基于CAN總線飛機(jī)常規(guī)配電系統(tǒng)通信功能設(shè)計(jì)

范詩(shī)洋

摘 要 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)高速發(fā)展，大量機(jī)型采用智能配電系統(tǒng)的固態(tài)功率控制器、計(jì)算機(jī)控制代替?zhèn)鹘y(tǒng)斷路器、熔斷器和邏輯電路構(gòu)成的配電系統(tǒng)。目前，部分通用飛機(jī)正在往智能配電方向發(fā)展。然而，傳統(tǒng)常規(guī)配電方式技術(shù)成熟，可靠性高，暫時(shí)無(wú)法完全替代，為促進(jìn)配電系統(tǒng)智能化發(fā)展，需對(duì)傳統(tǒng)配電系統(tǒng)進(jìn)行智能化改進(jìn)。在保持原有傳統(tǒng)配電功能基礎(chǔ)上增加總線通訊功能，滿足通用飛機(jī)智能通訊功能。

關(guān)鍵詞 智能通訊功能 傳統(tǒng)配電系統(tǒng) 數(shù)字技術(shù)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP336;V24 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0745（2021）03-0003-03

1 前言

隨著數(shù)字技術(shù)發(fā)展，傳統(tǒng)的飛機(jī)配電系統(tǒng)配置雖然能滿足飛機(jī)機(jī)載系統(tǒng)和設(shè)備的常規(guī)配電需要，但隨著飛機(jī)多電和全電化趨勢(shì)不斷增長(zhǎng)，因此通過(guò)SSPC進(jìn)行控制和保護(hù)的智能配電系統(tǒng)會(huì)逐步取代通過(guò)斷路器、熔斷器進(jìn)行控制和保護(hù)的傳統(tǒng)常規(guī)配電系統(tǒng)[1]。但由于常規(guī)配電系統(tǒng)技術(shù)可靠性相對(duì)較高，短時(shí)間內(nèi)無(wú)法完全取代，因此為實(shí)現(xiàn)飛機(jī)智能配電系統(tǒng)，需對(duì)常規(guī)配電系統(tǒng)進(jìn)行智能化設(shè)計(jì)。常規(guī)配電系統(tǒng)智能化設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于與通訊功能，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品本身、保護(hù)裝置、控制裝置等狀態(tài)自檢，并能將故障狀態(tài)通過(guò)總線實(shí)時(shí)上報(bào)[2]。

本文基于CAN總線對(duì)通用飛機(jī)常規(guī)配電系統(tǒng)通訊功能從硬件和軟件兩方面論述常規(guī)配電盒通訊功能的實(shí)現(xiàn)。

2 CAN總線簡(jiǎn)介

2.1 CAN總線特點(diǎn)

CAN總線結(jié)構(gòu)劃分為物理層、應(yīng)用層以及數(shù)據(jù)鏈路三部分，是一種有較好分布式控制和實(shí)時(shí)性的串行通信網(wǎng)絡(luò)。相較于其他常用通信網(wǎng)絡(luò)，CAN總線具有以下特點(diǎn)：

1.CAN總線物理層特點(diǎn)：CAN總線傳輸速率范圍較廣，范圍能達(dá)從5kbps到1Mbps，并且最遠(yuǎn)傳輸距離能達(dá)到10km。傳輸介質(zhì)有光纜、雙絞線、同軸線等，常用傳輸介質(zhì)多為雙絞屏蔽線。并且采用差分信號(hào)雙余度傳輸方式，這種傳輸方式有較高的可靠性，單邊出故障時(shí)可用備份通道持續(xù)傳輸。

2.CAN總線應(yīng)用層特點(diǎn)：CAN總線應(yīng)用層協(xié)議可以根據(jù)客戶的實(shí)際需求自主定義，目前在汽車(chē)領(lǐng)域、工業(yè)制造以及航空航天等領(lǐng)域已形成CAL、CANOpen、CANKingdom等多種主流應(yīng)用層協(xié)議[3]。

3.CAN總線數(shù)據(jù)鏈路層特點(diǎn)：CAN總線數(shù)據(jù)鏈路層可實(shí)現(xiàn)任意時(shí)刻向通信網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送信息，并且不同信息之間無(wú)主次之分，使得整個(gè)使用CAN總線通信變得更加靈活。同時(shí)CAN總線采用非破壞性仲裁技術(shù)，這保證了當(dāng)多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送信息時(shí)優(yōu)先級(jí)低的節(jié)點(diǎn)信息會(huì)主動(dòng)退出，保障優(yōu)先級(jí)高的節(jié)點(diǎn)正常傳輸數(shù)據(jù)，減少傳輸過(guò)程中多節(jié)點(diǎn)間沖突，降低仲裁時(shí)間。由于采用短幀通訊結(jié)構(gòu)，使其傳輸速率高，傳輸過(guò)程中手干擾改率降低，并且每幀數(shù)據(jù)都有循環(huán)冗余碼校驗(yàn)，講題出錯(cuò)率，大大增加通信傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

2.2 CAN總線與ARINC429總線的比較

目前，在民用航空系統(tǒng)中運(yùn)用較為廣泛的總線通信有兩種，分別是ARINC429總線和CAN總線，表1對(duì)這兩種航空總線進(jìn)行了比較。

結(jié)合CAN總線特點(diǎn)及以上比較可以看出，相較CAN總線429總線在總線通信傳輸過(guò)程中傳輸速率慢，所需電線電纜數(shù)量較多。由于429總線不是集中控制，多采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸方式，減少其他干擾提高傳輸可靠性;CAN總線數(shù)據(jù)傳輸較429總線相比傳輸速率快，并且可實(shí)現(xiàn)分布控制，有較高實(shí)時(shí)性，可靠性高[4-5]。

3 基于CAN總線常規(guī)配電系統(tǒng)通訊功能設(shè)計(jì)

3.1 CAN總線通訊硬件設(shè)計(jì)

CAN總線硬件通過(guò)STM32開(kāi)發(fā)板自帶的bxCAN進(jìn)行硬件編制，在STM32開(kāi)發(fā)板中CAN總線通信模塊有三種工作方式，分別是模塊初始化、模塊工作狀態(tài)以及模塊休眠狀態(tài)。模塊初始狀態(tài)禁止接收或發(fā)送任何總線報(bào)文，通過(guò)軟件配置確定是否退出初始化狀態(tài)。退出初始化狀態(tài)CAN總線模塊進(jìn)入工作狀態(tài)可正常收發(fā)報(bào)文信息。睡眠模式是通過(guò)CAN_MAR寄存器INRQ位和SLEEP位置同時(shí)控制。需要注意的是在硬件設(shè)計(jì)過(guò)程中為避免產(chǎn)生單一節(jié)點(diǎn)芯片故障影響整個(gè)通訊網(wǎng)絡(luò)正常通信工作，需對(duì)CANH和CANL之間進(jìn)行隔離保護(hù)。同時(shí)考慮CAN總線遠(yuǎn)距離傳播以及飛機(jī)電磁兼容特性，需在總線端口處做防雷設(shè)計(jì)。

3.2 CAN總線通訊軟件規(guī)范制定

CAN總線數(shù)據(jù)幀可分為標(biāo)準(zhǔn)幀和擴(kuò)展幀兩類(lèi)，數(shù)據(jù)幀由幀起始、仲裁域、控制域、數(shù)據(jù)域、CRC域、ACK域和幀結(jié)束七個(gè)位域組成，ARINC825-2規(guī)范采用擴(kuò)展幀格式傳輸所有的數(shù)據(jù)，并提供多種網(wǎng)絡(luò)層應(yīng)用，以支持“一對(duì)多”和“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”的通信方式。常規(guī)配電系統(tǒng)CAN總線通訊通常為“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”的通信方式，“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”通信的仲裁域標(biāo)識(shí)符格式如圖1所示。

常規(guī)配電系統(tǒng)CAN總線通訊主要包含PBIT、CBIT、離散量狀態(tài)上報(bào)，采用“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”上報(bào)模式，結(jié)合“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”通信的仲裁標(biāo)識(shí)符格式確定每幀數(shù)據(jù)內(nèi)容，確認(rèn)仲裁域后需規(guī)范控制域和確定數(shù)據(jù)域。此處以PBIT為例見(jiàn)表2確定每幀數(shù)據(jù)的具體內(nèi)容。

4 結(jié)論

本文介紹了基于CAN總線通信飛機(jī)常規(guī)配電系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)及軟件規(guī)范制定。通過(guò)硬件電路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)對(duì)常規(guī)配電系統(tǒng)每路保護(hù)裝置、處理器、通訊狀態(tài)實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)控，通過(guò)軟件規(guī)范定義實(shí)現(xiàn)狀態(tài)異常上報(bào)和控制，初步實(shí)現(xiàn)飛機(jī)常規(guī)配電系統(tǒng)智能化。由于CAN總線傳輸速率相對(duì)較快，實(shí)時(shí)性高，并且技術(shù)難度和成本性對(duì)較低。隨著機(jī)電子系統(tǒng)的功能綜合管理和數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性控制，CAN總線作為支持分布式控制和實(shí)時(shí)控制的通信網(wǎng)絡(luò)，在飛機(jī)配電系統(tǒng)由傳統(tǒng)模式轉(zhuǎn)換進(jìn)入智能化模式過(guò)程中一定會(huì)有廣泛應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1] 杜尚豐，曹曉鐘，徐津.CAN總線測(cè)控技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007：9-28.

[2] 鄔寬明.CAN總線原理和應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1996：10-18.

[3] 張曉斌，張興國(guó)，鄭先成.CAN總線在飛機(jī)配電系統(tǒng)中的應(yīng)用設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2009，17（05）：943-946.

[4] AIRINC-429協(xié)議規(guī)范[S].THEAEEC Executive Comm ittee，2004.

[5] AIRINC-825協(xié)議規(guī)范[S].THEAEEC Executive Comm ittee，2010.