MIL-STD-1553

MIL-STD-1553 on Yhdysvaltain puolustushallinnon kehittämä sotilasstandardi, joka määrittelee aikajakoisen sarjaväylän sähköiset ja toiminnalliset ominaisuudet.

Väylä siirtää tietoa väyläohjaimen ja etäterminaalien välillä 1 Mb/s:n nimellisnopeudella suojatuissa parikaapeleissa. MIL-STD-1553-väylä on kahdennettu koko väylätoteutuksen osalta kahden toisistaan riippumattoman kanavan avulla — joskin joissain sovelluksissa voidaan käyttää jopa kolmin- tai nelinkertaista redundanssia. Väyläliikenne on standardissa tarkoin määritelty, ja tiukkojen ajoitusvaatimusten vuoksi se on erittäin reaaliaikainen ja deterministinen.

Standardin kehittely sai alkunsa jo 1960-luvun lopulla, jolloin sotilaslentokoneiden avioniikan ja radioteknisten oheislaitteiden määrä kasvoi nopeaan tahtiin digitaalitekniikan kehittyessä. Tuolloin avioniikan kaapelointi tehtiin suorilla johdotuksilla laitteista toisiin, mikä oli asennettavuuden, huollettavuuden ja massarajoitusten vuoksi epäedullista. Puolijohdeteknologian nopean kehityksen myötä lukuisat yksittäiset signaalikaapeloinnit oli mahdollista korvata digitaalisella väylällä. Vuonna 1973 esiteltiin MIL-STD-1553:n ensimmäinen versio, jota käytettiin ensimmäisen kerran General Dynamicsin F-16-hävittäjälentokoneessa. Tämän jälkeen on valmistettu lukuisia väylää hyödyntäviä ilma-aluksia ja muita sotilaspuolen järjestelmiä. MIL-STD-1553 on rantautunut myös siviilikäyttöön muun muassa tietoliikennesatelliittien, maanalaisien junien ja Kansainvälisen avaruusaseman (International Space Station, ISS) myötä.

Väyläkomponentit

MIL-STD-1553-väylällä voi olla kolmenlaisia aktiivisia laitteita, jotka ovat väyläohjain (Bus Controller, BC), etäterminaali (Remote Terminal, RT) ja väylämonitori (Bus Monitor, BM). Passiivisia väyläkomponentteja ovat muun muassa haaroittimet ja terminaattorit.

Kuva 1. Esimerkki MIL-STD-1553-väylää käyttävästä laitteesta. Väylä kytketään piirilevyn oikeanpuoleisiin triaksiaaliliittimiin.

Väyläohjain

Väyläohjain on väylän toiminnan kannalta keskeinen laite, joka aloittaa kommunikaation etäterminaalien kanssa. Standardin mukaan samaan aikaan väylällä voi olla ainoastaan yksi väyläohjain aktiivisena, mutta passiivisia väyläohjaimia voi olla useampia. Tämä rakenne mahdollistaa väylän ajoitusten suunnittelun toistettavasti ja ennustettavasti; viestien törmäykset eivät ole MIL-STD-1553:ssa normaalisti mahdollisia.

Tyypillisesti väyläohjain on korkean prosessointikapasiteetin omaava tietokone, jossa on yksi tai useampia MIL-STD-1553-väyliä. Vaikka mittausinformaation käsittely ja tiedon prosessointi usein tapahtuvatkin väyläohjaimessa, myös täysin päinvastainen lähestymistapa on mahdollinen. Tällöin väyläohjain toimii yksinkertaisena keskittimenä, joka välittää tietoa etäterminaalien välillä.

Väyläohjaimen MIL-STD-1553-toiminnallisuus on usein hajautettu omalle väyläprosessorilleen, joka liittyy tyypillisesti rinnakkaismuotoisen dataväylän avulla pääprosessoriin. MIL-STD-1553-standardi käyttää pääprosessorista ja sitä ympäröivästä elektroniikasta nimitystä alijärjestelmä (subsystem). Toisinaan sekä väylätoiminnallisuus että prosessointi on integroitu samalle piirille; tällaiset toteutukset ovat yleisiä ohjelmoitavilla FPGA-piireillä (Field Programmable Gate Array). Väyläprosessorin ja pääprosessorin välinen työnjako voi vaihdella suurestikin, mutta nykyisin monet väyläohjaimet prosessoivat viesti kerrallaan pääprosessorin antamia tehtäviä. Kehittyneimmissä väyläohjaimissa pääprosessori antaa joukon tehtäviä väyläprosessorin suoritettavaksi, jolloin pääprosessorin resursseja säästyy.

Etäterminaali

MIL-STD-1553-väylän yleisimpiä väylälaitteita ovat etäterminaalit, joita voi olla väylällä enintään 31 kappaletta. Standardin mukaan osoitealue on viisibittinen ja viimeinen osoite on varattu yleislähetykselle (broadcast). Etäterminaalin tehtävänä on toimia MIL-STD-1553:a ja alijärjestelmää yhdistävänä laitteena, mutta nykyisin lähes poikkeuksetta etäterminaali ja alijärjestelmä ovat samaa kokonaisuutta. Tyypillisiä etäterminaaliin liittyviä alijärjestelmiä ovat esimerkiksi GPS-vastaanotin, inertiaalipaikannusyksikkö ja radiolaite. Yksinkertaisimmillaan alijärjestelmän tuottamat signaalit voivat olla yksittäisiä analogisia tai digitaalisia signaaleja antureilta.

Vaikka etäterminaali usein onkin huomattavasti väyläohjainta yksinkertaisempi laite, MIL-STD-1553 asettaa sille lukuisia vaatimuksia. Etäterminaali saa ainoastaan vastata väyläohjaimen aloittamaan liikennöintiin, paitsi poikkeuksena se saa väyläohjaimen käskystä lähettää viestin toiselle etäterminaalille. Kaikkiin väyläohjaimen etäterminaalille osoittamiin oikeellisiin viesteihin tulee vastata, pois lukien yleislähetysviestit. MIL-STD-1553B-standardi vaatii, että etäterminaalin tulee aloittaa viestiin vastaaminen 4—12 μs:n sisällä vastaanotosta ja että vastausviestin lähetyksen viivästyessä yli 14 μs väyläohjaimen tulee hylätä se.

Väylämonitori

Väylämonitori on MIL-STD-1553:n aktiivilaite, joka kuuntelee viestiliikennettä kuitenkaan itse osallistumatta siihen. Standardi määrittelee tarkoin, miten väylämonitoria tulee käyttää. Sallittuja käyttökohteita ovat väyläliikenteen tallennus diagnostiikkaa varten ja varaväyläohjaimena toimiminen. Normaalitilanteessa varaväyläohjain kuuntelee liikennettä väylämonitoritilassa, jotta se voisi varsinaisen väyläohjaimen vikaannuttua jatkaa keskeytyksettä.

Usein väylämonitorin kanssa samassa laitteessa on myös etäterminaali, ja tyypillisesti nämä toiminnot on integroitu toisiinsa. Osoitteellisen väylämonitorin etuna on se, että väyläohjain voi säännöllisesti tarkistaa väylämonitorin toimivan normaalisti. Esimerkiksi kahdennetun väyläohjaimen tapauksessa tällä tavoin havaittaisiin varalaitteen vikaantuminen.

Passiiviset komponentit

MIL-STD-1553-väylän passiivisista komponenteista haaroittimet ja terminaattorit ovat yleisimmät, sillä ne ovat käytännössä jokaisessa järjestelmässä välttämättömiä. Haaroittimien avulla aktiiviset väylälaitteet liittyvät väylälle. Yksinkertaisin suoraan kytketyn väylän haaroitin on niin sanottu T- tai Y-adapteri. Muuntajakytketyn väylän haaroittimessa on integroituna isolaatiovastukset sekä erotusmuuntaja.

Terminaattorit ovat kaapelin ominaisimpedanssin mukaisia vastuksia, jotka on sijoitettu kunkin väyläkaapelin molempiin päihin. Standardin mukaan terminaattorien impedanssi saa poiketa enintään ±2 % kaapelin ominaisimpedanssista. Terminaattorien avulla väyläkaapelista tulee sovitettu siirtolinja, jossa ei ideaalisesti tapahdu signaalin heijastuksia eikä siten säröä.

Väylärakenne ja kaapelointi

Standardin mukaan kaapelointi tulee tehdä suojatulla ja kierretyllä parikaapelilla, jonka impedanssi on 1 MHz:n testitaajuudella 70—80 Ω. Käytännössä ominaisimpedanssi on vakiintunut 78 ohmiin. Lisäksi kaapelin tehovaimennus 30 metrin matkalla saa olla enintään 1,5 dB ja johdinkapasitanssin alle 98 pF metriltä. Standardin ensimmäisessä versiossa väylän pituus oli rajoitettu 100 metriin. MIL-STD-1553:n B-versiossa ei ole kuitenkaan mainintaa väyläkaapelin enimmäispituudesta, joten se määräytyy käytännössä kaapelin kapasitanssin ja siirtoviiveiden myötä. Käytännön sovelluksissa väylän pituus voi olla enintään muutamia satoja metrejä.

Ideaalitilanteessa väylä on siirtolinja, jossa ei ole epäsovitusta aiheuttavia haaroituksia. Aktiivilaitteet tulee kuitenkin kytkeä väylälle haaroittimien avulla, josta aiheutuu välttämättä signaaliin heijastuksia. MIL-STD-1553-standardi mahdollistaa aktiivilaitteiden liittymisen väylälle kahdella eri tavalla: suoraan tai muuntajan kautta. Suoraan kytketyn laitteen tapauksessa väylä haarautuu enintään 305 mm pitkällä kaapelilla laitteeseen päin. Muuntajakytketyssä laitteessa haaroitin sisältää 56 ohmin isolaatiovastukset sekä erotusmuuntajan, jolloin väylälaitteen ja haaroittimen välinen etäisyys voi olla enintään 6,1 metriä. Suoraan kytketyn laitteen tulee siis olla aivan väylän vieressä, joten muuntajakytketyn laitteen sijoittaminen on helpompaa. Lisäksi muuntajakytketyssä väylässä epäsovituksesta aiheutuvat heijastukset ovat pienempiä, jonka vuoksi MIL-STD-1553B Notice 2 -dokumentti ei suosittele suoraan kytkettyjä haaroittimia käytettäväksi ollenkaan. Yhdysvaltain ilmavoimien ja Nato-maiden avioniikassa nykyisin ainoastaan muuntajakytketyt haaroittimet ovat sallittuja.

MIL-STD-1553B ei määrittele väylässä käytettävää liitintyyppiä, mutta varsin yleisiä triaksiaaliliittimiä käytettäessä Notice 2 -dokumentti määrää keskimmäisen kontaktin positiiviseksi ja tätä ympäröivän kontaktin negatiiviseksi. Muita yleisesti käytettäviä liitintyyppejä ovat D-SUB ja MIL-DTL-38999.

Lähteet

• Diplomityö, Eero Alkkiomäki: MIL-STD-1553:n soveltaminen teollisuuden turva-automaatioon.