基于CAN的飛機機電系統數據采集與控制設計研究

李曉崢 屈斌 史壯歌

摘 要：飛機機電系統基于CAN技術來實現數據采集與控制的綜合性和集成化，有效提升了數據采集的效率與控制效果。本文通過對基于該項技術功能化設計需求的分析，進一步分析了飛機綜合機電控制系統的結構與技術設計。

關鍵詞：CAN技術;數據采集;設計

引言

隨著民航的快速發展，機電系統的綜合控制技術由于具有諸多優勢而開始得到廣泛性應用，為了深入探究該項技術在功能優化方面的作用，本文對飛機機電系統基于CAN技術的數據采集和控制設計進行了分析。

1 設計需求

1.1控制結構方面的需求

在飛機的機電系統當中包含著多種作動裝置系統，像是起落架系統、燃油系統、環境控制系統、液壓控制系統等等。但許多現有的飛機機電系統當中，其系統的綜合性和集成化程度偏低，有些甚至都是獨立系統，沒有綜合一說，在各項功能的數據采集與控制方面，其也是獨立完成，沒能夠實現數據信息的共用，這會導致硬件的利用率較低，整體的連線也是十分混亂且復雜，在數據采集與控制方面可靠性較低，實際操作顯現出困難，在排除故障方面也具有一定難度，系統本身自重過大，維護效果不佳。這些問題的產生都在于機電控制系統的結構缺陷，而設計出綜合性的機電控制系統，實現數據采集與控制功能的集成化也變得很有必要[1]。

1.2總線方面的需求

在飛機機電系統當中，其數據的交互是十分冗余和繁雜的，在傳統的民航飛機當中，一些線纜的連接采用硬線式連接方法，導致線纜結構雜亂，使得線路方面的維護與監控都具有較高難度，因此，其需要采用數據總線連接通信的方式，有效簡化線纜結構，也會降低飛機的自重。

2 結構設計

CAN技術下的飛機綜合控制機電系統的數據采集與控制功能所包含的相關部件主要包括頂部控制板結構、兩個獨立的電氣系統控制裝置、通信總線CAN以及交流二級配電裝置，在結構設計上主要是采用雙余度雙通道的形式，在每個通道的構件當中都有著兩個計算機設備，其能互為數據備份機。在頂板控制板當中也有著兩臺控制計算機設備，其與電氣系統之間進行數據通信，主要是通過CAN總線來連接通信，通信主要是包括傳輸控制指令及反饋狀態信息，電氣系統控制器裝置中具有著數據采集的模塊，其主要是對探測器與傳感器的設備進行采集，而綜合控制機電系統的控制功能則是由交流二級配電裝置來實現，而其系統與配電裝置之間的連接則是基于CAN網絡，二級配電裝置會接收到相應的控制命令，然后根據命令執行對固態功率控制器的控制。

3 技術設計

3.1頂部控制板數字化技術

在飛機的機電系統數據控制當中運用頂部控制板數字化技術，主要是設計出集成化模板及總線調光自適應控制功能。例如，在設計的過程中，使其控制板的背板對兩臺數字處理計算機設備進行集成處理，再結合CAN總線技術所發出的信號命令對系統控制板下達執行要求，同時對各個系統的狀態信息進行采集，進而顯示在控制板上，兩臺進行數字處理的計算機通過兩條通道貫通組合，其整體的數字處理模塊呈現出雙通道雙余度的構型，頂板控制板上的開關信號會被計算機采集，從而CAN總線來發送給電氣系統的控制器，也會發送到飛機的各個系統當中，收到信號并將命令完成以后，就會通過CAN總線再將狀態信號反饋發送到兩臺計算機中，將相應的信號燈激活。對于調光自適應控制部分，其主要是包含了兩個雙余度的數字信號處理設備，帶有著電源控制的電路與內部數字調光功能，其雙余度的信信號處理設備還有著兩個電源模塊，保證本地的所有LRU及負載都能夠得到供電。數據通信的接口是由調光自適應控制部分所提供，再結合CAN總線技術，有效實現與控制板的各個組件之間進行通信，調光自適應控制模塊還能夠為飛機的其他系統提供常規離散型模擬信號[2]。

在飛機系統當中，通常控制信號都會經過機電綜合控制系統以及背板計算機設備的處理，而第三套手動應急系統的控制則不需要經過其處理，通常是獨立存在的，一般是頂部控制板直接將控制命令下達給相應的作動裝置，通過硬線來進行命令傳輸。

3.2電源的智能化管理

在智能化配電方面，其能夠將用電負載的裝機容量和整個飛機系統進行最小化處理，且系統的自重與成本也會降到最低，一般是將實際負載進行智能化分區及合理配置，從而實現智能化管理。交流二級配電裝置處理器會對實際用電的負載量與用電峰值進行管理，該項管理的參數會控制在飛機系統處理裝置的規定范圍之內，而若假設設定了多個交流二級配電裝置的控制器，則系統在最高執行下，會將邏輯控制層滲透到所有的控制器當中，飛機的電源系統會與相關任務計算機及飛機管理進行共同工作，其電源的管理任務需要在分配的時間內全部完成，還需滿足任務發動機功率方面的實際預算要求，對于電網和電源系統存在的故障，交流二級配電裝置的邏輯也能夠進行識別，同時可以做到故障的有效隔離，也可對電源系統控制器進行重新配置，以保證電源的供電達到負載要求。系統若是在最低執行下，交流二級配電裝置處理器也能夠實現故障保護、基本狀態反饋以及對計算機命令執行，對交流二級配電裝置進行配置，可以實現數據總線對獨立固態功率控制器的控制，數據總線是被使用在飛機系統的分級數據結構當中，且在交流二級配電裝置當中可以對數據總線的時間、級別以及超控等進行軟件執行，在本項設計當中，交流二級配電裝置處理還需依托于綜合機電控制的電源系統控制器來實現功能，其基本的控制邏輯與相關運算都是在電源系統控制器當中停留，電源系統中傳輸控制命令主要是運用雙余度CAN總線，能夠有效連接或是中斷固態功率控制器與交流二級配電裝置之間，控制實際負載的開關。

3.3雙余度的CAN總線網絡設計

綜合機電控制系統將各個機電控制系統的邏輯進行集成處理，其在保證數據傳輸的安全性與可靠性方面，主要是采用了容錯技術，避免實際運行時系統的有效性受到突發錯誤的不良影響。詳細分析綜合機電控制系統的容錯技術，其功能主要是體現在兩個方面，一方面是體現在整個系統的關鍵功能節點上，以此來實現該節點的容錯;另一方面是直接采用雙余度的CAN總線接口，實現整個網絡通信的容錯，設計出雙余度的CAN總線網絡，采用完全冗余模型來進行結構設置。對于完全冗余模型的設計思路，其主要是指基于CAN總線協議在各個功能模塊下布置上兩條系統總線，且每一個功能模塊上都設置了兩條獨立的CAN通道，該通道當中，包含了CAN總線的收發器設備、控制器設備、DC-DC轉換模塊以及光電耦合電路等等，這些設施能夠將差分線路連接，從而構成兩條總線，由于其收發器設備都是相對獨立，因此收發控制也是獨立形式，在冗余管理方面則是由相應軟件實現。這種設計方式的優勢就在于其能夠實現數據鏈路層、物理層以及物理介質等方面的全面性冗余，確保整體系統的安全性與可靠性都能夠提升，同時其操作簡便，不需要進行切換電路，也能夠降低系統的故障率。

結論：

綜上所述，飛機機電系統的數據采集與控制功能的設計，運用雙余度CAN總線的結構能夠充分提升數據采集、傳輸的可靠性，簡化其線路結構，提升控制效果。由本文分析可知，在實際進行的技術設計上，主要是包括頂部控制板數字化技術、電源的智能化管理。雙余度的CAN總線網絡設計等幾個部分。

參考文獻：

[1]張偉業.飛機機電系統分布式仿真模型優化方法研究[D].中國民航大學，2020.

[2]楊陽，胡佳林.基于CAN的飛機機電系統數據采集與控制設計[C]. .2016航空試驗測試技術學術交流會論文集.：中國航空學會，2016：162-164+179.