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 MIL-
STD-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: 
 Khung dữ liệu
 Mil-P Giải mã theo trạng 
 Mil-N thái dữ liệu
 Ghép dữ Dữ liệu
 u
 ệ
 i liệu
 l
 ữ
 d
 Lấy thời Thời gian thu
 ó
 C gian thu
 RAM
 Cập Địa chỉ ghi 2 cổng 
 Tăng địa chỉ nhật địa độc lập
 chỉ ghi
 So sánh
 Cập Địa chỉ đọc
 nhật địa 
 Tăng địa chỉ chỉ đọc
 Giao tiếp 
 Máy tính 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-STD-
1553B. 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 MIL-
STD-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]: 
 Z
 ZR 0 2 (1) 
 B 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: 
 Z 2Z
 ZZ B o (2) 
 R 22 o
 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. 
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 Phối hợp trở 
 kháng kháng
 NGUỒN
 Biến áp Biến áp
 cách ly cách ly
 Chuẩn hóa tín Chuẩn hóa tín Dao động Bộ nhớ 
 hiệu vật lý hiệu vật lý
 50Mhz chương trình Tới máy tính
 FPGA
 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:
 reference. 
[3]. [Online].Available:  and Rationable of Mil-
 Std_1553 A and B. 
[4]. Yunfeng Bai and Zucheng Zhou and Junbi Chen “The implementation of MIL- 
 STD-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: dungsystemdesigner@gmail.com. 
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 68, 8 - 2020 213