的減少反射等是優選的。MIL-STD-1553B的附錄（10.5節，Stubbing）說明「優選的短截線方法是使用變壓器耦合短截線...這種方法提供了直流隔離，增加共模抑制，有效短截線加倍阻抗和整個短截線與終端的故障隔離好處。直接耦合的短截線...如果可能的話應該避免。直接耦合短截線不為其子系統外部的終端提供直流隔離或共模抑制。此外，子系統內部隔離電阻（通常在電路板上）和主總線結之間的任何短路故障將導致整個總線的故障。可以預期，當直接耦合短截線長度超過1.6英尺0.5米時，它將開始使主總線波形失真。」

使用變壓器耦合的短截線還可以為1553終端提供更好的防雷擊保護。在新的複合材料飛機中，隔離是更加關鍵的，其飛機外皮不再提供鋁蒙皮飛機那樣固有的法拉第屏蔽。

在變壓器耦合的短截線中，短截線電纜的長度不應超過 20ft，但如果安裝要求決定，這可能會超過。耦合變壓器的匝數比必須為1：1.41±3.0%。電阻R都必須具有0.75Zo±2.0%的值，其中Zo是1MHz處總線的特性阻抗。

<image>

在直接耦合短截線中，短截線電纜的長度不應超過1英尺，但如果安裝要求，也可能超過這個長度。隔離電阻R必須具有55歐姆±2.0%的固定值。

### 總線耦合器

遠程終端、總線控制器、總線監控器的短截線通常通過耦合盒連接到總線，其可以提供單個或多個短截線連接。它們提供所需的屏蔽（≥75%），對於變壓器耦合的短截線，包含耦合變壓器和隔離電阻。它們具有兩個通過總線饋電的外部連接器，以及一個或多個短截線連接的外部連接器。這些短截線連接器不應使用匹配的電阻端接，但在不使用時保留開路，必要時帶有遮蓋帽。總線連接器中的一個可以端接在總線耦合器物理地位於總線電纜的端部處，即通常認為在最後的總線耦合器和終端電阻器之間具有一定長度的總線電纜通常不是必須的。

### 電纜端接

總線的兩端，無論是包括一個耦合器還是一系列連接在一起的耦合器，都必須端接（根據MIL-STD-1553B）「一個電阻，等於所選電纜標稱特性阻抗（Zo）±2.0％」。這通常為78歐姆。電氣端接的目的是最小化可能導致波形失真的信號反射的影響。如果沒有端接，則可能損害通信信號，導致通信中斷或間歇性故障。

### 連接器

該標準未指定連接器類型及它們應如何連接，除了屏蔽要求等。在實驗室環境中通常使用同心雙插針卡口連接器。這些連接器有標準（BNC尺寸）、微型和亞微型尺寸。在軍用飛機實現中，MIL-DTL-5015和MIL-DTL-38999通常使用圓形連接器。

## 類似系統

DIGIBUS（或Digibus）是法國與MIL-STD-1553類似的標準，它在總線控制器、遠程終端、監控器、相同傳輸速度的概念上類似MIL-STD-1553，不同之處是DIGIBUS對數據與命令使用獨立的連結。

GOST R 52070-2003是俄羅斯與MIL-STD-1553等效的標準，其蘇聯時期的版本稱GOST 26765.52-87。這兩套GOST標準的編碼結構、數據率、控制指令都與1553B標準一致。GJB289A是中國與MIL-STD-1553等效的標準。這一標準的文字無法找到，但已知直-10可藉助此總線可以使用蘇聯和西方的武器。

## 開發工具

在開發和故障排除MIL-STD-1553時，檢查硬體信號對找到問題可能非常重要。具有解碼能力的邏輯分析儀、總線分析器或協議分析器對收集、分析、解碼和存儲信號是很有用的工具，可以使工程師在之後查看高速波形。

## 參見

- MIL-STD-1760
- MIL-STD-704
- 飛行控制系統
- 電傳操縱系統
- 航空電子全雙工交換乙太網（AFDX） - 一項更快的基於乙太網的技術
- ARINC 429 - 商業航空電子對手
- 總線控制器 - 總線耦合器的簡要說明。

## 來源

- MIL-STD-1553B： Digital Time Division Command/Response Multiplex Data Bus 美國國防部，1978年9月。
- SAE AS15531： Digital Time Division Command/Response Multiplex Data Bus
- SAE AS15532： Data Word and Message Formats
- SAE AS4111： RT Validation Test Plan
- SAE AS4112： RT Production Test Plan

## 外部連結

- MIL-STD-1553 Tutorialfrom Avionics Interface Technologies (registration required)
- MIL-STD-1553 Tutorial (video) from Excalibur Systems Inc.
- MIL-STD-1553 Tutorial by GE Intelligent Platforms (registration required)
- MIL-STD-1553 Tutorial and References from Ballard Technology (includes MIL-STD-1553B & MIL-HDBK-1553A Notice2)
- MIL-STD-1553 Designer's Guide from Data Device Corporation
- MIL-STD-1553 Tutorial and Reference from Alta Data Technologies
- MIL-STD-1553 Tutorial from AIM GmbH
- INTRODUCTION TO THE MIL-STD-1553B SERIAL MULTIPLEX DATA BUS by D. R. Bracknell, 皇家航空研究院, Farnbourogh, 1988.
- Introduction to MIL-STD-1553 Short Course from Georgia Tech Professional Education
- MIL-STD-1553 Complete online reference from Data Device Corporation
- Military Computer with MIL-STD-1553 Interface from AMDTEC Defence