基于總線架構的民機駕駛艙控制面板通訊架構研究

薛戰(zhàn)東 左澤軒

（上海飛機設計研究院，中國 上海 201210）

0 引言

飛機自身重量和載重能力是民用飛機設計的一個重要指標，在保證民用飛機安全性、可靠性的前提條件下，如何通過減小飛機自身重量，以增加飛機載重能力，從而提高飛機的經濟性和競爭力始終是民用飛機設計的考慮因素。

目前國內研制的民機駕駛艙控制面板與絕大部分機載系統(tǒng)之間采用硬線配線連接通訊。而隨著總線技術、計算機技術等的不斷發(fā)展，總線技術以及綜合模塊化結構航電系統(tǒng)（IMA）在民用飛機上的應用逐漸成為趨勢，同時飛機上大部分機載系統(tǒng)都采用總線的方式與航電系統(tǒng)通訊。基于這些特點，在保證飛機安全和可靠性的前提下，本文提出駕駛艙控制面板與飛機各機載系統(tǒng)主要控制器之間基于總線通訊的架構，可以在一定程度上減少國產飛機駕駛艙控制面板與各系統(tǒng)主要單元之間相互連接的配線，減輕民用飛機自身的重量。

1 基于總線的駕駛艙面板與機載系統(tǒng)通訊架構

結合目前國外先進民用大型飛機具體項目經驗，并依據許多研究學者的技術跟蹤，未來民用飛機發(fā)展航電系統(tǒng)、照明系統(tǒng)以及機載系統(tǒng)交聯(lián)方式的主流趨勢大致如下：

1）航電系統(tǒng)采用綜合化、集成化或分布式的IMA。其具有以下幾個特點[1-5]：

a）采用較多的分布于整個飛機的遠程數據集中采集單元（Remote Data Concentrator：簡稱為RDC）的IMA模塊。便于絕大部分的飛機機載系統(tǒng)主單元或控制器采用各種各樣的總線與就近的RDU連接，通過航電系統(tǒng)獲取飛機及其他相關系統(tǒng)相關信息，這能夠在一定程度上減少飛機布線數量和長度。若飛機機載系統(tǒng)主單元或控制器采用的數據總線與IMA全局數據總線兼容，則可以直接接入全局數據總線。

b）綜合程度越來越高。一些最新的國外飛機IMA除了綜合了傳統(tǒng)意義的航電系統(tǒng)的外，還綜合了一些非傳統(tǒng)航電系統(tǒng)的處理和控制功能。盡管IMA綜合集成程度越來越高，但一些非常重要的非航電機載系統(tǒng)，甚至部分航電系統(tǒng)，依然采用傳統(tǒng)的聯(lián)合式結構以分立設備的形式存在，這些分立機載系統(tǒng)控制器也采用總線數據與航電系統(tǒng)通訊。

c）采用先進的高速數據通訊網絡和數據總線進行信號傳輸，數據傳輸速率、實時性相對更高，且由于IMA架構采用了相關冗余備份和容錯設計，可靠性更高。

d）IMA模塊支持層和操作系統(tǒng)層機載軟件以及硬件平臺按照高研發(fā)等級DAL開發(fā)，且操作系統(tǒng)能夠進行相應的隔離措施和分區(qū)機制，保證數據的安全處理和傳輸。

2）隨著數據總線技術的不斷發(fā)展以及告警維護信息的綜合顯示，絕大部分民機機載系統(tǒng)與航電系統(tǒng)采用數據總線傳輸數據已經非常普遍，即機載系統(tǒng)控制器與航電系統(tǒng)之間總線通訊架構已經存在[5-8]。

3）飛機駕駛艙各系統(tǒng)控制開關、信號指示燈和導光板等趨向集成為獨立的航線可更換單元駕駛艙控制組件CPA （Control Panel Assemblies），控制板組件內集成了微處理器/單元以進行調光、開關信號控制和燈驅動等，特別是為了導光板調光等另設置有專門的控制器DCP（Dimming Control Power），DCP與CPA之間以及DCP與航電系統(tǒng)等外部機載系統(tǒng)之間通過總線通訊[9-11]。

目前，國內研制新舟600（MA600）、ARJ21-700和C919民用飛機無一例外也采用IMA，但這些飛機項目上，絕大部分機械系統(tǒng)的控制器與相關的駕駛艙控制面板依然采用傳統(tǒng)的硬線配線連接和通訊，以獲取飛行員相關操作信息。由于飛機上擁有大量駕駛艙面板，采用這種傳統(tǒng)的通訊架構，必然需要大量的配線；同時，盡管絕大部分機載系統(tǒng)控制器位于飛機前電子設備艙，但由于需系統(tǒng)地考慮飛機結構、設備布置和飛機布線等，因此所需配線較長，相關配線重量較重。

結合如上所述國外民機的主流發(fā)展趨勢以及部分學者逐步提高國產民機綜合集成化程度的建議[1]，在保證民機飛機安全性和可靠性前提下，本文提出在國內民機項目上主要采用總線架構實現(xiàn)駕駛艙控制面板與機載系統(tǒng)通訊的架構方案（見圖1），以期減少飛機配線數量和重量，并在一定程度上減輕飛機重量機降低飛機布線難度。

圖1 駕駛駕面板與機載系統(tǒng)總線通訊架構

安全性和可靠性是民用飛機進入市場的前提，該方案的具體確定必須依據飛機以及系統(tǒng)安全性分析。通過分析，確定可以采用總線通訊架構的駕駛艙控制控面板與機載系統(tǒng)，若單獨采用總線架構不能滿足相關要求，則必須同時采用傳統(tǒng)的硬線配線連接方式冗余備份。

2 總線通訊架構分析

2.1 重量分析

下面以國內目前研制的某民用飛機空氣管理系統(tǒng)AMS（含引氣系統(tǒng)、機翼防冰系統(tǒng)、客艙壓力調節(jié)系統(tǒng)和空調系統(tǒng)）為具體實例，對比分析采用總線架構與傳統(tǒng)方式的所需配線重量差異。該飛機駕駛艙面板到空氣管理系統(tǒng)控制器IASC之間實際所需配線長度大約為8米，經安全性分析，除發(fā)動機引氣、機翼防冰開關、應急泄壓和應急通風開關需要單獨的硬線配線備份外，其它開關全部采用總線通訊方式。該用該總線通訊架構，將減少較多的硬線配線，減小了飛機線纜的重量（見表1），同時也可降低飛機布線難度。經過分析，飛機駕駛艙空氣管理系統(tǒng)面板與IASC之間主要采用總線傳輸架構，可以節(jié)省重量約6kg。

表1 AMS面板總線傳輸架構重量節(jié)省分析

2.2 信號的可靠性和實時性分析

與傳統(tǒng)硬線配線傳輸相比，采用總線架構傳輸會有一定的延遲，但隨著目前總線和IMA技術的發(fā)展，總線信號的實時性有了很大的提高。在國外其他民機項目上，在使用的先進總線已能夠支持10～100Mb/s的傳輸速率,并且有增長至1Gb/s的潛力[1-2]；此外考慮駕駛員依據EICAS告警信息采取開關操作動作本身就需要人為響應時間，駕駛艙開關與相關機載系統(tǒng)控制器之間信號延遲性要求不高，因此采用該總線架構的信號實時性完全可以滿足要求。同時，由于整個總線架構會采用冗余備份等容錯技術，開關信號的可靠性也可得到滿足。此外，由于采用數據總線，會在一定程度提高信號抗干擾能力[2-3]。

2.3 集成和交聯(lián)驗證試驗

相對于傳統(tǒng)硬線配線連接通訊，采用總線通訊架構在一定程度上增加了系統(tǒng)之間的交聯(lián)，需要額外的系統(tǒng)級交聯(lián)或集成試驗。但相對民用飛機采用IMA需要解決的復雜IMA集成和交聯(lián)試驗技術和方法[8]，采用該架構只需要相對增加一些簡單的面板信號處理和傳輸，相應的交聯(lián)和集成驗證試驗工作量相對較小且難度小。

3 總結

本文從目前國產民機駕駛艙控制面板與絕大部分機載系統(tǒng)之間采用硬線配線連接通訊的方式出發(fā)，通過對比研究航電系統(tǒng)、照明系統(tǒng)以及飛機機載系統(tǒng)交聯(lián)方式的發(fā)展趨勢，提出了主要基于總線的駕駛艙面板通訊架構，以空氣管理系統(tǒng)駕駛艙為例，重點詳細分析了采用該架構所節(jié)省的配線重量，定性說明了該架構可靠性、實時性和驗證試驗的可行性。

［1］尤海峰,劉煜.大型民用飛機 IMA系統(tǒng)應用分析及發(fā)展建議[J].電訊技術,2013,1.53(1).

［2］孫歡慶.民用飛機綜合航電系統(tǒng)技術發(fā)展研究[J].航空科學技術,2010,2.

［3］唐寧,常青.航空數據總線技術分析研究[J].現(xiàn)代電子技術,2014,2,37(4).

［4］周燁斐,劉艷濤.民用飛機綜合模塊化航電系統(tǒng)分區(qū)和資源分配的研究[J].民用飛機設計與研究.

［5］孫振華.CAN總線技術在民用飛機中的應用[J].科技信息,2013(7).

［6］黨曉民.現(xiàn)代大型飛機環(huán)境控制系統(tǒng)關鍵技術研究[J].中國航空學會2007年學術年會,機載、航電專題70.

［7］趙紅軍,蔡志勇,程海峰.現(xiàn)代飛機航電系統(tǒng)集成驗證方法研究[J].第五屆中國航空學會青年科技論壇,2012,10,8.

［8］李德慶,段春.民用飛機環(huán)控系統(tǒng)試驗用航電系統(tǒng)仿真器設計[J].科技視界,2012,10,8.

［9］徐滔.淺談駕駛艙控制組件應用[J]科技與創(chuàng)新,2015(8).

［10］萬翀.采用總線的民用飛機客艙照明系統(tǒng)[J].光電與控制,2015,3,22(3).

［11］吳春澤.基于CAN總線的民用飛機導光板調光技術[J].技術研發(fā),2012,19.