機載控制系統(tǒng)的CAN總線設(shè)計與應(yīng)用

武曉玥

(中國電子科技集團公司，電子信息控制重點實驗室，成都 610036)

機載控制系統(tǒng)的CAN總線設(shè)計與應(yīng)用

武曉玥

(中國電子科技集團公司，電子信息控制重點實驗室，成都 610036)

通過CAN總線在目前主要機載項目中的應(yīng)用設(shè)計，從系統(tǒng)設(shè)計、拓撲設(shè)計、連接器選用、軟件設(shè)計等多個維度對CAN總線在機載設(shè)備的應(yīng)用完成了設(shè)計并驗證。實驗表明，本研究實現(xiàn)的機載CAN總線控制系統(tǒng)具有低時延、安全可靠、擴展性強，能夠進行遠程系統(tǒng)升級維護等優(yōu)點，系統(tǒng)能夠較好地適用于新一代機載電子系統(tǒng)的控制系統(tǒng)。

CAN總線；機載控制；遠程加載

引 言

隨著CAN總線相關(guān)技術(shù)的日趨成熟，以及車載平臺與機載平臺在某些方面的相似性，其在航空領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸得到重視，近年來國外的主要飛機制造商已經(jīng)開始把CAN總線應(yīng)用到飛機上，使飛機產(chǎn)品在性能改進的同時具有更高的經(jīng)濟性。目前機載專用飛機系統(tǒng)采用離線數(shù)據(jù)線方式，線束多，重量大，可靠性、容錯性、開放性越來越難以滿足目前機載裝備的要求，而且在機載專用飛機領(lǐng)域的應(yīng)用目前尚未大規(guī)模普及，應(yīng)用過程中的問題逐步暴露。通過CAN總線在目前某機載項目中的應(yīng)用設(shè)計，本文從系統(tǒng)設(shè)計、拓撲設(shè)計、連接器選用、軟件設(shè)計等多個維度對CAN總線在機載設(shè)備的應(yīng)用進行設(shè)計并驗證，實驗表明，本研究實現(xiàn)的機載CAN總線控制系統(tǒng)具有時延低、安全可靠、擴展性強等優(yōu)點。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 系統(tǒng)拓撲構(gòu)成

機載控制系統(tǒng)CAN總線網(wǎng)絡(luò)可以分為系統(tǒng)級、分系統(tǒng)、分機級網(wǎng)絡(luò)。設(shè)計采用一組差分信號線將所有節(jié)點連接成直線型網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點應(yīng)通過支線連接到干線網(wǎng)絡(luò)中，系統(tǒng)級拓撲為系統(tǒng)主干節(jié)點，鑒于機載產(chǎn)品裝備對于CAN總線控制存在一些特殊的需求，如通信距離、設(shè)備數(shù)量、可靠性等，在綜合考慮各種因素后，在系統(tǒng)級CAN網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃方案中采用如圖1所示的拓撲互聯(lián)方式。

圖1 基于子網(wǎng)級聯(lián)的CAN拓撲擴展

在分系統(tǒng)內(nèi)部或者分機內(nèi)部采用基本CAN總線拓撲形式，如圖2所示。在CAN節(jié)點內(nèi)部，每個節(jié)點由控制器、隔離器、收發(fā)器及外圍電路構(gòu)成。對于應(yīng)用于機載用途的CAN節(jié)點，采用雙路冗余的CAN總線設(shè)計，保證每路CAN端口同時連接在兩個獨立的CAN網(wǎng)絡(luò)中。

圖2 基本CAN系統(tǒng)總線網(wǎng)絡(luò)

在實際應(yīng)用中，由于受到傳輸距離和傳輸帶寬的限制，往往需要將完整的CAN網(wǎng)絡(luò)拆分成若干個子網(wǎng)，子網(wǎng)間采用網(wǎng)橋或網(wǎng)關(guān)相互連接，從而實現(xiàn)傳輸距離和傳輸帶寬的擴展。

1.2 供電設(shè)計

本機載電子系統(tǒng)CAN總線被定位成通用控制及健康管理總線。由于CAN總線需要用于全系統(tǒng)的健康管理，其供電可靠性要求應(yīng)該高于系統(tǒng)內(nèi)的功能模塊。因此，CAN總線網(wǎng)絡(luò)需獨立于功能模塊單獨供電。CAN網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的供電方案遵照以下兩種方式：集中式供電和分布式供電。

集中式供電由系統(tǒng)電源提供一路獨立的CAN電源，由電源干線分別連接到網(wǎng)絡(luò)中各個節(jié)點，如圖3(a)所示。集中供電方案中的電源干線不宜過長，干線的單位阻抗需嚴格控制，必須保證干線遠端的電壓差不超過0.1 V。這種供電方案適用于分機內(nèi)部各模塊間的CAN電源供電。

圖3 集中式與分布式供電方案

分布式供電由節(jié)點內(nèi)部的電源模塊為CAN單元提供獨立的二次電源，如圖3(b)所示。這種供電方案需要在每個節(jié)點內(nèi)部設(shè)計一個二次電源模塊，并注意考慮每個二次電源的輸出功率，相鄰兩節(jié)點間的距離可以適當增加。這種方案通常適用于分機間的CAN電源供電。

在CAN節(jié)點內(nèi)部，由于控制器與收發(fā)器之間存在隔離器件，為實現(xiàn)隔離器兩端的隔離效果，必須考慮隔離器兩端的供電設(shè)計。根據(jù)CAN節(jié)點外部提供的電源數(shù)量，節(jié)點供電可以分為以下兩種方式:

① 為保證隔離器兩端信號的隔離效果，隔離器兩端的器件應(yīng)采取電氣隔離，通常選用DC-DC變換器實現(xiàn)電源隔離，如圖4所示。

圖4 CAN電路單電源供電示意圖

② 若電源模塊能夠直接為CAN節(jié)點提供兩路隔離電源，則節(jié)點內(nèi)部可以省略DC-DC隔離，分別使用外部提供的兩路電源直接為隔離器兩端供電。

1.3 信號完整性設(shè)計

在多個CAN節(jié)點通過干線連接成網(wǎng)絡(luò)時，應(yīng)在干線的兩個末端安裝終端電阻，用于抑制總線信號反射，這類終端電阻被稱為干線終端電阻。如果某控制器模塊通過一段比較長的支線接入網(wǎng)絡(luò)，為了防止信號反射，在收發(fā)器驅(qū)動能力足夠的前提下，可以在該控制器模塊內(nèi)部安裝分裂式終端電阻，這類終端電阻稱為支線終端電阻。在同一網(wǎng)段中，采用支線終端電阻的節(jié)點不允許超過4個。表1列舉了終端電阻的具體使用要求。

表1 端接電阻推薦值 單位：Ω

終端電阻的安裝可以采用以下幾種方式：

① 直接安裝在干線末端，終端電阻必須采用獨立電阻(不允許采用分裂式終端電阻)，且應(yīng)該根據(jù)網(wǎng)絡(luò)干線實際的負載狀況選擇與之匹配的電阻阻值。

② 安裝在節(jié)點收發(fā)器接口電路處，如果采用這種安裝方式，則終端電阻應(yīng)采用分裂式電阻。

③ 為了減小駐波，各個節(jié)點模塊距離干線的長度不宜相同，同時應(yīng)該避免節(jié)點模塊在總線上等間隔分布，任何兩個節(jié)點模塊之間的間距最好不要相等。

1.4 接口設(shè)計

CAN總線接口的標準參考電路如圖5所示。

圖5 CAN接口參考電路

在CAN接口電路設(shè)計時，遵循以下設(shè)計原則：①當超過4個CAN節(jié)點通過干線連接成網(wǎng)絡(luò)時，必須去掉各節(jié)點的分裂終端電阻R1、R2，但可以保留其原有焊盤；②共模電感L及保護電路Z1、Z2用于接口電路的過壓過流保護，在節(jié)點間電磁環(huán)境較為穩(wěn)定的前提下，可以酌情省略該部分電路；③當CAN總線電纜不采用屏蔽雙絞線時，可以省略屏蔽層濾波電路R3及C5。

1.5 節(jié)點互連

背板互連通過背板子系統(tǒng)的印刷電路層實現(xiàn)多個載板之間的電氣連接。在這種互連方式中，背板子系統(tǒng)的印刷電路作為CAN的信號干線，各個載板通過連接器實現(xiàn)CAN節(jié)點到網(wǎng)絡(luò)干線的信號接入。這種互聯(lián)方式通常應(yīng)用于分機內(nèi)的CAN網(wǎng)絡(luò)電氣互聯(lián)，在設(shè)計時應(yīng)遵循以下設(shè)計原則：

① 背板差分對的標稱特性阻抗在1 MHz的方波條件下應(yīng)為120 Ω，阻抗精度應(yīng)控制在±10%以內(nèi)；

② 載板連接器到板內(nèi)收發(fā)器之間的銅線長度不超過50 mm，傳輸介質(zhì)阻抗不超過2 Ω；

③ 干線終端匹配電阻應(yīng)安放在背板干線末端，不建議用末端載板的支線終端電阻代替干線終端電阻；

④ 若CAN總線上需要接入總線監(jiān)視設(shè)備，應(yīng)從背板干線中心附近位置接入。

線纜互連多用于分機間的CAN網(wǎng)絡(luò)電氣互連，設(shè)計時按照以下原則執(zhí)行：①總線電纜應(yīng)采用屏蔽或非屏蔽雙絞線，推薦使用非屏蔽雙絞線，若使用環(huán)境中EMC性能未達到要求，可以使用屏蔽雙絞線；②如果采用屏蔽雙絞線，應(yīng)在干線上的某一點將屏蔽層用導線直接接地，且該點應(yīng)該是所受干擾最小，同時位于網(wǎng)絡(luò)中心附近的位置；③當分機接入CAN總線時，必須在干線的輸入插座和輸出插座處使用硬線將干線連通，且所用硬線的芯線尺寸應(yīng)與干線芯線的尺寸一致。

2 系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計

2.1 驅(qū)動器

CAN驅(qū)動芯片驅(qū)動能力需要滿足信號差分擺幅大于等于1.3 V，波形方正。其中有些驅(qū)動能力不夠，驅(qū)動波形如圖6所示，會導致接收端識別CAN信號出現(xiàn)重同步錯誤和電平判別錯誤的現(xiàn)象，從而導致CAN發(fā)生反復重傳，外在故障現(xiàn)象為CAN總線反應(yīng)遲鈍，嚴重時出現(xiàn)掉線現(xiàn)象。

圖6 模塊測試波形(給出誤碼率)

2.2 CAN總線與端接

CANOPEN規(guī)定，CAN總線必須符合ISO11898-2標準，該標準規(guī)定：典型導線阻抗120 Ω、導線單位長度電阻≤70 mΩ/m、信號延遲≤5 ns/m。

在使用中，有CAN鏈路不穩(wěn)時將端接電阻120 Ω調(diào)小的現(xiàn)象。端接電阻調(diào)小會帶來兩個弊端：信號擺幅變?nèi)鹾托盘柗瓷?。最終導致CAN鏈路問題反復發(fā)生。CANOPEN推薦端接方法如表2所列。

表2 CAN配線

圖7 “Y”端接

在電纜長度≥40 m后，線損相對反射是鏈路穩(wěn)定的主要因素，應(yīng)當加大端接電阻。分機間CAN總線連接時，地線如沒有連接時，各分機地之間經(jīng)常存在隨機壓差，在CAN總線上體現(xiàn)為共模干擾。在該情況下，端接電阻需要由單個120 Ω更改為兩個62 Ω電阻加電容的“Y”型端接，如圖7所示，電容用作吸收共模干擾信號。

對于母板總線，前期設(shè)計CAN差分只考慮120特征阻抗，沒有考慮到單位長度電阻，布線過細，導致信號插損較大。CANOPEN要求母板走線W≥12 mil。

2.3 連接器及電纜

建議選用滿足CAN總線阻抗匹配的連接器及電纜用于總線傳輸及轉(zhuǎn)接。

2.4 軟件配置

CAN通信提供了重同步和應(yīng)答響應(yīng)/重傳機制。由于CAN應(yīng)答使用BIT位的方式，所以重同步控制和長度匹配特別關(guān)鍵。

在CAN通信中，每1位分為圖8所示的4個時間段。CAN使用過采樣技術(shù)對CAN總線信號進行采樣，同步段用于確定位的起始位置。重同步功能僅限于從隱性到顯性的轉(zhuǎn)換時刻，該時刻波形被驅(qū)動器控制，較為陡峭方正，抖動穩(wěn)定，用作同步最為理想。相位段2必須保留兩個過采樣時間基本點以上，防止重同步跳出BIT位。

圖8 CAN通信BIT位構(gòu)成

機載CAN在1 Mbps傳輸速率時， CIA(CANOPEN 國際組織)規(guī)定采樣點推薦值為87.5%。因此將采樣點配置至87.5%，可有效提高CAN工作距離至46 m。

2.5 CAN總線Bootloader

當大量CAN節(jié)點構(gòu)成的復雜CAN網(wǎng)絡(luò)分布于系統(tǒng)之中時(譬如飛機、汽車、智能樓宇等)，當需要對其中的部分節(jié)點進行軟件維護或者功能升級，若采用物理拆裝的方式進行維護，其難度和工作量巨大,這時通過CAN總線的遠程加載維護功能，將升級后的固件程序通過網(wǎng)絡(luò)加載給需要升級的節(jié)點，其維護效率將大大提高。通過遠程加載技術(shù)，工程師可以通過筆記本甚至手持式專用設(shè)備在現(xiàn)場完成CAN設(shè)備的維護升級，大大提高了設(shè)備的可維護性和產(chǎn)品競爭力。

在機載系統(tǒng)上部署CAN總線遠程加載軟件，用于CAN總線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點固件的遠程升級加載，實現(xiàn)新一代機載綜合系統(tǒng)產(chǎn)品的可制造性和可維護性，提高產(chǎn)品競爭力。通過CAN總線遠程加載軟件可以向CAN總線網(wǎng)絡(luò)中任意CAN總線設(shè)備在線更新微控制器固件程序，實現(xiàn)節(jié)點固件的遠程升級加載。主要完成的功能包括：二進制代碼解析功能，識別CAN接口卡的功能，符合CAN Bootloader協(xié)議的遠程加載的功能，具備可視化加載界面的功能。

3 系統(tǒng)運行結(jié)果與分析

基于CAN總線的機載控制系統(tǒng)在完成常溫、環(huán)境試驗、暗室測試后轉(zhuǎn)入外場試飛，從實測試飛效果來看，系統(tǒng)運行正常，能夠定期上報自檢、控制等數(shù)據(jù)。為了進一步驗證控制系統(tǒng)在機載環(huán)境下的穩(wěn)定性與可靠性，進行了不同的試飛科目，共計飛行數(shù)十個架次，有效記錄約近百個小時。系統(tǒng)工作正常，穩(wěn)定可靠，未出現(xiàn)通信異常等情況。飛行結(jié)束后進行試飛工程師確認，結(jié)果正確，功能正常，滿足試飛測試要求，試驗結(jié)果如圖9所示。

圖9 CAN-OE監(jiān)控數(shù)據(jù)顯示總線穩(wěn)定無誤碼

結(jié) 語

[1] 饒運濤,鄒繼軍.現(xiàn)場總線CAN原理與應(yīng)用技術(shù)[M].北京:北京航空航天大學出版社,2007.

[2] 任立平,周軍.CAN總線高層協(xié)議CAN aerospace及其設(shè)計應(yīng)用[J].測控技術(shù),2008,27(2):59-61.

[3] 支超有,唐長紅.機載數(shù)據(jù)總線技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京:國防工業(yè)出版社,2009.

[4] Robert Bosch GmbH.CAN 2.0 specification,2000.

[5] Robert Bosch GmbH.CAN bus specification 2.0,2000.

[6] 林琦,金惠華,尚利宏.CANaerospace協(xié)議實時性分析與研究[J].航空電子技術(shù),2007,38(4):16-22.

[7] 廉保旺,李勇,張怡,等.CAN總線與1553B總線性能分析比較[J].測控技術(shù),2000,19(6).

[8] ARINC specification 825-1[S].The AEEC Executive Committee,2010.

[9] Interface specification for airborne CAN applications V1.7[S].Michael Stock Flight System,2001.

Design and Application of CAN Bus Based on Airborne Control System

Wu Xiaoyue

(Science and Technology on Electronic Information Control Laboratory,China Electronic Technology Group Corporation,Chengdu 610036,China)

Based on the CAN bus application in the main airborne project design,the design is completed including the system design,the topology design,the connector,the software design.The experiment results show that the airborne CAN bus control system has the advantages such as low latency,safe and reliable,strong scalability,remote upgrade maintenance.The system can apply in the control system of a new generation of airborne electronic system.

CAN bus;airborne control;remote load

TJ306

A

?士然

2017-03-02)