Một phương án thu thông tin giao tiếp chuẩn MIL-STD-1553B trong hệ thống ra đa điều khiển hỏa lực trên tàu hải quân

Thông tin khoa học công nghệ

MỘT PHƯƠNG ÁN THU THÔNG TIN GIAO TIẾP
CHUẨN MIL-STD-1553B TRONG HỆ THỐNG RA ĐA
ĐIỀU KHIỂN HỎA LỰC TRÊN TÀU HẢI QUÂN
Vũ Thị Hân, Hà Huy Dũng*, Đinh Văn Trường, Cao Việt Linh
Tóm tắt: MIL-STD-1553B là một tiêu chuẩn quân sự mô tả các đặc tính về điện
và giao thức cho kênh dữ liệu. Trong những hệ thống hỏa lực công nghệ cao, thế hệ
mới trang bị trên các tàu lớp M của Quân chủng Hải quân, toàn bộ dữ liệu trao đổi
giữa các thành phần đều sử dụng đường truyền MIL-STD-1553B. Bài báo này trình
bày đánh giá về tiêu chuẩn MIL-STD-1553B và đề xuất thiết kế, thực thi một giải
pháp thu tín hiệu MIL-STD-1553B trực tiếp giữa các thành phần chức năng độc lập
khi khí tài đang hoạt động.
Từ khóa: Tiêu chuẩn; Giao thức; MIL-STD-1553B; Hỏa lực.

1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Tiêu chuẩn MIL-STD-1553B xuất hiện từ năm 1975 [1] và được phát triển như một
trong những chuẩn kết nối mạng được quốc tế chấp nhận và là thành phần không thể thiếu
cho tàu, vệ tinh, tên lửa và chương trình trạm vũ trụ quốc tế cũng như các ứng dụng quân
sự công nghệ cao. Tiêu chuẩn này hoạt động trên bus dữ liệu số đa kênh lệnh/phản hồi
phân chia thời gian nội bộ [2]. Và tín hiệu giao tiếp được mã hóa Manchester II kiểu dự
phòng kép, hai chiều, điều này cho phép loại bỏ việc sử dụng dây nối điểm đến điểm. Với
tốc độ truyền thông nối tiếp 1 Mb/s tiêu chuẩn MIL-STD-1553B đảm bảo phù hợp với các
hệ thống hỏa lực trên tàu Hải quân nhờ tốc độ, sự tin cậy cao và tối giản về kết nối [5].
Một trong những nhiệm vụ quan trọng nhất của quá trình khai thác, tiến tới làm chủ
các khí tài công nghệ cao nói chung và hệ thống hỏa lực (gồm ra đa – pháo, tên lửa) nói
riêng đó là phải giải mã, phân tích và giao tiếp được với các đường truyền tiêu chuẩn MILSTD-1553B. Trên thực tế, các hệ thống hỏa lực trên tàu Hải quân, những đầu cuối thực
hiện giao tiếp MIL-STD-1553B đều được chế tạo dưới dạng các card chuyên dụng như
PC104-2-1553, PCI-1-1553. Các thiết bị này được cấu hình chuẩn bởi nhà sản xuất và hoạt
động trên một hệ điều hành chuyên dụng được thiết lập chức năng đầu cuối rõ ràng trong
hệ thống giao tiếp dữ liệu. Việc ứng dụng các card chuyên dụng vào thu thập tất cả dữ liệu

trên đường truyền khi hệ thống đang hoạt động là không hiệu quả do quá trình thiết lập
phức tạp và có thể gây lệch giao thức lệnh/phản hồi do yêu cầu thu là hoàn toàn thụ động.
Ngoài ra, việc ghép nối thêm đầu cuối còn có thể gây ra lỗi phối hợp trở kháng đường
truyền và ảnh hưởng tới độ chính xác của dữ liệu.
Để giải quyết vấn đề này, bài báo đề xuất một phương án chế tạo thiết bị thu thụ động
bằng công nghệ FPGA, các giải pháp được nghiên cứu thực hiện đảm bảo không gây xung
đột hệ thống khi ghép nối. Các giải pháp thực hiện sẽ tập trung phát hiện, thu các khung
dữ liệu MIL-STD-1553B, lưu trữ chúng và tính toán phối hợp trở kháng khi ghép vào
đường truyền.
2. NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG GIẢI PHÁP VÀ THIẾT KẾ
Giải pháp thiết kế phần mềm FPGA
Tiêu chuẩn MIL-STD-1553B cần 24μs để hoàn thành một khung dữ liệu. Số lượng
khung truyền liên tục khi có dữ liệu là rất lớn [4]. Do đó, việc thu thụ động đòi hỏi việc
giải mã tức thời và đưa được thông tin thu được vào máy tính. Do tốc độ truyền lên máy
tính thường thấp hơn và nhiều thông tin phụ hơn đường truyền MIL-STD-1553B, để tránh
mất dữ liệu giải pháp thực hiện trên FPGA cần có thuật toán phù hợp để thu và lưu trữ dữ

208

V. T. Hân, …, C. V. Linh, “ Một phương án thu thông tin … hỏa lực trên tàu Hải quân.”


Thông tin khoa học công nghệ

liệu nhận được. Trên hình 1 mô tả sơ đồ chức năng của phần mềm nhúng nạp cho chip
FPGA. Trong đó:
Mil-P

Giải mã theo trạng
thái dữ liệu

Có dữ liệu

Mil-N

Tăng địa chỉ
So sánh
Tăng địa chỉ

Máy tính

Khung dữ liệu
Ghép dữ Dữ liệu
liệu

Lấy thời Thời gian thu
gian thu
Cập
nhật địa
chỉ ghi

Địa chỉ ghi

Cập
nhật địa
chỉ đọc

Địa chỉ đọc

RAM

2 cổng
độc lập

Giao tiếp
máy tính

Hình 1. Sơ đồ chức năng phần mềm nhúng.
Tín hiệu vi sai MIL-STD-1553B dạng xung TTL sau các linh kiện chuẩn hóa được đưa
vào mô đun giải mã theo trạng thái dữ liệu. Tại đây, phần mềm sẽ kiểm tra dấu hiệu đồng
bộ của khung MIL-STD-1553B trước khi giải mã Manchester II để thu được các bit dữ
liệu của khung. Thời gian thu được khung tính từ thời điểm thực hiện thu được ghép vào
dữ liệu khung và ghi vào RAM 2 cổng ghi/đọc độc lập nội bộ của chip FPGA. Hoạt động
của RAM này được minh họa trên hình 2 với sự độc lập hoàn toàn về dữ liệu vào/ra, xung
nhịp điều khiển vào/ra và địa chỉ vào/ra.

Hình 2. Hoạt động ghi/đọc độc lập của RAM 2 cổng.
RAM 2 cổng ghi/đọc độc lập có địa chỉ ghi tăng khi thu được khung dữ liệu MIL-STD1553B. Việc đọc dữ liệu đưa lên máy tính xảy ra khi địa chỉ ghi lớn hơn địa chỉ đọc và địa
chỉ đọc, địa chỉ đọc được tăng khi một khung được truyền lên máy tính. Với thiết kế như
đã trình bày chip FPGA hoàn toàn có thể đáp ứng các yêu cầu thu-giải mã dữ liệu trên
đường truyền. Số kênh lập trình song song theo sơ đồ hình 1 phụ thuộc vào số kênh MILSTD-1553B được thu đồng thời.
Giải pháp phối hợp đường truyền
Cáp truyền dẫn tín hiệu MIL-STD-1553B có dạng xoắn với trở kháng danh định nằm
trong khoảng Zo = 70÷85Ω tại tần số điều hòa 1MHz [1]. Để giảm nhiễu và công suất sử
dụng tín hiệu tại điểm phát của MIL-STD-1553B thường có VP-P nhở hơn 5V. Hình 3 mô
tả tín hiệu MIL-STD-1553B đo tại điểm phát dữ liệu ra đa của pháo AK-176M. Do đường
truyền dài tới hàng chục mét với nhiều đầu cuối giao tiếp nên biên độ tín hiệu tại các điểm
thu bị suy giảm đáng kể, với VP-P khoảng từ 440mV tới 1V. Như vậy, trong hệ thống giao
tiếp MIL-STD-1553B đòi hỏi phải duy trì được sự đồng bộ trở kháng nhằm dung hòa giữa
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 68, 8 - 2020

209


Thông tin khoa học công nghệ

công suất và độ méo. Mức độ mất đồng bộ và méo tín hiệu gây ra bởi sự phản xạ tín hiệu,
là một hàm của trở kháng cáp nối đầu cuối (cáp phụ) và trở kháng đầu vào của thiết bị đầu
cuối. Để giảm thiểu độ méo tín hiệu, điều mong muốn là cáp phụ duy trì trở kháng cao.
Đồng thời trở kháng cần được giữ ở mức thấp để công suất tín hiệu được đảm bảo khi
truyền đến đầu vào. Việc nghiên cứu giải pháp thực hiện thiết bị cần dung hòa được những
mục tiêu vừa nêu.

Hình 3. Tín hiệu MIL-STD-1553B tại điểm phát.
Thiết bị thu thụ động dữ liệu khi thiết kế để phối ghép với đường truyền khi hệ thống
đang hoạt động cần đảm bảo không làm thay đổi đồng bộ trở kháng của đường truyền. Bộ
phận ghép nối cần phối hợp trở kháng (trở kháng tương đương cáp đường truyền), cách ly
dữ liệu và khuếch đại được tín hiệu có biên độ suy giảm. Yêu cầu cụ thể:
- Cách ly và khuếch đại tín hiệu: Sử dụng biến áp xung tốc độ cao có tỉ lệ 1:N với N
lớn hơn 1 để đảm bảo tăng biên độ tín hiệu nhận được. Giá trị N phụ thuộc vào thiết kế
biên độ tín hiệu tại điểm phát của hệ thống. Với biên độ từ 3,3V đến 5V của tín hiệu phát
trên các tàu Hải quân lớp M, N được chọn bằng 3,75.
- Điện trở phối hợp: Là điện trở nối với cáp truyền MIL-STD-1553B có nhiệm vụ tránh
chập tín hiệu và kết hợp với trở kháng biến áp tạo ra trở kháng giao tiếp phối hợp.
Sơ đồ kết nối với cặp dây truyền dẫn được mô tả tại hình 4. Theo sơ đồ, biến áp cách ly
có cuộn phía kết nối được lựa chọn có trở kháng Z0/2. Ta thu được trở kháng của cụm phối
ghép theo (1) [3]:
Z0
 2R
(1)
2

Để trở kháng phối ghép bằng với trở kháng đường truyền, lựa chọn R = 0,75Z0, chúng
ta thu được ZB = 0,5 Z0 + 1,5Z0 = 2Z0.
Trở kháng phản xạ lại đường truyền là:
2Z
Z
Z R  B  o  Zo
(2)
2
2
Từ (2) xác nhận sự phối hợp trong phương án kết nối, đảm bảo cung cấp các đặc tính
mong muốn để triệt tiêu sự phản xạ và duy trì công suất tín hiệu trong hệ thống.
Để đánh giá khả năng duy trì đồng bộ trở kháng, cần có những tiêu chuẩn đánh giá tiêu
chuẩn. Đó là [2]:
- Độ trễ sườn xung phải nhỏ hơn 100ns.
- Độ méo xung không quá 20%. Ở đây, độ méo xung được xác định là tỉ số giữa biên
độ nhỏ nhất và biên độ lớn nhất trong một độ rộng xung mã theo Manchester II.
Chất lượng của giải pháp sẽ được thực hiện bằng kết quả các phép đo tại phần tiếp theo
của bài báo.
ZB 

210

V. T. Hân, …, C. V. Linh, “ Một phương án thu thông tin … hỏa lực trên tàu Hải quân.”


Thông tin khoa học công nghệ
Bọc kim

Cặp dây
tín hiệu

Điện trở
phối hợp

Mô đun
phối ghép

Biến áp cách
ly, phối hợp

Hình 4. Giải pháp kết nối vào đường dữ liệu MIL-STD-1553B.
3. KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC VÀ ĐÁNH GIÁ
Giải pháp thiết kế thiết bị thu thụ động tín hiệu MIL-STD-1553B dựa trên công nghệ
FPGA và các tính toán phối hợp bảo tồn sự cân bằng trở kháng được cụ thể hóa như sơ đồ
hình 5, tín hiệu trên đường truyền sẽ được kết nối với thiết bị thu qua tầng phối hợp gồm
điện trở, biến áp như tính toán tại mục 2. Tín hiệu sau đó được chuẩn hóa TTL để đưa vào
xử lý chuỗi mã trên FPGA. Thiết bị với giá trị Z0 cụ thể 73 Ω [5], giá trị R = 0,75 x 73 =
55 Ω và tỉ lệ khuếch đại 1:3,75, có kết quả đo tín hiệu trên đường truyền và tín hiệu sau
khi kết nối phối hợp trở kháng như thể hiện tại hình 6.
Đường dữ liệu
Phối hợp trở
kháng

Phối hợp trở
kháng
NGUỒN

Biến áp
cách ly

Biến áp

cách ly

Chuẩn hóa tín
hiệu vật lý

Chuẩn hóa tín
hiệu vật lý

Dao động
50Mhz

FPGA

Bộ nhớ
chương trình

Tới máy tính

Chuẩn hóa
UART

Hình 5. Sơ đồ chức năng thiết bị thu thụ động MIL-STD-1553B.
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 68, 8 - 2020

211


Thông tin khoa học công nghệ

Kết quả trên hình 6 cho thấy, độ méo D lớn nhất của tín hiệu xấp xỉ 15% và các độ trễ

sườn trước (t1), sườn sau (t2) đều nhỏ hơn 50ns. Những giá trị này thỏa mãn các tiêu
chuẩn duy trì đồng bộ trở kháng đã trình bày ở phần trên.

Tín hiệu sau phối
hợp của thiết bị thu

t1

t2

D

Tín hiệu trên
đường truyền

Hình 6. Kết quả tín hiệu khi kết nối thiết bị vào đường truyền.
4. KẾT LUẬN
Với vai trò quan trọng của tiêu chuẩn MIL-STD-1553B trong các hệ thống hỏa lực
công nghệ cao được trong bị trong Quân đội, việc nghiên cứu chế tạo thành công thiết bị
thu tín hiệu MIL-STD-1553B thụ động không chạy trên hệ điều hành là tiền đề cho khả
năng làm chủ trong chế tạo các card giao tiếp trên khí tài và các tổ hợp chức năng độc lập
trong hệ thống hỏa lực.
Hướng phát triển tiếp theo sẽ tập trung vào các thuật toán giải mã định dạng nhóm
khung giao tiếp và vị trí các dữ liệu được mã hóa trên các đường truyền MIL-STD-1553B
được sử dụng tại các hệ thống hỏa lực thực tế trên các tàu lớp M của Quân chủng Hải quân.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Glass and Mike, “MIL-STD-1553 Physical Layer for Time- Triggered
Networks,” Digital Avionics Systems Conference (DASC), 2011, trang 7-17, 2006.
[2]. Online].Available: />[3]. [Online].Available: and Rationable of MilStd_1553 A and B.
[4]. Yunfeng Bai and Zucheng Zhou and Junbi Chen “The implementation of MILSTD-1553B processor,” Emerging Technologies (ICET), 2012 International

Conference on, trang 1–6, Oct 2012.
[5]. Quân chủng Hải quân “Thuyết minh kỹ thuật pháo AK-176M”.

212

V. T. Hân, …, C. V. Linh, “ Một phương án thu thông tin … hỏa lực trên tàu Hải quân.”


Thông tin khoa học công nghệ

ABSTRACT
AN FPGA APPLICATION FOR DATA COLLECTION IN MIL-STD-1553B
STANDARD USED IN FIRE-CONTROL RADAR SYSTEMS OF NAVAL SHIPS
MIL-STD-1553B is a military standard describing electrical and protocol
characteristics for data channels. In new generation fire-control systems equipped
on the Navy’s ships, all information transfer between modules is implemented using
MIL-STD-1553B standard. This paper presents the evaluation of MIL-STD-1553B
standard and a design proposal to implement direct signal capturing for decoding
and analyzing while the system is operating using FPGA technology.
Keywords: Standard; Protocol; MIL-STD-1553B; Fire-control.

Nhận bài ngày 12 tháng 3 năm 2020
Hoàn thiện ngày 15 tháng 6 năm 2020
Chấp nhận đăng ngày 03 tháng 8 năm 2020
Địa chỉ: Viện Ra đa, Viện KH – CN quân sự.
*
Email:

Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 68, 8 - 2020

213