MIL-STD-1553

Le MIL-STD-1553 décrit un bus de données série multiplexé (half-duplex). La connexion est réalisée par l'intermédiaire d'une paire torsadée blindée par bus.

Le standard définit la présence de deux bus (A et B) afin d'assurer la redondance, mais seulement un bus est actif à chaque instant.

Il y a trois types d'équipements connectés au bus :

• Le gérant de bus ou « Bus Controller » (BC) qui orchestre les différents échanges sur le bus,
• Les abonnés ou « Remote Terminal » (RT) qui utilisent le bus pour communiquer. Il peut y en avoir jusqu'à 31 (limitation liée à l'adressage),
• Les moniteurs de bus ou « Bus Monitor » (BM) qui écoutent le bus. Il peut y en avoir plusieurs ou aucun.

Topologie d'un bus MIL-STD-1553

Chaque paire blindée doit répondre à plusieurs caractéristiques[2] :

• La capacité entre les 2 fils ne doit pas excéder 30 pF/ft (soit 98,4 pF/m),
• Le nombre de torsions (rotation de 360° des 2 fils) ne doit pas être inférieur à 4/ft (soit 13/m),
• L'impédance caractéristique (Z₀) doit être comprise entre 70 Ω et 85 Ω pour une fréquence sinusoïdale de 1 MHz,
• L'atténuation ne doit pas excéder 1,5 dB/100ft (soit 4,92 dB/100m),
• Le blindage du câble doit couvrir plus de 75 % de ce dernier.
• Les 2 extrémités du câble doivent être « bouchées » par des résistances égales à l'impédance caractéristique du câble Z₀ ±2 %.

Bouchon en extrémité d'une paire blindée d'un bus MIL-STD-1553

L'encodage utilisé est de type Manchester II biphasé :

Encodage d'un bit MIL-STD-1553

Les niveaux électriques dépendent du couplage utilisé, avec un transformateur ou en direct, et sont différents en émission ou en réception.

Voir ces paramètres spécifiques dans les paragraphes liés au couplage.

La vitesse de transmission est de 1 Mbit/s[3] :

• La stabilité à court terme (< 1 s) doit être inférieure à 0,01 %,
• La stabilité à long terme doit être inférieure à 0,1 %,
• Les temps de montée, de descente ainsi que la durée du demi-bit dépendent si le terminal est en réception (lecture) ou s'il est en émission (écriture) sur le bus.

Temps caractéristiques d'un bit MIL-STD-1553

Couplage en direct d'un équipempent sur un bus MIL-STD-1553

Ce couplage impose diverses contraintes :

• Le blindage du coupleur doit être connecté aux blindages du bus,
• Toutes les jonctions de bus doivent être recouvertes par le blindage de manière continue à plus de 75 %,
• Des résistances d'isolement doivent être placés entre le bus et le terminal, au plus proche ou à l'intérieur du terminal, leur valeur doit être de R = 55Ω ± 2 %,
• La longueur de la dérivation ne doit pas excéder Lmax = 1ft (soit 0,304 8 m),
• L'impédance en entrée du terminal soumis à un signal carré de fréquence comprise entre 75 kHz et 1 MHz doit être supérieure à 2kΩ,
• Le rapport du transformateur d'isolation doit être de Ni = 1:1,
• Les niveaux électriques entre les 2 lignes (A et B) de la paire blindée doivent être les suivants :

Couplage via un transformateur d'un équipempent sur un bus MIL-STD-1553

Ce couplage impose diverses contraintes :

• Le blindage du coupleur doit être connecté aux blindages du bus,
• Toutes les jonctions de bus doivent être recouvertes par le blindage de manière continue à plus de 75 %,
• Des résistances d'isolement doivent être placés entre le bus et le transformateur de couplage, leur valeur doit être de R = 0,75 x (Z0) ± 2 %,
• Le rapport du transformateur de couplage doit être de Nc = 1:1,41 ±3 %, le plus grand nombre de spires est du côté des résistances d'isolement (autrement dit, transformateur abaisseur du point de vue du terminal),
• L'impédance de sortie en circuit ouvert du transformateur de couplage soumis à une sinusoïde de tension 1 V (RMS) et de fréquence comprise entre 75 kHz et 1 MHz doit être supérieure à 3kΩ,
• Le taux de réjection de mode commun du transformateur de couplage doit être supérieur à 45dB à 1 MHz,
• La longueur de la dérivation ne doit pas excéder Lmax = 20ft (6,09 m),
• L'impédance en entrée du terminal soumis à un signal carré de fréquence comprise entre 75 kHz et 1 MHz doit être supérieure à 1kΩ,
• Le rapport du transformateur d'isolation doit être de Ni = 1:1.
• Les niveaux électriques entre les 2 lignes (A et B) de la paire blindée doivent être les suivants :

Structure d'un mot MIL-STD-1553

Les mots de 16 bits sont encapsulés dans 20 bits décomposables en trois parties[4] :

• Les bits 1 à 3 premiers servent de synchronisation,
• Les bits 4 à 19 (16 bits) composent le mot proprement dit,
• Le bit 20 est un bit de parité.

Dans un mot, les bits sont transmis en commençant par le bit nommé "bit time n°1" de poids fort, les autres suivent par ordre de force décroissante (bit time n^o 2, bit time n^o 3, etc.) jusqu'au bit time n^o 20[5].

De la même manière, si une donnée est codée sur plus de 16 bits, et qu'on doit utiliser plusieurs mots pour la transmettre, c'est le mot contenant les bits de poids fort qui doit être émis en premier.

La synchronisation est réalisée par une violation du code Manchester sur les premiers 3 bits de la trame.

Elle consiste à placer le bus au niveau HIGH pendant le temps équivalent à 1,5 bit puis au niveau LOW durant le 1,5 bit restant (« front descendant »), ou inversement (« front montant ») en fonction du type de mot (voir ci-dessous).

Le bit de parité est utilisé pour vérifier que le mot n'a pas été altéré pendant la transmission[6].

La parité est définie comme étant impaire (odd). Si le nombre de bits d'Information à "1" est paire, le bit de parité sera à "1". À l'inverse si ce nombre est impaire il sera mis à "0".

Ce mécanisme simpliste ne permet pas de se prémunir contre l'altération de 2 bits puisque dans ce cas on retombe sur la parité impaire.

La synchronisation forme un « front descendant ».

Ce champ permet d'adresser le mot à un terminal en particulier, chaque terminal ayant une adresse unique. Les 5 bits permettent 32 adresses, cependant l'adresse « 11111 » est réservée pour contacter l'ensemble des terminaux (« broadcast »), c'est pourquoi il ne peut il y avoir que 31 terminaux connectés au bus.

Si le bit vaut :

• 0 → on prévient le terminal qu'il doit recevoir des données.
• 1 → on demande au terminal d'envoyer des données.

Les 5 bits permettent 32 combinaisons :

• les combinaisons « 00000 » et « 11111 » sont réservées comme « mode » et permettent de dire au terminal que le champ « Data word count or mode code » doit être interprété comme un « mode code »,
• les 30 autres sont interprétées comme « Subaddress » et permettent de s'adresser à un des 30 sous-ensembles que peut compter un terminal.

Il s'agit :

• du nombre de mots que va recevoir le terminal si « T/R » vaut 0,
• du nombre de mots que doit envoyer le terminal si « T/R » vaut 1.

Les 5 bits permettent d'envoyer de 1 à 32 données, la valeur 0 correspond à 32 mots de données envoyées. Il ne peut pas y avoir plus de 32 mots de données envoyées à la suite dans un seul échange.

Pour les combinaisons :

• de « 00000 » à « 01111 » ne nécessitent pas de réponse du terminal, mais le bit « T/R » doit être placé à 1,
• de « 10000 » à « 11111 » nécessitent une réponse composée d'un seul mot de données de la part du terminal.

La synchronisation forme un « front montant ».

Ce champ correspond à la donnée codée sur 16 bits.

Idem que pour le mot de commande, la synchronisation forme un « front descendant ».

Idem que pour le mot de commande.

Doit être placé à 1 pour signaler qu'un mot de données de la trame reçue n'était pas conforme (parité, nombre de bits, etc.) ou que la commande reçue n'est pas conforme.

Doit être placé à 0 dans la majorité des cas. Il peut être utilisé pour différencier les mots de statut des mots de commande.

Permet au terminal de spécifier qu'il attend une action spécifique définie à l'avance de la part du contrôleur en plaçant le bit à 1.

Doit être placé à 1 pour signaler que la commande précédente était de type « broadcast ».

Doit être placé à 1 par le terminal pour dire qu'il est incapable de traiter les données reçues.

Doit être placé à 1 si le terminal souhaite déclarer qu'un de ses sous-systèmes est en panne et que les données ne pourront « peut-être » pas être traitées correctement.

Permet de répondre à la commande « Dynamic bus control » en plaçant le bit à 1.

Doit être placé à 1 si le terminal souhaite se déclarer en défaut. Doit être inhibé (placé à 0) si le terminal reçoit commande « Inhibit terminal flag bit ».

Les trames sont composées d'échanges de mots entre le BC et les RTs.

Lorsqu'un même BC ou RT transmet plusieurs mots qui se suivent, il n'y a pas d'espacement ou de gap entre eux.

Le temps de réponse à un mot d'un RT doit être compris entre 4 μs et 12 μs.

Le gap entre les trames doit être d'au moins 4 μs.

Pour les 2 temps cités ci-dessus, la durée est mesurée entre la transition HIGH/LOW du milieu du 20^e bit du mot précédent et la transition HIGH/LOW du champ Sync du mot suivant (au milieu du 2^e bit).

Le timeout de non-réponse est de 14 μs, en partant de la transition HIGH/LOW du milieu du 20^e bit du dernier mot.

Si une nouvelle commande est reçue avant que le RT n'ait répondu à la ou aux précédentes, la dernière reçue prévaut sur toutes les autres.

Déroulement :

• Le BC émet un mot de commande de réception, suivis par les mots de données correspondants à la commande.
• Après validation des données, le RT envoie un mot d'état.

Transfert BC → RT sur un bus MIL-STD-1553

Déroulement :

• Le BC émet un mot de commande d'émission.
• Après validation de la commande, le RT envoie un mot d'état suivi par les mots de données.

Transfert RT → BC sur un bus MIL-STD-1553

Déroulement :

• Le BC émet un mot de commande de réception au RT2, suivis par un mot de commande d'émission au RT1.
• Après validation de la commande, le RT1 envoie un mot d'état suivi par les mots de données.
• Après validation des données, le RT2 envoie un mot d'état.

Transfert RT → RT sur un bus MIL-STD-1553

Les échanges se font sur le même principe que les transferts, avec ou sans données.

Les échanges se font sur le même principe que les transferts, sauf qu'il n'y a pas de mot d'état à la fin envoyé par un RT, ceci afin d'éviter que tous les RTs tentent de le faire simultanément.

L'image ci-dessous donne un exemple des concepts expliqués dans les sections précédentes.

Ainsi on peut voir une demande de transmission (puisque le bit 6 ou T en violet est à 1 dans le mot de commande) faite au RT adressé avec le numéro 0x03.

Les derniers 5 bits (verts) du mot de commande contiennent le nombre de mots à transmettre par le RT, ici 0x01, ce qui correspond effectivement au mot de données (en turquoise, valeur 0x02) unique suivant le mot d'état.

On remarque la différence d'amplitude du signal entre la demande du BC et la réponse du RT. Cette différence est à mettre sur le compte de la position de l'observation électrique sur le bus. Nous sommes ici plus loin du BC que du RT. Le BC est donc reçu avec une amplitude moindre que le RT.

Exemple pour un Transfer RT à BC, avec un mot de données

• Il est déterministe puisqu'il possède un gérant de bus,
• Il est robuste aux perturbations,
• Le mécanisme du mot d'état permet à l'équipement destinataire de vérifier que le transfert a bien été réalisé,
• Il existe un manuel définissant les modalités d'implantation, de qualification et de test : MIL-HDBK-1553.

• Dans l'avionique moderne, il commence à montrer ses limites de par son relatif faible débit et ses possibilités d'adressage,
• Il n'y a pas de somme de contrôle (hormis la parité) permettant de vérifier l'intégrité de données,
• Complexité du couplage sur le bus,
• Les transitions liées à l'encodage Manchester II biphasé entraîne un spectre fréquentiel élevé pouvant perturber d'autres équipements si le blindage n'est pas suffisant.