基于CAN總線的座艙操縱控制盒通信系統設計

武 琳，譚 磊，曾 行，張 弛

（航空工業洪都，江西 南昌，330024）

0 引言

人在環路的半實物飛行仿真試驗是研究飛控系統的重要手段[1]，試驗環境中一般包括模擬座艙、飛行控制計算機、飛行仿真系統、航電模擬系統、視景系統等。模擬座艙艙體的結構與實際飛機的座艙結構一致，艙內的模擬操縱控制盒與真實飛機控制盒功能、性能一致。試驗人員或飛行員需要借助這些人機交互設備，將模擬操縱信號、儀表指示信號與飛行控制計算機、飛行仿真系統實時通信，實現對飛行操縱的目的，以驗證飛行控制系統的飛行品質。因此設計一種高效、可靠、人機交互良好的座艙操縱控制盒通信系統，對飛控半物理仿真試驗環境來說至關重要。

CAN（Controller Area Network）總線是國際上應用最廣泛的現場總線之一。CAN總線采用了多主競爭式總線結構，數據通信沒有主從之分[2]，采用位仲裁技術，對通信數據用報文的形式進行編碼，可使不同節點之間收到相同的數據，這些特點使得CAN總線構成的網絡各節點之間的數據通信具有可靠性高、實時性好、抗干擾能力強、成本合理等優點。

為了能夠保證模擬座艙操縱控制盒通信的實時性和可靠性，本文設計了一套基于CAN總線的座艙操縱控制盒通信系統，將操縱控制盒信號與航電模擬計算機進行交互，并發送給飛行仿真系統，實現整個飛控半物理仿真試驗環境協調工作。

1 系統總體通信方案

1.1 通信方案

座艙操縱控制盒的顯示和控制通過與航電模擬計算機進行信息交換實現。根據系統的通信品質要求，需選擇合適的通信方案。目前常用的通信方案有兩種，它們各自的特點如下：

1)工控機加CAN總線接口卡方式（見圖1）

圖1 CAN總線接口卡方式

該方式經濟性好，但受到接口卡性能的制約，而且不利于現場的布局，存在線纜冗長、維護性困難的缺點。

2)CAN總線通信加以太網組網的方式（見圖2）

圖2 CAN總線加以太網組網方式

基于以太網的分布式系統在維護性、可擴展性、實時性方面具有非常大的優勢[3]。通過CAN總線加以太網進行組網的方式，真正意義上實現分布式采集系統，且該方式能高度安全及有效的進行分散式實時控制,解決了傳統模擬座艙采用集中式采集系統帶來的線纜多、維護性差、抗干擾能力差等問題，更利于后期的維護和底層設備的監控和拓展。

1.2 系統方案

本文設計了一套采用CAN總線和以太網進行組網的座艙操縱控制盒通信系統，由航電模擬計算機、綜合顯示計算機、NIc RIO-9035控制器、NI 9853CAN模塊和操縱控制盒組成。

兩塊NI 9853CAN模塊分別采集前艙和后艙的操縱控制盒信號，系統通信方案架構如圖3所示。

NI 9853CAN模塊使用新的CAN控制器SJA1000和收發器82C250，能提供總線判優，誤差檢測并自動糾錯以及再傳輸功能。每路CAN通道都集成完全的電氣隔離保護、防浪涌保護，抗干擾能力強，是一款性能穩定、通訊可靠的CAN模塊。主要技術指標如下：

1)PC接口：1Mbps下擴展幀，雙通道同時超過6500 幀／S；

2)傳輸速率：CAN控制器波特率高達1Mbps；

3)傳輸介質：屏蔽或非屏蔽雙絞線；

4)傳輸方式：CAN2.0A和CAN2.0B協議；

5)通訊接口：CAN-bus接口采用光電隔離、DCDC電源隔離，隔離模塊絕緣電壓達到2500V；單路總線最多可接110個節點，最長通訊距離10公里；

6)占用資源：即插即用，資源自動分配；

7)工作溫度：-0°C～+70°C；

8)存儲溫度：-55°C～+85°C。

操縱控制盒用于設置和顯示起落架、襟翼、主告警、自動駕駛等相關狀態。NI cRIO-9035控制器將采集的操縱控制盒CAN總線信號轉換為以太網信號，并廣播至以太網局域網。航電模擬計算機捕獲以太網信號，通過控制盒標識符ID將以太網的數據進行解包和處理，與飛行仿真系統進行數據交換，實現整個飛控半物理仿真系統協調工作。

航電模擬計算機是通信系統的核心計算機，完成總線管理功能和數據轉發功能，負責以50ms為時鐘周期進行與飛行控制計算機通信的總線管理和數據轉發，同時作為總線系統和實時網絡系統的網關進行數據交換。

在每個時鐘周期里，航電模擬計算機從飛行控制計算機、座艙操縱控制盒、飛行仿真系統獲取相關數據，進行相應轉換和系統仿真計算，并將獲取和計算的數據收集后在屏幕上加以顯示，同時發送相關數據給飛行控制計算機、座艙操縱控制盒和綜合顯示計算機。綜合顯示計算機負責以50ms為時鐘周期從航電模擬計算機接收數據，對相關信息進行顯示。飛控半物理仿真系統通信方案如圖4所示。

圖4 飛控半物理仿真系統通信方案

2 系統軟件設計

基于C++面向對象程序設計方法，開發了相關的1553等通信類、系統仿真計算類、數據處理轉換類等類和對象，并通過主界面將所有功能集成到一起，以實現航電模擬仿真和操縱控制盒通信的運行與管理。

系統主界面由主菜單、工具欄和參數顯示窗口組成，主菜單和工具欄控制初始參數設置、工作模式選擇和仿真的開始、停止等，參數顯示窗口負責試驗有關仿真數據的在線顯示。

當仿真系統啟動后，首先完成初始化，然后啟動50ms定時器，進入定時循環，其每50ms周期內系統軟件流程圖如圖5所示。

圖5 系統軟件流程圖

航電模擬計算機是實現座艙控制盒設備實時顯示和控制的核心，根據其功能要求，將模塊劃分為以下幾個部分：

1）CData類：負責定義座艙控制盒設備與航電模擬計算機之間的通信數據格式、類型和數量。

2）CBoxDisplay類：對來自飛行控制計算機等其他設備的數據進行解析處理，轉換成控制命令，發送給座艙控制盒相應設備，實現實時狀態顯示。

3）CBoxContronl類：接收來自座艙控制盒設備的控制命令，轉換成相應控制字，發送給飛行控制計算機等指定設備。

4）CTimer類：實現系統按50ms周期運行。

控制器將操縱控制盒CAN總線信號轉換為以太網信號，通過TCP/IP協議進行數據傳輸。CANUDP報文格式如下：

&data1&data2&data3&data4&data5&data6

其中data值為小數格式的浮點型字符串，0位精度；

data1:TimestampHigh,忽略；

data2::TimestampLow,忽略；

data3:標識符 ID；

data4:從高位到低位依次為類型 (0為數據幀，1為遠程幀)、InfoA（忽略）、InfoB（忽略）、Datalength；

data5:從高位到低位依次為 Data[0]、Data[1]、Data[2]、Data[3]；

data6:從高位到低位依次為 Data[4]、Data[5]、Data[6]、Data[7]；

操縱控制盒通信軟件流程圖如圖6所示。航電模擬計算機通過接收報文中的data3解析ID，確定報文來源于哪個操縱控制盒，并將data5、data6按位解析，判斷相應操縱控制盒狀態，并將信號轉發給飛行控制計算機、飛行仿真系統。同時，航電模擬計算機接收飛行控制計算機、飛行仿真系統發送的狀態字，狀態字解析后生成報文，報文發送按照相同的報文格式，只需對應相應操縱控制盒的ID，就可將相應狀態發送給操縱控制盒進行指示。

圖6 操縱控制盒通信軟件流程圖

3 試驗測試

3.1 測試方法

本試驗測試的目的是驗證座艙操縱控制盒設備與航電模擬計算機之間基于CAN總線的通信方案的準確性和實時性，測試方法分為三部分：

1）操縱控制盒測試

測試操縱控制盒是否按預期目標準確且快速顯示，航電模擬計算機模擬飛行控制計算機輸入，切換相應狀態字，觀察操縱控制盒的顯示情況；

2）按壓控制盒按鍵是否生成相應控制字

在航電模擬計算機開發MFC控制字解析軟件，將控制字的狀態直觀顯示出來，按壓控制盒上相應的控制按鍵，觀察MFC控制字解析軟件的實時狀態；

3）報文收發聯試

航電模擬計算機接收飛行控制計算機、飛行仿真系統的信號并生成報文發送給操縱控制盒，檢查操縱控制盒顯示狀態是否正確。對操縱控制盒所有按鍵和開關進行測試，檢查航電模擬計算機解析是否正確。

3.2 測試結果

經過長時間的測試，數據收發實時性高，從未出現丟包和卡滯的現象。測試結果證明了基于CAN總線和以太網的通信方案的實時性、準確性和可靠性。

4 結論

在某型飛機飛控半物理仿真試驗環境中，經過多次反復測試，驗證了基于CAN總線的模擬座艙內操縱控制盒通信系統的可行性。該通信方案具有以下優點：

1）采用CAN轉以太網的網絡通信方案，實時性強，可靠性高，通用性好，經濟性好；以太網UDP不定長分包收發數據方式合理可行，保障了網絡的實時性和穩定性。

2）采用分布式架構體系，線纜少，結構清晰，易于維護。