基于CAN總線(xiàn)的分布式飛機(jī)客艙模擬器控制系統(tǒng)

郭 潔，張一飛，李春芳，黃建民

（中航工業(yè)上海航空測(cè)控技術(shù)研究所，上海 201601）

飛機(jī)客艙模擬器是飛機(jī)客艙服務(wù)訓(xùn)練模擬器的簡(jiǎn)稱(chēng)，是對(duì)某一特定型號(hào)航空器客艙環(huán)境的真實(shí)再現(xiàn)，具備客艙設(shè)備學(xué)習(xí)、乘務(wù)員控制操作訓(xùn)練、客艙服務(wù)模擬訓(xùn)練、旅客呼叫處置訓(xùn)練、客艙廣播內(nèi)話(huà)操作訓(xùn)練、應(yīng)急處置訓(xùn)練等多種功能，廣泛用于航空專(zhuān)業(yè)院校和航空公司，對(duì)培養(yǎng)航空服務(wù)專(zhuān)業(yè)學(xué)員和空乘人員起到了重要作用。

飛機(jī)客艙模擬器控制系統(tǒng)主要由客艙照明控制子系統(tǒng)、客艙溫度控制子系統(tǒng)、客艙廣播內(nèi)話(huà)控制子系統(tǒng)、乘客服務(wù)管理子系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)通信子系統(tǒng)組成。本文設(shè)計(jì)的某型飛機(jī)客艙服務(wù)模擬器分布式控制系統(tǒng)采用CAN總線(xiàn)控制代替?zhèn)鹘y(tǒng)的集散式控制，使各個(gè)獨(dú)立的控制節(jié)點(diǎn)連接成分布式控制網(wǎng)絡(luò)，解決了傳統(tǒng)客艙模擬器控制設(shè)備復(fù)雜，布線(xiàn)繁瑣，可靠性、維修性差的缺點(diǎn)。實(shí)踐表明，基于CAN總線(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便、可靠性高、擴(kuò)展性好，真正實(shí)現(xiàn)了分散控制，集中監(jiān)控的控制模式。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的客艙模擬器控制系統(tǒng)主要包括客艙照明控制子系統(tǒng)、客艙溫度控制子系統(tǒng)、客艙廣播內(nèi)話(huà)控制子系統(tǒng)、乘客服務(wù)管理子系統(tǒng)。各子系統(tǒng)的功能分別由若干個(gè)獨(dú)立的CAN總線(xiàn)控制節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)。上位機(jī)操作站主要負(fù)責(zé)對(duì)各節(jié)點(diǎn)的控制從而形成一個(gè)完整的控制網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 客艙模擬器控制系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 Aircraft cabin simulator control system structure

1.1 客艙照明控制子系統(tǒng)

客艙照明控制子系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)客艙燈光照明設(shè)備的控制。它分為普通照明、局部照明和應(yīng)急照明3種。其中普通照明為整個(gè)客艙提供正常狀態(tài)下的照明功能，其設(shè)備包括客艙頂棚燈、客艙側(cè)壁燈和乘務(wù)員工作燈。局部照明包括登機(jī)照明、盥洗室照明和廚房照明。應(yīng)急照明包括客艙頂棚應(yīng)急照明燈、應(yīng)急撤離通道指示燈、應(yīng)急出口標(biāo)志指示燈。

分散在客艙各處的照明設(shè)備按照區(qū)域劃分為4片，客艙照明控制在每個(gè)片區(qū)設(shè)置一個(gè)獨(dú)立的CAN節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)照明設(shè)備的通斷控制及亮度調(diào)節(jié)，并通過(guò)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)與上位機(jī)操作站進(jìn)行控制信息的交互。

1.2 客艙溫度控制子系統(tǒng)

客艙溫度控制區(qū)域劃分為前、后客艙服務(wù)區(qū)。客艙溫度控制通過(guò)2個(gè)服務(wù)區(qū)的溫度控制CAN節(jié)點(diǎn)測(cè)量各區(qū)域的溫度并自動(dòng)調(diào)節(jié)到設(shè)定值。溫度控制CAN節(jié)點(diǎn)由乘務(wù)員溫度控制板和溫度調(diào)節(jié)控制器構(gòu)成。面板上有溫度調(diào)節(jié)按鈕、管道過(guò)熱指示燈和當(dāng)前溫度指示器等。調(diào)節(jié)控制器用于溫度信號(hào)的采集、處理和CAN數(shù)據(jù)的傳輸。

1.3 客艙廣播內(nèi)話(huà)控制子系統(tǒng)

客艙內(nèi)話(huà)系統(tǒng)提供機(jī)組與乘務(wù)員之間、乘務(wù)員與乘務(wù)員之間的通話(huà)及呼叫功能。旅客廣播系統(tǒng)提供飛行機(jī)組成員、乘務(wù)員向旅客廣播、播放預(yù)錄通知、登機(jī)音樂(lè)等。乘客可通過(guò)安裝在客艙和盥洗室的揚(yáng)聲器聽(tīng)到廣播。機(jī)組成員和乘務(wù)員可用話(huà)筒和相應(yīng)的音頻選擇面板進(jìn)行旅客廣播。客艙廣播內(nèi)話(huà)控制子系統(tǒng)通過(guò)廣播內(nèi)話(huà)CAN節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)其功能。節(jié)點(diǎn)由音頻控制面板和帶有CAN通信模塊的音頻管理組建構(gòu)成。

1.4 客艙服務(wù)管理子系統(tǒng)

客艙服務(wù)管理子系統(tǒng)具備閱讀燈、信號(hào)指示牌的驅(qū)動(dòng)及乘客呼叫響應(yīng)功能。其中信號(hào)指示牌包括禁止吸煙信號(hào)牌、系上安全帶信號(hào)牌以及乘客呼叫信號(hào)牌。當(dāng)乘客按下呼叫按鈕后，客艙服務(wù)管理CAN節(jié)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)呼叫信號(hào)牌點(diǎn)亮，同時(shí)通過(guò)CAN總線(xiàn)將呼叫信號(hào)傳輸給上位機(jī)操作站的乘務(wù)員，以回應(yīng)乘客的呼叫請(qǐng)求。

2 CAN節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

由上文可知，每個(gè)控制子系統(tǒng)的功能都由相應(yīng)的若干CAN節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)。雖然子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的具體功能不同，但在節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)上具有較大的相似性和一致性，均包含信號(hào)采集模塊、信號(hào)處理模塊、CAN通信模塊、數(shù)字信號(hào)輸出模塊及相應(yīng)的功能應(yīng)用模塊。鑒于篇幅限制本文僅描述乘客服務(wù)管理CAN節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)，其硬件架構(gòu)如圖2所示。

圖2 乘客服務(wù)管理CAN節(jié)點(diǎn)硬件架構(gòu)Fig.2 Passenger service management CAN nodes hardware structure

2.1 主控制器模塊

綜合分析各子系統(tǒng)信號(hào)采集、數(shù)據(jù)處理、CAN總線(xiàn)通信的設(shè)計(jì)需求，并且考慮設(shè)計(jì)的兼容性和可擴(kuò)展性，各子系統(tǒng)CAN節(jié)點(diǎn)均采用ATMEL公司的AT90CAN128單片機(jī)作為主控芯片。AT90CAN128是基于增強(qiáng)型RISC結(jié)構(gòu)、低功耗、CMOS技術(shù)的8位微控制器[1]。片內(nèi)含大容量、非易失性的程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，JTAG在線(xiàn)下載調(diào)試接口，并且內(nèi)部集成有10位逐次比較型ADC電路和CAN通信控制器。因此，AT90CAN128極大地方便了系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，使整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能可靠。

2.2 電源及掉電保護(hù)模塊

該模塊為系統(tǒng)各個(gè)功能單元提供必要的電源。為提高系統(tǒng)的可靠性，在該模塊中特別設(shè)計(jì)了掉電延時(shí)保護(hù)功能。掉電時(shí)將系統(tǒng)運(yùn)行的重要數(shù)據(jù)保存在E2PROM中[2]。該設(shè)計(jì)采用電源監(jiān)控芯片，當(dāng)系統(tǒng)電源低于監(jiān)控芯片的門(mén)限電壓值時(shí)，可產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)，使主控芯片進(jìn)入掉電中斷處理狀態(tài)。此中斷的任務(wù)即將系統(tǒng)運(yùn)行的重要數(shù)據(jù)保存到E2PROM中。同時(shí)，當(dāng)恢復(fù)供電時(shí)，系統(tǒng)可正常工作并保存當(dāng)前狀態(tài)信息。該模塊電路原理如圖3所示。

圖3 掉電保護(hù)電路原理Fig.3 Power-fail protection circuit schematic

首先通過(guò)配置AVR熔絲位，設(shè)置掉電檢測(cè)電壓門(mén)限，當(dāng)AVR電源電壓掉到門(mén)限值以下時(shí)，AVR就停止工作。電源監(jiān)控芯片用于檢測(cè)系統(tǒng)電源電壓，其檢測(cè)電壓門(mén)限為4.6 V。當(dāng)系統(tǒng)電源大于4.6 V時(shí)，電源監(jiān)控芯片的R端輸出高電平，整個(gè)系統(tǒng)正常工作。當(dāng)系統(tǒng)電源電壓跌到4.6 V以下時(shí)，R腳輸出低電平，作為AVR外部中斷INT0的申請(qǐng)。INT0設(shè)計(jì)為掉電處理中斷，其主要任務(wù)是備份系統(tǒng)運(yùn)行的重要數(shù)據(jù)到E2PROM中。

2.3 閱讀燈恒流驅(qū)動(dòng)模塊

由于LED是電流隨電壓變化顯著的器件。正向?qū)〞r(shí)，其正向電壓的微小變化便可引起LED電流大幅度變化，所以閱讀燈LED采用恒流驅(qū)動(dòng)方式，即電路輸出電流是恒定的，輸出的直流電壓隨負(fù)載阻值的不同在一定范圍內(nèi)變化[3]。XL3002是一款降壓高效率驅(qū)動(dòng)LED全集成開(kāi)關(guān)型變換器。在直流輸入電壓為5 V～32 V時(shí)，最大輸出電壓可達(dá)30 V，最大開(kāi)關(guān)電流1.5 A，系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率可到90%以上[4]；XL3002內(nèi)部集成高壓功率MOSFET開(kāi)關(guān)管，具有轉(zhuǎn)換效率高、系統(tǒng)元件少、可靠性高，安全性高等優(yōu)點(diǎn)。該模塊的電路原理如圖4所示。

圖4 恒流驅(qū)動(dòng)電路原理圖Fig.4 Constant current power supply control circuit schematic

2.4 信號(hào)指示牌驅(qū)動(dòng)模塊

該模塊使用固態(tài)繼電器來(lái)控制信號(hào)牌的驅(qū)動(dòng)。每個(gè)繼電器的公共端連接到28 VDC。當(dāng)繼電器被激活時(shí)，向位于乘客服務(wù)面板的信號(hào)指示牌提供28 V直流電壓。固態(tài)繼電器是用分離的電子元器件、集成電路及混合微電路技術(shù)結(jié)合發(fā)展起來(lái)的一種具有繼電特性的無(wú)觸點(diǎn)式電子開(kāi)關(guān)，相比較于傳統(tǒng)電磁繼電器具有壽命長(zhǎng)、可靠性高、開(kāi)關(guān)速度快、電磁干擾小、無(wú)噪聲、無(wú)火花等特點(diǎn)[5]。使用固態(tài)繼電器可明顯簡(jiǎn)化電路規(guī)模。

2.5 開(kāi)關(guān)信號(hào)接口模塊

該模塊接收來(lái)自乘客服務(wù)面板上閱讀燈開(kāi)關(guān)信號(hào)和呼叫開(kāi)關(guān)信號(hào)并輸送這些信號(hào)到主控模塊進(jìn)行邏輯處理。該模塊通過(guò)開(kāi)關(guān)接口的去抖電路以及主控制器的去抖軟件實(shí)現(xiàn)去抖功能。

2.6 CAN總線(xiàn)通信模塊

該模塊由CAN總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)器PCA82C250和光電耦合6N137模塊構(gòu)成。CAN協(xié)議控制器實(shí)現(xiàn)CAN協(xié)議的數(shù)據(jù)鏈路層和物理層功能。通過(guò)對(duì)其編程，可設(shè)置它的工作方式，進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送和接收，并為上層應(yīng)用建立物理平臺(tái)。CAN總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)器82C250是CAN控制器和總線(xiàn)的接口，其性能決定了總線(xiàn)終端、長(zhǎng)度和節(jié)點(diǎn)數(shù)，是影響整個(gè)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通訊性能的關(guān)鍵因素之一。為增強(qiáng)CAN總線(xiàn)節(jié)點(diǎn)的抗干擾能力，AT90CAN128的TXCAN和RXCAN并不直接與82C250的TXD和RXD相連，而是通過(guò)高速光耦6N137與其相連，實(shí)現(xiàn)了總線(xiàn)上各CAN節(jié)點(diǎn)間的電氣隔離。硬件電路如圖5所示。

圖5 CAN通信接口電路原理Fig.5 CAN communication interface circuit schematic

3 CAN節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

節(jié)點(diǎn)軟件按功能分為數(shù)據(jù)采集任務(wù)、控制程序任務(wù)、CAN通信程序任務(wù)以及維護(hù)自檢BIT任務(wù)。控制程序任務(wù)主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)芯片的初始化、復(fù)位、控制外設(shè)通斷以及程序的跳轉(zhuǎn)等功能。具體包括呼叫指示牌、閱讀燈的開(kāi)閉程序、I2C串行總線(xiàn)程序、定時(shí)器程序、按鍵子程序、內(nèi)部E2PROM讀寫(xiě)程序等。通信程序任務(wù)主要是通過(guò)CAN總線(xiàn)和主控制器通訊，并響應(yīng)其指令。數(shù)據(jù)采集任務(wù)主要是采集本節(jié)點(diǎn)終端溫度以及設(shè)備電路中關(guān)鍵點(diǎn)電壓值來(lái)實(shí)時(shí)得知系統(tǒng)硬件狀況。維護(hù)自檢BIT任務(wù)主要是監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行的基本狀況[6]。主程序流程如圖6所示。

節(jié)點(diǎn)軟件整體程序設(shè)計(jì)分為2部分，第1部分主要是程序加載和版本更新。系統(tǒng)上電后實(shí)現(xiàn)執(zhí)行的是駐留在主控制器內(nèi)部的Bootloader，PC指針指向其首地址開(kāi)始運(yùn)行Bootloader，如果沒(méi)有發(fā)生更新程序版本指令，則跳轉(zhuǎn)到原來(lái)已燒寫(xiě)程序首地址來(lái)啟動(dòng)程序，如果收到外部程序更新指令，則更新原來(lái)程序，并把新版本程序燒寫(xiě)到存儲(chǔ)芯片里面。第2部分是運(yùn)行加載程序，啟動(dòng)看門(mén)狗，并進(jìn)行第一次程序自檢，檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)備和外設(shè)是否存在問(wèn)題，后開(kāi)中斷。系統(tǒng)軟件幾個(gè)任務(wù)都需要快速響應(yīng)，故采用中斷的方式來(lái)處理問(wèn)題，在中斷函數(shù)里面處理CAN總線(xiàn)通訊程序和開(kāi)關(guān)控制子程序，其他任務(wù)都在主循環(huán)里處理。在響應(yīng)中斷程序后及時(shí)更新整體系統(tǒng)設(shè)備的狀態(tài)參數(shù)，方便后續(xù)的程序處理，在主循環(huán)里處理數(shù)據(jù)采集任務(wù)。除此之外還需處理定時(shí)心跳自檢任務(wù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)整體運(yùn)行狀態(tài)。

圖 6 系統(tǒng)軟件流程Fig.6 Flow chart of system software

4 結(jié)語(yǔ)

作為故障診斷與健康管理技術(shù)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室資助項(xiàng)目，該系統(tǒng)經(jīng)過(guò)充分的試驗(yàn)與調(diào)試，證明了設(shè)計(jì)方案的可行性和效性。該設(shè)計(jì)已成功應(yīng)用于某型號(hào)國(guó)產(chǎn)民航客機(jī)客艙模擬器。結(jié)果表明，基于CAN總線(xiàn)的分布式飛機(jī)客艙模擬器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便、可靠性高、擴(kuò)展性好，真正實(shí)現(xiàn)了分散控制，集中監(jiān)控的控制模式，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，具有良好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

[1]ATMEL Corporation.AT90CAN128 Data Sheet[Z]，2002.

[2] 張明，謝列敏.計(jì)算機(jī)測(cè)控技術(shù)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2007.

[3] 辛?xí)詫?，陳麗?LED恒流驅(qū)動(dòng)電路研究與設(shè)計(jì)[J].微電子學(xué)與計(jì)算機(jī)，2011，28（3）：132-135.

[4] XLSEMI Corporation.XL3002 Data Sheet[Z]，2010.

[5] 肖珺.固態(tài)繼電器在某型飛機(jī)風(fēng)擋溫控系統(tǒng)上的應(yīng)用[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2013（10）：43-33.

[6] 謝永成.機(jī)內(nèi)測(cè)試技術(shù)綜述[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2013，21（3）：6-9. ■