1553B总线消息传输优化设计在武器装备系统中的应用
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作者:张蕾
摘 要：为了提高武器装备系统1553B总线消息传输的实时性，降低总线的通信延迟率，本文提出了一种1553B总线消息传输优化算法。该算法基于最大分配距离对非周期性消息传输进行优化设计。仿真实验结果表明，利用改进后的算法对1553B总线周期性消息和非周期性消息混合传输进行优化，能够在满足每条消息最大延迟时间要求的前提下，合理确定每条消息的相位，使得总线各条消息的延迟时间率达到均衡，有效地缓解了总线消息拥塞和饱和现象，解决了总线负载均衡的难题，提高了总线处理异步消息的能力。
关键词：1553B总线 武器装备 优化设计 非周期性消息
中图分类号：TP336 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2020）01（a）-0075-02
在信息化战争的时代背景下，信息作为一种新型资源成为生成战斗力的主导资源，信息技术作为武器装备系统的主导资源，信息的传输效率和传输质量直接关系到战争的成败。1553B总线消息传输广泛应用于武器装备系统中，应该确保消息传输的实时性。通过对1553B总线消息传输算法进行优化设计，能够确保1553B总线上同时收到不同周期不同长度的多种消息时，能够合理的对多种消息进行优化调度，保证消息传输的实时性，提高1553B总线系统的性能，最终提升武器装备系统的实时性和可靠性。
基于计算量向量算法、RMS调度算法、长释放时间间隔优先算法、HTSF算法等是1553B总线消息比较常见的优化算法。其中基于RMS调度算法和计算量向量算法都是基于静态负载均衡的，没有解决消息的动态负载均衡问题，所以当很多非周期性消息同时进入总线时，就会出现堵塞和饱和现象，影响到消息传输的实时性;HTSF算法不仅执行效率低，而且还没有考虑到在同一时刻会有多条消息同时到达的情况;长释放时间间隔优先算法无法确保突发消息或者释放间隔较小的消息在截止期前完成调度。在综合各种算法特点的基础上，本文提出一种1553B总线消息优化算法，能够最大程度的均衡总线负载，降低总线的平均延迟时间，提高1553B总线在武器装备系统中的利用效率[1]。
1 1553B总线传输机制分析
1553B总线是时分指令/响应多路传输数据的总线，采用集中控制式结构，由传输介质、总线控制器（Bus Control，BC）、远程终端（Remote Terminal，RT）和总线监视器（Bus Monitor，BM）四个部分组成。图1为1553B总线系统拓扑图，在1553B总线系统传输中，消息是基于半双工的通信模式按照时间顺序依次在总线上进行传输的，分为周期性消息和非周期性消息两类。1553B总线传输系统中大多为周期性消息，在发送和传输时都是按照固定的周期、相位和顺序进行，在传输过程中允许存在可容忍的延迟。非周期性消息即少数随机突发事件消息，如故障、警报等，一般都是在周期消息传输过程中随机插入的突发服务请求[2]。因为非周期性消息对实时性和可靠性有较高要求，所以对非周期性消息和周期性消息同时存在1553B总线传输机制建模及性能指标进行研究具有重要意义。
2 基于最大分配距离进行非周期性消息调度
在周期性消息和非周期性消息混合传输的过程中，在每个小周期内周期性消息传输完成后的剩余时间是用来处理非周期性消息的，若第一个小周期内的非周期性消息没有处理完，总线控制器就会将其放到下一个小周期内处理。如果连续几个小周期都无法处理该条非周期性消息，很可能导致该非周期性消息处理失败，造成总线饱和或者堵塞现象。
为了提高1553B总线消息传输的实时性，降低总线的通信延迟率，本文提出了一种改进遗传算法的1553B总线消息传输优化算法。该算法基于最大分配距离对非周期性消息传输进行优化设计。仿真实验结果表明，利用改进后的算法对1553B总线周期性消息和非周期性消息混合传输进行优化，能够在满足每条消息最大延迟时间要求的前提下，合理确定每条消息的相位，使得总线各条消息的延迟时间率达到均衡，有效地缓解了总线消息拥塞和饱和现象，解决了总线负载均衡的难题，提高了总线处理异步消息的能力[3]。
基于最大分配距离的算法如下：
令消息传输时间X=Xc+Xs+Xr+Xg+n*Xd。其中，Xc为指令字传输时间，Xs为状态字传输时间，Xr为响应时间，Xg为消息间隔时间，Xd为数据字传输时间;
设定非周期性消息的个数为m，将m个消息安排在n个小周期上（m≥n），各个小周期上传输时间之和分别为A1，A2，…，An;
定义d=|Ai-Aj|，（i，j=1，2，…，n，i≠j）为分配距离，最大分配距离即dmax=|max（Ai）-min（Aj）|;
为了保证分配各组之间的差异达到最小，需保证最大分配距离值最小。将m个消息的传输时间由大到小排列，即X1≥X2…≥Xm，;
取出前n個元素，将Xn和Xn+1相加，得到X1，X2，…，Xn+Xn+1这组数，再将该组数按照由大到小顺序排列得到Y1，Y2，…，Yn，然后再把Xn+2和Yn相加，…，以此类推。
按照上述算法将m个非周期性消息安排在了n个小周期上。
假设1553B总线上有14条非周期性消息，这些非周期性消息传输所需的时间（单位为ms）分别为31，12，15，3，9，29，10，2，6，18，22，14，10，8，将上述消息安排在4个小周期上（A1～A4）上，按照上述“最大分配距离”的算法，具体计算过程见表1。
消息传输时间理论均值为：
（31+12+15+3+9+29+10+2+6+18+22+14+10+8）/4=47.25ms
最大分配距离为：
max（49，48，47，45）-min（49，48，47，45）=4ms
从上述表1中可以看出，1553B总线上消息的最大延迟时间为（47.25-45=2.25）ms，采用最大分配距离的方法进行非周期性消息的传输，避免了1553B总线上消息传输过于密集而导致总线拥塞的情况，从而极大地提高了1553B总线利用率。
3 结语
1553B总线是一种集中式控制的串行总线型网络， 由于其高可靠性和实时性， 在航空、航天、军事等领域的电子联网系统中得到了广泛的应用。把1553B总线系统消息传输的优化设计的方法运用到武器装备系统中必能有效提升总线系统的性能。
参考文献
[1] 蒲舰舸，雷航. MIL-STD-1553B总线上的实时调度算法[J].成都信息工程学院学报，2005，20（5）：550-554.
[2] 宾辰忠，苗克坚. 基于1553B总线的实时消息流实现与控制[J].计算机测量与控制，2005，13（9）：967-969.
[3] 赵昶宇，颜昌翔，于平. 1553B总线上消息的实时调度[J].光学精密工程，2010，18（3）：732-740.
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