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

范詩洋

（中航通飛華南飛機(jī)工業(yè)有限公司，廣東 珠海 519090）

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)多電和全電化趨勢不斷增長，因此通過SSPC 進(jìn)行控制和保護(hù)的智能配電系統(tǒng)會逐步取代通過斷路器、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)可靠性相對較高，短時(shí)間內(nèi)無法完全取代，因此為實(shí)現(xiàn)飛機(jī)智能配電系統(tǒng)，需對常規(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)通過總線實(shí)時(shí)上報(bào)[2]。

本文基于CAN 總線對通用飛機(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)先級低的節(jié)點(diǎn)信息會主動(dòng)退出，保障優(yōu)先級高的節(jié)點(diǎn)正常傳輸數(shù)據(jù)，減少傳輸過程中多節(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 對這兩種航空總線進(jìn)行了比較。

表1 ARINC429 總線和CAN總線

圖1 “點(diǎn)對點(diǎn)”通信的仲裁域標(biāo)識符格式

表2 PBIT上報(bào)

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STM32 開發(fā)板自帶的bxCAN 進(jìn)行硬件編制，在STM32 開發(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，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“一對多”和“點(diǎn)對點(diǎn)”的通信方式。常規(guī)配電系統(tǒng)CAN 總線通訊通常為“點(diǎn)對點(diǎn)”的通信方式，“點(diǎn)對點(diǎn)”通信的仲裁域標(biāo)識符格式如圖1所示。

圖1 測定儀示意圖

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)對點(diǎn)”上報(bào)模式，結(jié)合“點(diǎn)對點(diǎn)”通信的仲裁標(biāo)識符格式確定每幀數(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。通過硬件電路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)對常規(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 總線傳輸速率相對較快，實(shí)時(shí)性高，并且技術(shù)難度和成本性對較低。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)入智能化模式過程中一定會有廣泛應(yīng)用。