MIL-STD-1553 Autor: Martin Gäumann Fach: Embedded Control Klasse: E3A, HTI Burgdorf Dozent: Prof. M. Felser Burgdorf,

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1 MIL-STD-1553 Autor: Martin Gäumann Fach: Embedded Control Klasse: E3A, HTI Burgdorf Dozent: Prof. M. Felser Burgdorf,

2 Inhaltsverzeichnis 1. Einführung Was bedeutet MIL-STD-1553? Geschichte Markt und Einsatzgebiete Anwendungs- und Einsatzmodelle Bus Komponenten Bus Controller Bus Monitor Remote Terminal Technologie Physical layer Bus protocol Command Word Data Word Status Word Ablauf der Informationsübertragung Installationstechnik Stub Terminator Kabel und Stecker Anhang Quellenverzeichnis... 9

3 1. Einführung 1.1 Was bedeutet MIL-STD-1553? Der MIL-STD-1553 ist ein militärischer Standard, welcher vom U.S. DoD (Department of Defense) veröffentlicht wurde. Die Definition beinhaltet die mechanischen, elektrischen und funktionalen Eigenschaften dieses seriellen Busses. Ursprünglich entwickelt für militärischen Kampfflugzeuge, wird er Heute in allen Bereichen des Militärs genutzt. Zudem findet er Anwendung in der Raumfahrt und in der zivilen Luftfahrt. 2. Geschichte Die analogen Punkt-zu-Punkt-Verbindungen, mit welchen früher die Sensoren, Aktoren und Controller verbunden wurden, stellten sich gerade im Flugzeugbau als ineffizient heraus. Der Verkabelungsaufwand und das Gewicht wurden mit der zunehmenden Komplexität und dem Einzug der Computer im Flugzeug zu gross. Deshalb wurde 1968 durch die SAE (Society of Automotive Engineers) ein Komitee mit Fachleuten aus der Industrie und dem Militär ins Leben gerufen. Unter dem Kürzel SAE-A2K (Multiplexing for Aircraft Committee) wurde ein erster Entwurf eines digitalen, seriellen und zeitmultiplexen Bussystems entwickelt. Dabei flossen die industriellen und die militärischen Wünsche und Anforderungen in den Bus ein. Aus diesem Entwurf entstanden: Air Force standard, MIL-STD-1553, Aircraft Internal Time Division Command/Response Multiplex Data Bus, August Navy specification, MIL-P81883, Control Group, Electric Power, OK-XXX-(V)/A, General Specification Der F-16 war das erste Kampfflugzeug der U.S. Air Force, welches mit dem MIL-STD-1553-Bus aufgebaut wurde. Zwischen 1973 und 1975 erweiterte die Industrie und das Militär (Air Force, Armee und Navy) den Grad der Normierung weiter. In dieser Zeit wurden mehrere Entwürfe erarbeitet, jeweils für die Air Force und die Navy. Zudem flossen viele Einflüsse der Industrie in die Entwicklung ein. Im April 1975 wurde die Norm MIL-STD-1553A veröffentlicht. Das Militär und die Industrie begannen nun, die Norm in verschiedenen Systemen und Fahrzeugen einzusetzen. Mit der Zunahme der Anwendungen wurde aber auch die Schwächen des MIL-STD-1553A offensichtlich. Gleiche Geräte von unterschiedlichen Herstellern waren nicht kompatibel zueinander. Somit mussten Hard- und Software für jedes System neu designt werden. Um die erkannten Probleme zu lösen, sassen das SAE-A2K Komitee und das DoD Triservices Committee (eine Gruppe, welche für die Überwachung der militärischen Standards zuständig ist) zusammen und bildeten im Oktober 1976 eine neue SAE-Arbeitsgruppe (MIL-STD-1553 Update). Aufgabe war die Überarbeitung des MIL-STD-1553A mit dem Ziel, mehr Flexibilität zu erhalten, damit die Hardware nicht bei jedem neuen Einsatzgebiet neu entwickelt werden muss. Dies wurde mit einer sehr genauen Definition der elektrischen Schnittstelle gelöst. Dabei wurden wieder die Anmerkungen der Industrie und des Militärs berücksichtigt. Aus diesen Anstrengungen entstand ein Entwurf des MIL-STD-1553B. Dieser Entwurf wurde dem DoD zur Prüfung unterlegt. Nach weiterem Hin und Her zwischen der Arbeitsgruppe und dem DoD wurde der MIL-STD-1553B am 21. September 1978 als offizielles Dokument veröffentlicht. Es folgten 1980 die Erweiterung Notice1 und 1986 die Notice2. Darin wurden auch Bemerkungen von ausländischen Staaten miteinbezogen, die ein starkes Interesse am MIL-STD-1553 zeigten. Später wurden 3 weitere Zusätze veröffentlicht. M. Gäumann Seite 1 / 9

4 3. Markt und Einsatzgebiete Am stärksten vertreten ist der MIL-STD-1553 natürlich im Militär, schliesslich wurde dieser Standard speziell auf die kritischen Anforderungen entwickelt. Kritisch bedeutet, dass der Bus trotz elektrisch verseuchtem Umfeld die Daten schnell und fehlerfrei übertragen kann. Er wird vor allem im Flugzeugbau, aber auch in Schiffen, U-Booten und Panzern eingesetzt. Gerade wegen der hohen Stabilität setzt auch die NASA diesen Bus in ihren Raumfähren, Satelliten und Raumstationen ein. Auch im Zivilbereich findet der Bus Anwendung in Reaktoren, U-Bahnen und in der Erdölförderung. Abbildungen 1-4 zeigen Anwendungsgebiete des Mil-Std Abbildung 1: Raumstation ISS Abbildung 2: Flugzeugträger Abbildung 3: Kampfflugzeug Abbildung 4: U-Boot M. Gäumann Seite 2 / 9

5 4. Anwendungs- und Einsatzmodelle 4.1 Bus Komponenten Der MIL-STD-1553-Bus beruht auf dem Prinzip der Meldungsübertragung. Er definiert nur drei Funktionsmodi, mit welchen auf den Bus zugegriffen werden darf. Dies sind Bus Controller, Bus Monitor und Remote Terminal. Geräte dürfen auch mehr als ein Funktionsmodus beherrschen. Abbildung 5: Beispiel eines dual redundanten Mil-Std-1553 Bus Bus Controller Der Bus Controller steuert den ganzen Datenaustausch auf dem Bus, wodurch er zum wichtigsten Teil des Systems wird. Er sendet Kommandos zu den Remote Terminals, welche ihm eine Antwort mit den gewünschten Daten zurückschicken. Der Bus unterstützt mehrere Bus Controller, es darf aber immer nur einer aktiv sein (Master Bus Controller). Wenn der Master Bus Controller ausfällt kann ein inaktiver Bus Controller seine Aufgabe übernehmen. Falls nur ein Master Bus Controller im System eingesetzt wird, ist oft im Bus Monitor ein Bus Controller integriert. Dieser kann dann beim Ausfall des Master Bus Controllers die Kontrolle über die Kommunikation auf dem Bus übernehmen Bus Monitor Der Bus Monitor kann keine Daten über den Bus transportieren. Seine Hauptaufgabe besteht in der Aufzeichnung der Busaktivitäten, ohne mit den jeweiligen Komponenten zu kommunizieren. Um die Datenflut bei einem ausgelasteten Bus einzugrenzen, kann er so konfiguriert werden, dass er nur bestimmte Daten aufzeichnet. Diese Daten können auch für Messzwecke und Fehlersuche verwendet werden Remote Terminal Die restlichen Komponenten, die kein Bus Controller oder Bus Monitor sind, arbeiten im Remote Terminal Modus. Sie bilden die grösste Gruppe der Komponenten und können als: - Interface zwischen dem Mil-Std-1553 Bus und einem angeschlossenen Teilsystem - Brücke zwischen zwei Mil-Std-1553 Bussen Als Beispiel könnte in einem Fahrzeug ein Remote Terminal Daten von einem Teilsystem (Navigation) anfordern und die Daten über den Bus an ein weiteres Remote Terminal senden, welches die Daten an einem Display darstellt. M. Gäumann Seite 3 / 9

6 5. Technologie 5.1 Physical layer Ein einzelner Bus besteht aus einem Leitungspaar mit einer Impedanz von Ω bei 1 MHz. Sender und Empfänger sind über einen Trennübertrager am Busabgang (Stub) angeschlossen (siehe Abbildung 6). Die effektive Einkopplung in den Bus erfolgt über einen weiteren Übertrager und zwei Isolationswiderstände. Dies reduziert den Einfluss eines Kurzschlusses, minimiert Reflexionen beim einkoppeln in den Bus und stellt sicher, dass der Bus kein Strom durch das Flugzeug leitet. Um ein DC- Freies Signal für die Übertrager zu erhalten, wird der Manchester-Code angewendet. Die Bitrate beträgt 1 Megabit/s (1bit = 1μs), die Peak-Peak-Ausgangsspannung eines Transmitters liegt zwischen 18 und 27 Volt. Abbildung 6: Einkopplung in den Datenbus Um die Redundanz zu erhöhen, kann der Bus doppelt oder dreifach verlegt werden (siehe Abbildung 5). Jedes Gerät wird mit jedem Bus verbunden, wodurch natürlich die Störsicherheit steigt. Die Signale werden aber nicht auf allen Bussen gleichzeitig übertragen, sondern immer nur auf einem. Wenn der Master Bus Controller den Defekt des aktuellen Busses erkennt, wechselt er zum nächsten Bus. Alternativ kann auch Glasfaser als Übertragungsmedium eingesetzt werden, welches leichter und weniger empfindlich bei elektromagnetischen Störungen (EMP) ist. Dieser Standard wird MIL-STD genannt und ist bis auf wenige Ausnahmen wortgleich mit dem MIL-STD Bus protocol Eine Nachricht besteht aus einem oder mehreren 16-bit-Wörtern (command, data oder status). Jeder Nachricht geht ein 3μs (3 Bit) Synchronisationspuls voraus (der nicht im Manchester-Code vorkommen kann) gefolgt von 16 Datenbits und einem Paritäts-Bit (ungerade Parität). Die Wörter innerhalb einer Nachricht werden ohne Unterbruch übertragen, zwischen einzelnen Nachrichten gibt es eine Pause von 4μs. Remote Terminals müssen ihre Antwort innerhalb von 4-12μs zu senden beginnen. Abbildung 7: Nachrichten des Mil-Std-1553 M. Gäumann Seite 4 / 9

7 5.2.1 Command Word Command-Wörter werden nur vom Bus Controller gesendet und enthalten immer: - 3 Bit Synchronisation - 5 Bit Remote Terminal Address (Zieladresse) - 1 Bit Transmit / Receive (T/R) - 5 Bit Subaddress / Mode - 5 Bit Data Word Count / Mode Code - 1 Bit Parität Data Word Datenwörter können vom Bus Controller oder von einem Remote Terminal als Antwort zum Bus Controller gesendet werden. Der Standard erlaubt maximal 32 Datenwörter mit einem vorangehenden Command Word ohne Unterbruch zu senden. Erst dann muss ein Status zurückgesendet werden. Datenwörter bestehen immer aus: - 3 Bit Synchronisation - 16 Bit Daten - 1 Bit Parität Status Word Nach dem Senden eines Command-Wortes vom Bus Controller sendet das entsprechende Remote Terminal als Antwort ein Statuswort. Dieses besteht aus: - 3 Bit Synchronisation - 5 Bit Adresse des antwortenden Remote Terminal - 11 Bit Status - 1 Bit Parität Die 11 Bit Status enthalten den aktuellen Zustand des Remote Terminal. (siehe Abbildung 7) 5.3 Ablauf der Informationsübertragung Es gibt drei definierte Übertragungswege im MIL-STD-1553: 1. Bus Controller zu Remote Terminal 2. Remote Terminal zu Bus Controller 3. Remote Terminal zu Remote Terminal Die Grundformate dieser Nachrichten sind in der Abbildung 8 ersichtlich: Abbildung 8: Ablauf eines Datentransfers M. Gäumann Seite 5 / 9

8 Die gesamte Kommunikation wird vom Master Bus Controller gesteuert. Start einer Übertragung bildet ein Command-Wort vom Master Bus Controller zu einem Remote Terminal. Anhand zweier Beispiele soll nun der Ablauf eines Kommunikationsaufbaus erklärt werden. Die in den Beispielen vorkommenden Abkürzungen bedeuten: <Sender>.<Wort-Typ>(Empfänger) Sender: master (Master Bus Controller) oder terminal (Remote Terminal) Wort-Typ: command, data oder status (siehe Kap. 5.2) Empfänger: master oder terminal Der Ablauf einer Datenübertragung vom Master Controller zu einem Terminal ist: terminal.status(master) terminal.status(master) master.command(terminal) master.data(terminal) master.command(terminal) master starts next communication Der Master fragt zuerst den Status des Terminals an, ob es bereit ist Daten zu empfangen. Folgt die Bestätigung vom Terminal, sendet der Master die Daten. Da das Terminal nicht eigenständig Bestätigungen senden darf, muss der Master erst eine Anfrage starten, auf die das Terminal antworten darf. So wird sichergestellt, dass die Daten richtig angekommen sind. Ein Beispiel für eine Terminal Terminal Kommunikation: terminal_1.status(master) terminal_1.data(terminal_2) master.command(terminal_1) master.command(terminal_2) master.command(terminal_1) master.command(terminal_2) master starts next communication terminal_2.status(master) terminal_2 receives data terminal_2.status(master) Vor dem Datentransfer fragt der Master den Status der beiden Terminals ab. Anschliessend gibt er dem sendenden Terminal die Genehmigung, seine Daten auf den Bus zu senden. Der Master verlangt nach dem Senden eine Bestätigung vom zweiten Terminal, ob die richtigen Daten fehlerfrei übertragen wurden. Ist die Bestätigung positiv, kann der Master mit dem nächsten Verbindungsaufbau beginnen. Die oben beschriebenen Abläufe garantieren, dass das angesprochene Remote Terminal funktioniert und für die Datenübertragung bereit ist. Die Statusabfrage nach der Datenübertragung stellt sicher, dass die Daten korrekt übertragen wurden und dass die richtigen Daten gesendet wurden. Diese Sicherheitsabfragen machen den MIL-STD-1553 ideal für sicherheitsrelevante Anwendungen. In diesen Beispielen wurden jedoch keine Fehlerbehandlungen aufgezeigt. Ein Remote Terminal kann von sich aus keine Kommunikation aufbauen. Bestätigungen vor und nach Datenübertragungen dürfen nur auf Anfrage des Master Bus Controllers gesendet werden. Terminals, die Funktionen höherer Priorität ausführen, werden durch den Master Bus Controller häufiger abgefragt. Entsprechend werden tiefer priore Terminals seltener abgefragt. M. Gäumann Seite 6 / 9

9 6. Installationstechnik Wie bereits angedeutet, muss der MIL-STD-1553 auch in elektromagnetisch verseuchtem Gebiet oder bei stochastischen Störungen die Daten korrekt übertragen können. Dafür sind natürlich auch spezielle Anforderungen an den Aufbau eines solchen Systems notwendig. Abbildung 9: Beispiel eines Mil-Std-1553 Busaufbaus 6.1 Stub Wie bereits im Kapitel 5. Technologie angesprochen, werden alle Teilnehmer über zwei Übertrager an den Bus angeschlossen. Die erste galvanische Trennung vom Bus erfolgt dabei im so genannten Stub (Stummel). Dieser wird gemäss Abbildung 9 zwischen den Bus geschaltet und soll Reflexionen beim Einkoppeln minimieren. An diesen kann nun ein Bus Controller, Bus Monitor oder Remote Terminal über ein Kabel definierter Länge angeschlossen werden. 6.2 Terminator Auf der Abbildung 9 sind ausserdem 78 Ohm Terminatoren dargestellt. Sie dienen der Unterdrückung von Reflexionen, die ohne Abschlusswiderstände an den Enden des Busses entstehen würden. Wird ein Stub-Abgang nicht verwendet, muss er mit einem 3000 Ohm Terminator abgeschlossen werden. M. Gäumann Seite 7 / 9

10 6.3 Kabel und Stecker Das Kabel besteht aus zwei Innenleitern für die Busübertragung und einer Abschirmung. Die Stecker sehen den BNC-Steckern ähnlich, haben aber drei Einraststifte und neben dem Kontaktstift in der Mitte eine zusätzliche Kontaktfläche. So kann die differentielle Übertragung realisiert werden. Beispiele für Kabel und Stecker sind in Abbildung 10 dargestellt. Abbildung 10: Verwendete Kabel und Stecker für den Mil-Std-1553 M. Gäumann Seite 8 / 9

11 7. Anhang 7.1 Quellenverzeichnis Internetquellen: E-Books: MIL-HDBK-1553 (Military Handbook for Multiplex Applications) M. Gäumann Seite 9 / 9