基于CAN總線的分布式飛機客艙模擬器控制系統(tǒng)

郭 潔，張一飛，李春芳，黃建民

（中航工業(yè)上海航空測控技術研究所，上海 201601）

飛機客艙模擬器是飛機客艙服務訓練模擬器的簡稱，是對某一特定型號航空器客艙環(huán)境的真實再現(xiàn)，具備客艙設備學習、乘務員控制操作訓練、客艙服務模擬訓練、旅客呼叫處置訓練、客艙廣播內(nèi)話操作訓練、應急處置訓練等多種功能，廣泛用于航空專業(yè)院校和航空公司，對培養(yǎng)航空服務專業(yè)學員和空乘人員起到了重要作用。

飛機客艙模擬器控制系統(tǒng)主要由客艙照明控制子系統(tǒng)、客艙溫度控制子系統(tǒng)、客艙廣播內(nèi)話控制子系統(tǒng)、乘客服務管理子系統(tǒng)和網(wǎng)絡通信子系統(tǒng)組成。本文設計的某型飛機客艙服務模擬器分布式控制系統(tǒng)采用CAN總線控制代替?zhèn)鹘y(tǒng)的集散式控制，使各個獨立的控制節(jié)點連接成分布式控制網(wǎng)絡，解決了傳統(tǒng)客艙模擬器控制設備復雜，布線繁瑣，可靠性、維修性差的缺點。實踐表明，基于CAN總線系統(tǒng)設計結構簡單、操作簡便、可靠性高、擴展性好，真正實現(xiàn)了分散控制，集中監(jiān)控的控制模式。

1 系統(tǒng)設計

本文設計的客艙模擬器控制系統(tǒng)主要包括客艙照明控制子系統(tǒng)、客艙溫度控制子系統(tǒng)、客艙廣播內(nèi)話控制子系統(tǒng)、乘客服務管理子系統(tǒng)。各子系統(tǒng)的功能分別由若干個獨立的CAN總線控制節(jié)點實現(xiàn)。上位機操作站主要負責對各節(jié)點的控制從而形成一個完整的控制網(wǎng)絡。系統(tǒng)架構如圖1所示。

圖1 客艙模擬器控制系統(tǒng)架構Fig.1 Aircraft cabin simulator control system structure

1.1 客艙照明控制子系統(tǒng)

客艙照明控制子系統(tǒng)負責對客艙燈光照明設備的控制。它分為普通照明、局部照明和應急照明3種。其中普通照明為整個客艙提供正常狀態(tài)下的照明功能，其設備包括客艙頂棚燈、客艙側壁燈和乘務員工作燈。局部照明包括登機照明、盥洗室照明和廚房照明。應急照明包括客艙頂棚應急照明燈、應急撤離通道指示燈、應急出口標志指示燈。

分散在客艙各處的照明設備按照區(qū)域劃分為4片，客艙照明控制在每個片區(qū)設置一個獨立的CAN節(jié)點，負責照明設備的通斷控制及亮度調(diào)節(jié)，并通過總線網(wǎng)絡與上位機操作站進行控制信息的交互。

1.2 客艙溫度控制子系統(tǒng)

客艙溫度控制區(qū)域劃分為前、后客艙服務區(qū)。客艙溫度控制通過2個服務區(qū)的溫度控制CAN節(jié)點測量各區(qū)域的溫度并自動調(diào)節(jié)到設定值。溫度控制CAN節(jié)點由乘務員溫度控制板和溫度調(diào)節(jié)控制器構成。面板上有溫度調(diào)節(jié)按鈕、管道過熱指示燈和當前溫度指示器等。調(diào)節(jié)控制器用于溫度信號的采集、處理和CAN數(shù)據(jù)的傳輸。

1.3 客艙廣播內(nèi)話控制子系統(tǒng)

客艙內(nèi)話系統(tǒng)提供機組與乘務員之間、乘務員與乘務員之間的通話及呼叫功能。旅客廣播系統(tǒng)提供飛行機組成員、乘務員向旅客廣播、播放預錄通知、登機音樂等。乘客可通過安裝在客艙和盥洗室的揚聲器聽到廣播。機組成員和乘務員可用話筒和相應的音頻選擇面板進行旅客廣播。客艙廣播內(nèi)話控制子系統(tǒng)通過廣播內(nèi)話CAN節(jié)點實現(xiàn)其功能。節(jié)點由音頻控制面板和帶有CAN通信模塊的音頻管理組建構成。

1.4 客艙服務管理子系統(tǒng)

客艙服務管理子系統(tǒng)具備閱讀燈、信號指示牌的驅動及乘客呼叫響應功能。其中信號指示牌包括禁止吸煙信號牌、系上安全帶信號牌以及乘客呼叫信號牌。當乘客按下呼叫按鈕后，客艙服務管理CAN節(jié)點驅動呼叫信號牌點亮，同時通過CAN總線將呼叫信號傳輸給上位機操作站的乘務員，以回應乘客的呼叫請求。

2 CAN節(jié)點硬件設計

由上文可知，每個控制子系統(tǒng)的功能都由相應的若干CAN節(jié)點實現(xiàn)。雖然子系統(tǒng)實現(xiàn)的具體功能不同，但在節(jié)點的硬件設計上具有較大的相似性和一致性，均包含信號采集模塊、信號處理模塊、CAN通信模塊、數(shù)字信號輸出模塊及相應的功能應用模塊。鑒于篇幅限制本文僅描述乘客服務管理CAN節(jié)點的設計，其硬件架構如圖2所示。

圖2 乘客服務管理CAN節(jié)點硬件架構Fig.2 Passenger service management CAN nodes hardware structure

2.1 主控制器模塊

綜合分析各子系統(tǒng)信號采集、數(shù)據(jù)處理、CAN總線通信的設計需求，并且考慮設計的兼容性和可擴展性，各子系統(tǒng)CAN節(jié)點均采用ATMEL公司的AT90CAN128單片機作為主控芯片。AT90CAN128是基于增強型RISC結構、低功耗、CMOS技術的8位微控制器[1]。片內(nèi)含大容量、非易失性的程序和數(shù)據(jù)存儲器，JTAG在線下載調(diào)試接口，并且內(nèi)部集成有10位逐次比較型ADC電路和CAN通信控制器。因此，AT90CAN128極大地方便了系統(tǒng)的開發(fā)，使整個系統(tǒng)結構簡單，性能可靠。

2.2 電源及掉電保護模塊

該模塊為系統(tǒng)各個功能單元提供必要的電源。為提高系統(tǒng)的可靠性，在該模塊中特別設計了掉電延時保護功能。掉電時將系統(tǒng)運行的重要數(shù)據(jù)保存在E2PROM中[2]。該設計采用電源監(jiān)控芯片，當系統(tǒng)電源低于監(jiān)控芯片的門限電壓值時，可產(chǎn)生觸發(fā)信號，使主控芯片進入掉電中斷處理狀態(tài)。此中斷的任務即將系統(tǒng)運行的重要數(shù)據(jù)保存到E2PROM中。同時，當恢復供電時，系統(tǒng)可正常工作并保存當前狀態(tài)信息。該模塊電路原理如圖3所示。

圖3 掉電保護電路原理Fig.3 Power-fail protection circuit schematic

首先通過配置AVR熔絲位，設置掉電檢測電壓門限，當AVR電源電壓掉到門限值以下時，AVR就停止工作。電源監(jiān)控芯片用于檢測系統(tǒng)電源電壓，其檢測電壓門限為4.6 V。當系統(tǒng)電源大于4.6 V時，電源監(jiān)控芯片的R端輸出高電平，整個系統(tǒng)正常工作。當系統(tǒng)電源電壓跌到4.6 V以下時，R腳輸出低電平，作為AVR外部中斷INT0的申請。INT0設計為掉電處理中斷，其主要任務是備份系統(tǒng)運行的重要數(shù)據(jù)到E2PROM中。

2.3 閱讀燈恒流驅動模塊

由于LED是電流隨電壓變化顯著的器件。正向導通時，其正向電壓的微小變化便可引起LED電流大幅度變化，所以閱讀燈LED采用恒流驅動方式，即電路輸出電流是恒定的，輸出的直流電壓隨負載阻值的不同在一定范圍內(nèi)變化[3]。XL3002是一款降壓高效率驅動LED全集成開關型變換器。在直流輸入電壓為5 V～32 V時，最大輸出電壓可達30 V，最大開關電流1.5 A，系統(tǒng)轉換效率可到90%以上[4]；XL3002內(nèi)部集成高壓功率MOSFET開關管，具有轉換效率高、系統(tǒng)元件少、可靠性高，安全性高等優(yōu)點。該模塊的電路原理如圖4所示。

圖4 恒流驅動電路原理圖Fig.4 Constant current power supply control circuit schematic

2.4 信號指示牌驅動模塊

該模塊使用固態(tài)繼電器來控制信號牌的驅動。每個繼電器的公共端連接到28 VDC。當繼電器被激活時，向位于乘客服務面板的信號指示牌提供28 V直流電壓。固態(tài)繼電器是用分離的電子元器件、集成電路及混合微電路技術結合發(fā)展起來的一種具有繼電特性的無觸點式電子開關，相比較于傳統(tǒng)電磁繼電器具有壽命長、可靠性高、開關速度快、電磁干擾小、無噪聲、無火花等特點[5]。使用固態(tài)繼電器可明顯簡化電路規(guī)模。

2.5 開關信號接口模塊

該模塊接收來自乘客服務面板上閱讀燈開關信號和呼叫開關信號并輸送這些信號到主控模塊進行邏輯處理。該模塊通過開關接口的去抖電路以及主控制器的去抖軟件實現(xiàn)去抖功能。

2.6 CAN總線通信模塊

該模塊由CAN總線驅動器PCA82C250和光電耦合6N137模塊構成。CAN協(xié)議控制器實現(xiàn)CAN協(xié)議的數(shù)據(jù)鏈路層和物理層功能。通過對其編程，可設置它的工作方式，進行數(shù)據(jù)發(fā)送和接收，并為上層應用建立物理平臺。CAN總線驅動器82C250是CAN控制器和總線的接口，其性能決定了總線終端、長度和節(jié)點數(shù)，是影響整個總線網(wǎng)絡通訊性能的關鍵因素之一。為增強CAN總線節(jié)點的抗干擾能力，AT90CAN128的TXCAN和RXCAN并不直接與82C250的TXD和RXD相連，而是通過高速光耦6N137與其相連，實現(xiàn)了總線上各CAN節(jié)點間的電氣隔離。硬件電路如圖5所示。

圖5 CAN通信接口電路原理Fig.5 CAN communication interface circuit schematic

3 CAN節(jié)點軟件設計

節(jié)點軟件按功能分為數(shù)據(jù)采集任務、控制程序任務、CAN通信程序任務以及維護自檢BIT任務。控制程序任務主要負責系統(tǒng)芯片的初始化、復位、控制外設通斷以及程序的跳轉等功能。具體包括呼叫指示牌、閱讀燈的開閉程序、I2C串行總線程序、定時器程序、按鍵子程序、內(nèi)部E2PROM讀寫程序等。通信程序任務主要是通過CAN總線和主控制器通訊，并響應其指令。數(shù)據(jù)采集任務主要是采集本節(jié)點終端溫度以及設備電路中關鍵點電壓值來實時得知系統(tǒng)硬件狀況。維護自檢BIT任務主要是監(jiān)控設備運行的基本狀況[6]。主程序流程如圖6所示。

節(jié)點軟件整體程序設計分為2部分，第1部分主要是程序加載和版本更新。系統(tǒng)上電后實現(xiàn)執(zhí)行的是駐留在主控制器內(nèi)部的Bootloader，PC指針指向其首地址開始運行Bootloader，如果沒有發(fā)生更新程序版本指令，則跳轉到原來已燒寫程序首地址來啟動程序，如果收到外部程序更新指令，則更新原來程序，并把新版本程序燒寫到存儲芯片里面。第2部分是運行加載程序，啟動看門狗，并進行第一次程序自檢，檢測系統(tǒng)設備和外設是否存在問題，后開中斷。系統(tǒng)軟件幾個任務都需要快速響應，故采用中斷的方式來處理問題，在中斷函數(shù)里面處理CAN總線通訊程序和開關控制子程序，其他任務都在主循環(huán)里處理。在響應中斷程序后及時更新整體系統(tǒng)設備的狀態(tài)參數(shù)，方便后續(xù)的程序處理，在主循環(huán)里處理數(shù)據(jù)采集任務。除此之外還需處理定時心跳自檢任務，實時監(jiān)測節(jié)點整體運行狀態(tài)。

圖 6 系統(tǒng)軟件流程Fig.6 Flow chart of system software

4 結語

作為故障診斷與健康管理技術航空科技重點實驗室資助項目，該系統(tǒng)經(jīng)過充分的試驗與調(diào)試，證明了設計方案的可行性和效性。該設計已成功應用于某型號國產(chǎn)民航客機客艙模擬器。結果表明，基于CAN總線的分布式飛機客艙模擬器控制系統(tǒng)結構簡單、操作簡便、可靠性高、擴展性好，真正實現(xiàn)了分散控制，集中監(jiān)控的控制模式，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，具有良好的實際應用價值。

[1]ATMEL Corporation.AT90CAN128 Data Sheet[Z]，2002.

[2] 張明，謝列敏.計算機測控技術[M].北京：國防工業(yè)出版社，2007.

[3] 辛曉寧，陳麗麗.LED恒流驅動電路研究與設計[J].微電子學與計算機，2011，28（3）：132-135.

[4] XLSEMI Corporation.XL3002 Data Sheet[Z]，2010.

[5] 肖珺.固態(tài)繼電器在某型飛機風擋溫控系統(tǒng)上的應用[J].數(shù)字技術與應用，2013（10）：43-33.

[6] 謝永成.機內(nèi)測試技術綜述[J].計算機測量與控制，2013，21（3）：6-9. ■