飛機CAN總線線纜測試系統(tǒng)設(shè)計*

宋志蛟，張 安，王 強

（西北工業(yè)大學電子信息學院，西安 710129）

飛機CAN總線線纜測試系統(tǒng)設(shè)計*

宋志蛟，張 安，王 強

（西北工業(yè)大學電子信息學院，西安 710129）

為實現(xiàn)飛機CAN總線線纜的多種性能測試，研制了一種基于便攜式工控機、VC++和Access數(shù)據(jù)庫的新型的線纜綜合測試系統(tǒng)，詳細介紹了系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)、軟件設(shè)計方法；該測試系統(tǒng)硬件設(shè)計采用電路模塊化設(shè)計技術(shù)并集成于工控機上,實現(xiàn)了飛機電纜的短路測試、接地測試、斷路測試、交叉測試以及總線傳輸阻抗與信號衰減的測量，同時實現(xiàn)了總線通信的測試;軟件通過接口完成數(shù)據(jù)庫查詢、數(shù)據(jù)分析以及結(jié)果顯示、存儲、報表和打印功能。系統(tǒng)檢測速度快、可靠性高,實現(xiàn)了飛機線纜的集成化、自動化、可視化測試。

CAN總線，線纜測試，Access數(shù)據(jù)庫，通信測試

0 引言

隨著計算機技術(shù)、控制技術(shù)、電子技術(shù)的飛速發(fā)展，航空電子綜合化系統(tǒng)以其迅猛發(fā)展之勢越來越為世人矚目。航空電子系統(tǒng)的支撐技術(shù)是總線技術(shù)，航空總線在航空電子綜合化系統(tǒng)中的重要地位使得航空總線的可靠性、穩(wěn)定性變得尤為重要［1］。

針對目前多種航空總線在現(xiàn)代飛機中的大量使用，如何高效、準確地對復雜航空總線線纜進行綜合測試，如何準確、實時地記載與發(fā)送飛機飛行參數(shù)及其相關(guān)信息，如何快速、有效地利用航空總線傳輸分發(fā)數(shù)據(jù)，日益成為航空領(lǐng)域研究的熱點。

飛機航空總線線纜檢測維護是保證飛機安全飛行的重要內(nèi)容，提高飛機線纜測試技術(shù)有著非常重要的意義。飛機總線線纜檢查常用兩種方法：萬用表和專用測量儀器，但是兩者均存在缺點［2］。因此，有必要設(shè)計一種便攜式的CAN總線線纜測試系統(tǒng)，以便對飛機CAN總線線纜進行測試與分析，實現(xiàn)對機上總線線纜故障快速準確的檢測。

1 系統(tǒng)組成

1.1 CAN總線拓撲結(jié)構(gòu)

航空總線是航空電子綜合化系統(tǒng)的核心部分，是航空電子系統(tǒng)的中樞，負責將各種航空電子設(shè)備互連以達到信息綜合的目的，并為信息的重復利用和進一步融合提供了必要條件。按信息傳送的方向劃分，可以將航空總線分為單工通信、半雙工通信、全雙工通信3種［3］。

根據(jù)CAN總線線纜布線特點，總線線纜每個節(jié)點直接連接，各分段線纜可直流導通，總線匹配阻抗120 Ω。CAN總線拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示［3］：

圖1 CAN總線拓撲結(jié)構(gòu)圖

1.2 機上線纜測試設(shè)備功能分配

根據(jù)測試要求，設(shè)備分為主機、輔機兩臺設(shè)備，兩臺設(shè)備協(xié)同工作。

主機主要實現(xiàn)以下幾項功能：CAN總線線纜的短路測試、接地測試、接收總線通信信號、傳輸阻抗測試并發(fā)送輔機需要的測試信號；

輔機主要實現(xiàn)以下幾項功能：接收主機的測試信號，測試CAN總線線纜的斷路、交叉狀態(tài)，發(fā)送總線通信信號給主機并測試CAN總線的傳輸阻抗。

1.3 系統(tǒng)組成

飛機CAN總線線纜測試系統(tǒng)由測試設(shè)備（設(shè)備硬件、軟件）、測試功能模塊、繼電器陣列、飛機線纜測試接口及待測線纜成。系統(tǒng)總體連接如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體連接圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

整個測試系統(tǒng)采用了從部分到整體的測控模式，工控計算機選用模塊化的PCI板卡分別完成相應的測試功能，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)見圖3所示。線纜檢查設(shè)備主機和輔機分別由主控計算機和PCI板卡1和板卡2組成。板卡1和板卡2嵌入在主控計算機PCI插槽內(nèi)，主控計算機通過PCI總線操控板卡，完成數(shù)據(jù)采集及線纜測試，并將測試結(jié)果顯示和保存。CAN總線線纜檢測信號經(jīng)機箱上的各自2個航插接口（A、B口）內(nèi)部轉(zhuǎn)接到PCI板卡，PCI板卡1完成CAN總線信息接收檢測，PCI板卡2完成線纜傳輸信號性能指標檢測［4］。設(shè)備校準接口由PCI板卡1和PCI板卡2分別對外引出。

2.2 系統(tǒng)測試模塊

CAN總線線纜測試模塊原理圖如圖4所示。CAN總線線纜測試原理圖中CHS1、CS2、CS3對應為三組繼電器，通過繼電器組合切換到設(shè)備背部CAN_A或CAN_B通道。通過切換繼電器同時可實現(xiàn)控制通道選擇與讀通道數(shù)據(jù)［5］。

圖4 CAN總線線纜測試原理圖

2.3 系統(tǒng)測試功能

本系統(tǒng)采用主、輔機兩臺操作設(shè)備協(xié)同工作機制，線纜短路與接地測試是為了確保電纜布線系統(tǒng)中所有的端接點有正確的連接關(guān)系。通過導通電壓測試可以檢測出短路、接地等故障，并可以給出具有錯誤連接關(guān)系的線纜端子。測試該類故障時，由主機發(fā)送直流信號后回采信號加以分析判斷。

系統(tǒng)實現(xiàn)的測試功能如下：

（1）CAN總線執(zhí)行標準符合ARINC825；

（2）測試CAN總線電纜是否短路、接地、斷線、交叉；

（3）測試CAN總線通信是否正常；

（4）測試CAN總線電纜的傳輸阻抗和信號衰減。

2.4 系統(tǒng)工作原理

飛機CAN總線線纜測試系統(tǒng)的功能需求主要包括兩方面：要能夠檢測出航空電纜布線系統(tǒng)的故障類型，包括電纜導通、絕緣性能、短路接地狀態(tài)、斷線交叉情況、是否能正常通信以及傳輸阻抗性能和信號衰減指標；還需要滿足航空電纜布線系統(tǒng)的完整性測試，即測試系統(tǒng)要有足夠大的測試容量且方便擴展，并且能自動存儲和查詢測試結(jié)果，方便操作。

CAN總線線纜由兩根線芯和屏蔽層組成，首先將組成部分分別命名為 CAN_A+、CAN_A-與CAN_AG。線纜狀態(tài)的測試可采用電壓檢測方法和點對點串行數(shù)字通信的方法，根據(jù)測試方法及測試指標的要求，實現(xiàn)對線纜狀態(tài)的測試。線纜正常連接狀態(tài)如圖5所示。

圖5 CAN總線線纜正常連接圖

2.4.1 CAN總線通信測試

被測線纜無短路、接地、斷路、交叉等故障時，方可進一步測試線纜通信是否正常。設(shè)備線路板設(shè)有通信傳輸通道，由輔機發(fā)送通信傳輸數(shù)據(jù)包，主輔機同時切換到通信通道后，主機接收通信傳輸數(shù)據(jù)，分析判斷接收到的傳輸數(shù)據(jù)是否完全符合要求，如若接收無誤，即可判定通信正常。如果未接收到數(shù)據(jù)或者接收數(shù)據(jù)幀有缺失或錯位，即可判定通信故障。

2.4.2 CAN總線傳輸阻抗測量

總線通信測試通過之后，即可測試線纜傳輸阻抗指標，測試原理如圖6所示。測試傳輸阻抗時，主機切換通道，發(fā)送交流源信號，輔機切換通道使兩路線纜在輔機側(cè)發(fā)生短路，從而形成回路以測傳輸阻抗。測試CAN總線時只需形成一路回路，計算CAN_A+與CAN_A-間相應的阻抗值。

已知R1=50 Ω，R2=10 Ω，待測線纜傳輸阻抗為R，U為電源電壓，VPP為17通道正常連接時設(shè)備所測電壓，VPP為17通道斷開時設(shè)備所測電壓。

圖6 測試原理圖

由上述式子可推出線纜傳輸阻抗：

2.4.3 CAN總線信號衰減測量

測試線纜信號衰減指標，主輔機程序自動切換AD通道，主機發(fā)送標準交流源信號，輔機接收信號進行計算，得出衰減量。為使測試更加精確，計算過程中采用中值濾波原理，每次測試采取接收3組數(shù)值，每組數(shù)值為接收一萬次電壓的最大值與最小值，最后選用3個最大值的中間值定為方波波形交流源的峰值，選用3個最小值的中間值定為方波波形交流源的谷值，從而保證測量精準度。峰值與谷值之差即為交流源的壓差信號。

U1，U2，U3，…，U10000為隨機采樣的10 000個電壓值，UACmax1、UACmax2、UACmax3分別為3組電壓值的最大值。

UACmax為采用中值濾波原理后得出的峰值。

UACmin1為第1組中的最小值，UACmin2為第2組中的最小值，UACmin3為第3組中的最小值，UACmin為采用中值濾波原理后得出的谷值。

得出UACmax、UACmin后，則可計算出信號衰減Dec：

式中Umax-min為交流源信號無衰減時的壓差值。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 測試系統(tǒng)軟件模塊

測試系統(tǒng)最主要的功能是向被測對象提供必要的信號驅(qū)動，把被測對象的被測參數(shù)采集回來。傳統(tǒng)的測試程序，把所有的測試參數(shù)、程控指令、測試結(jié)果和分析處理結(jié)果全部放在程序中，程序的易用性、可靠性、通用性、可維護性、可擴充性、可移植性很差。為了克服這些缺點，把數(shù)據(jù)和測試流程分開，數(shù)據(jù)信息包括測試儀器配置參數(shù)和測試結(jié)果數(shù)據(jù)，由數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)管理這些數(shù)據(jù)，而測試流程的任務(wù)為讀取配置數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)，配置測試儀器，進行相應地數(shù)據(jù)采集、分析計算，并把結(jié)果寫回到測試結(jié)果數(shù)據(jù)庫中。根據(jù)這樣的關(guān)系，確定數(shù)據(jù)庫的安全原則，構(gòu)造配置表，描述一次測試的記錄信息。在測試流程中，建立程序與數(shù)據(jù)庫的連接，配置和驅(qū)動測試模塊，完成測試［6］。

軟件采用 Visual C++6.0編程語言設(shè)計，在Windows XP環(huán)境下調(diào)試完成。系統(tǒng)主機軟件由9個模塊組成，輔機的總體軟件由8個模塊組成，模塊結(jié)構(gòu)框圖分別如圖7與圖8所示。

圖7 主機軟件結(jié)構(gòu)框圖

圖8 輔機軟件結(jié)構(gòu)框圖

3.2 系統(tǒng)軟件界面配置

在測試系統(tǒng)中，為了保證數(shù)據(jù)處理的完整性和可靠性，采用線程來處理數(shù)據(jù)，軟件的設(shè)計中包括3個過程。第1個過程負責整個系統(tǒng)消息的循環(huán)；第2個過程從總線接口板卡上讀出數(shù)據(jù)，發(fā)送/接收數(shù)據(jù)；第3個過程從總線接口板卡讀取出來的數(shù)據(jù)進行適當?shù)奶幚恚D(zhuǎn)化成相應的物理量進行顯示操作。

根據(jù)系統(tǒng)的功能，測試系統(tǒng)主機、輔機測試界面配置如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)軟件配置框圖

主要的模塊的功能介紹如下：

*CAN總線線纜測試

調(diào)用相應AD通道測試CAN總線線纜

*測試信息配置

本模塊主要完成測試信息的入庫與顯示，為方便使用，本模塊可以將符合規(guī)定模板的Excel表格測試信息導入到系統(tǒng)中，并可進行增刪查改等修改操作，同時將修改后的測試信息導出，從而實時更新測試信息。

*數(shù)據(jù)記錄模塊

本模塊功能主要完成系統(tǒng)運行過程中，對接收的數(shù)據(jù)進行適當?shù)膶崟r存庫，并可隨時查看測試結(jié)果、打印測試記錄。

3.3 系統(tǒng)測試流程

測試流程圖如圖10所示。首先等待輔機進行自檢，若輔機自檢測無異常，主機啟動操作主界面上的CAN總線測試按鍵，程序啟動測試線程。主機首先發(fā)送恒壓源直流信號，檢測線纜的短路、接地狀態(tài)，當操作員提示不存在短路、接地狀態(tài)時，發(fā)送信號并提示輔機檢測線纜的斷線、交叉狀態(tài)。若線纜連接正常，則主機接收輔機發(fā)送的通信信號，檢測線纜通信是否正常。若線纜可正常通信，則主機計算出總線的傳輸阻抗并發(fā)送信號測試線纜信號衰減。最后主機給出測試結(jié)果并存儲到數(shù)據(jù)庫中。

圖10 CAN總線線纜測試流程

圖11為CAN總線線纜測試系統(tǒng)測試界面，主輔機測試界面一致，便于操作。界面左側(cè)為測試信息顯示模塊與功能切換模塊，右側(cè)為測試信息選擇模塊和測試流程顯示模塊。

圖11 CAN總線線纜測試界面

4 結(jié)論

在對研究現(xiàn)狀與需求充分分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計并研制了CAN總線線纜測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實現(xiàn)測試飛機CAN總線線纜是否短路、接地、斷線、交叉，以及測試CAN總線的通信狀態(tài)是否正常，并精確測量總線的傳輸阻抗與信號衰減。重要的是實現(xiàn)了測試功能集成，建立了完整的數(shù)據(jù)庫以實現(xiàn)測試信息的導入與測試結(jié)果的存儲、查詢和打印，達到了預期的設(shè)計要求，為飛機CAN總線線纜測試提供了很大的幫助。隨著電路模塊化與電路集成技術(shù)的不斷的進步，多種總線線纜測試系統(tǒng)必將成為飛機線纜測試未來的需求與研究方向。

［1］李蘋慧，林輝.航空電纜故障自動檢測集成系統(tǒng)［J］計算機測量與控制，2010，18（4）：789-791.

［2］張寶強，趙轉(zhuǎn)萍.基于CAN總線的分布式柔性電纜測試儀研究［J］計測技術(shù)，2010，30（5）：30-34.

［3］田澤.航空專用集成電路-設(shè)計理論與工程實踐［M］北京：航空工業(yè)出版社，2013.9：86-90.

［4］焦敬濤，吳勇，張建東，等.基于CAN的大客飛機航電系統(tǒng)局域網(wǎng)通信設(shè)計［J］現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，35（7）：57-60.

［5］姬希娜，李國杰.基于PCI板卡的PLC測試系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)［J］測控技術(shù)，2013，32（7）：41-44.

［6］曹娟，紀秀明，黃建民.全機電纜分布式自動測試系統(tǒng)，軟件設(shè)計［J］電子測量技術(shù)，2010，33（12）：106-110.

Design of CAN Bus Cable Testing System on Plane

SONG Zhi-jiao，ZHANG An，WANG Qiang
（School of Electrical Information，Northwestern Polytechnical University，Xi’an 710129，China）

In order to realize testing multi-function of airplane cable of CAN bus，an integrated testing system based on industrial computer，VC++and Access2000 is designed.The hardware structure，design method of software of the system are presented.Modularization design of hardware circuit is used and the advantage of industrial computer is taken to realize short circuit，grounding，turn-on，and cross line test of cable，data transfer，impedance，signal attenuation of data bus is also realized；database query，data processing，display of testing result and saving has also been realized by certain module.The system test rapidly and has high reliability.The system makas aeronautic cable test to be integrative，automatic and visible.

CAN bus，cable testing，Access database，communication testing

TJ306

A

1002-0640（2015）03-0137-05

2014-01-18

2014-03-26

航空科學基金資助項目（2011ZC53024）

宋志蛟（1988- ），男，河北魏縣人，碩士研究生。研究方向：航空電子綜合化及仿真技術(shù)。