基于CAN總線的座艙操縱控制盒通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

武 琳，譚 磊，曾 行，張 弛

（航空工業(yè)洪都，江西 南昌，330024）

0 引言

人在環(huán)路的半實(shí)物飛行仿真試驗(yàn)是研究飛控系統(tǒng)的重要手段[1]，試驗(yàn)環(huán)境中一般包括模擬座艙、飛行控制計(jì)算機(jī)、飛行仿真系統(tǒng)、航電模擬系統(tǒng)、視景系統(tǒng)等。模擬座艙艙體的結(jié)構(gòu)與實(shí)際飛機(jī)的座艙結(jié)構(gòu)一致，艙內(nèi)的模擬操縱控制盒與真實(shí)飛機(jī)控制盒功能、性能一致。試驗(yàn)人員或飛行員需要借助這些人機(jī)交互設(shè)備，將模擬操縱信號、儀表指示信號與飛行控制計(jì)算機(jī)、飛行仿真系統(tǒng)實(shí)時通信，實(shí)現(xiàn)對飛行操縱的目的，以驗(yàn)證飛行控制系統(tǒng)的飛行品質(zhì)。因此設(shè)計(jì)一種高效、可靠、人機(jī)交互良好的座艙操縱控制盒通信系統(tǒng)，對飛控半物理仿真試驗(yàn)環(huán)境來說至關(guān)重要。

CAN（Controller Area Network）總線是國際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線之一。CAN總線采用了多主競爭式總線結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)通信沒有主從之分[2]，采用位仲裁技術(shù)，對通信數(shù)據(jù)用報文的形式進(jìn)行編碼，可使不同節(jié)點(diǎn)之間收到相同的數(shù)據(jù)，這些特點(diǎn)使得CAN總線構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)通信具有可靠性高、實(shí)時性好、抗干擾能力強(qiáng)、成本合理等優(yōu)點(diǎn)。

為了能夠保證模擬座艙操縱控制盒通信的實(shí)時性和可靠性，本文設(shè)計(jì)了一套基于CAN總線的座艙操縱控制盒通信系統(tǒng)，將操縱控制盒信號與航電模擬計(jì)算機(jī)進(jìn)行交互，并發(fā)送給飛行仿真系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)整個飛控半物理仿真試驗(yàn)環(huán)境協(xié)調(diào)工作。

1 系統(tǒng)總體通信方案

1.1 通信方案

座艙操縱控制盒的顯示和控制通過與航電模擬計(jì)算機(jī)進(jìn)行信息交換實(shí)現(xiàn)。根據(jù)系統(tǒng)的通信品質(zhì)要求，需選擇合適的通信方案。目前常用的通信方案有兩種，它們各自的特點(diǎn)如下：

1)工控機(jī)加CAN總線接口卡方式（見圖1）

圖1 CAN總線接口卡方式

該方式經(jīng)濟(jì)性好，但受到接口卡性能的制約，而且不利于現(xiàn)場的布局，存在線纜冗長、維護(hù)性困難的缺點(diǎn)。

2)CAN總線通信加以太網(wǎng)組網(wǎng)的方式（見圖2）

圖2 CAN總線加以太網(wǎng)組網(wǎng)方式

基于以太網(wǎng)的分布式系統(tǒng)在維護(hù)性、可擴(kuò)展性、實(shí)時性方面具有非常大的優(yōu)勢[3]。通過CAN總線加以太網(wǎng)進(jìn)行組網(wǎng)的方式，真正意義上實(shí)現(xiàn)分布式采集系統(tǒng)，且該方式能高度安全及有效的進(jìn)行分散式實(shí)時控制,解決了傳統(tǒng)模擬座艙采用集中式采集系統(tǒng)帶來的線纜多、維護(hù)性差、抗干擾能力差等問題，更利于后期的維護(hù)和底層設(shè)備的監(jiān)控和拓展。

1.2 系統(tǒng)方案

本文設(shè)計(jì)了一套采用CAN總線和以太網(wǎng)進(jìn)行組網(wǎng)的座艙操縱控制盒通信系統(tǒng)，由航電模擬計(jì)算機(jī)、綜合顯示計(jì)算機(jī)、NIc RIO-9035控制器、NI 9853CAN模塊和操縱控制盒組成。

兩塊NI 9853CAN模塊分別采集前艙和后艙的操縱控制盒信號，系統(tǒng)通信方案架構(gòu)如圖3所示。

NI 9853CAN模塊使用新的CAN控制器SJA1000和收發(fā)器82C250，能提供總線判優(yōu)，誤差檢測并自動糾錯以及再傳輸功能。每路CAN通道都集成完全的電氣隔離保護(hù)、防浪涌保護(hù)，抗干擾能力強(qiáng)，是一款性能穩(wěn)定、通訊可靠的CAN模塊。主要技術(shù)指標(biāo)如下：

1)PC接口：1Mbps下擴(kuò)展幀，雙通道同時超過6500 幀／S；

2)傳輸速率：CAN控制器波特率高達(dá)1Mbps；

3)傳輸介質(zhì)：屏蔽或非屏蔽雙絞線；

4)傳輸方式：CAN2.0A和CAN2.0B協(xié)議；

5)通訊接口：CAN-bus接口采用光電隔離、DCDC電源隔離，隔離模塊絕緣電壓達(dá)到2500V；單路總線最多可接110個節(jié)點(diǎn)，最長通訊距離10公里；

6)占用資源：即插即用，資源自動分配；

7)工作溫度：-0°C～+70°C；

8)存儲溫度：-55°C～+85°C。

操縱控制盒用于設(shè)置和顯示起落架、襟翼、主告警、自動駕駛等相關(guān)狀態(tài)。NI cRIO-9035控制器將采集的操縱控制盒CAN總線信號轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)信號，并廣播至以太網(wǎng)局域網(wǎng)。航電模擬計(jì)算機(jī)捕獲以太網(wǎng)信號，通過控制盒標(biāo)識符ID將以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行解包和處理，與飛行仿真系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)整個飛控半物理仿真系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作。

航電模擬計(jì)算機(jī)是通信系統(tǒng)的核心計(jì)算機(jī)，完成總線管理功能和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能，負(fù)責(zé)以50ms為時鐘周期進(jìn)行與飛行控制計(jì)算機(jī)通信的總線管理和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，同時作為總線系統(tǒng)和實(shí)時網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的網(wǎng)關(guān)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

在每個時鐘周期里，航電模擬計(jì)算機(jī)從飛行控制計(jì)算機(jī)、座艙操縱控制盒、飛行仿真系統(tǒng)獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，進(jìn)行相應(yīng)轉(zhuǎn)換和系統(tǒng)仿真計(jì)算，并將獲取和計(jì)算的數(shù)據(jù)收集后在屏幕上加以顯示，同時發(fā)送相關(guān)數(shù)據(jù)給飛行控制計(jì)算機(jī)、座艙操縱控制盒和綜合顯示計(jì)算機(jī)。綜合顯示計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)以50ms為時鐘周期從航電模擬計(jì)算機(jī)接收數(shù)據(jù)，對相關(guān)信息進(jìn)行顯示。飛控半物理仿真系統(tǒng)通信方案如圖4所示。

圖4 飛控半物理仿真系統(tǒng)通信方案

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

基于C++面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)方法，開發(fā)了相關(guān)的1553等通信類、系統(tǒng)仿真計(jì)算類、數(shù)據(jù)處理轉(zhuǎn)換類等類和對象，并通過主界面將所有功能集成到一起，以實(shí)現(xiàn)航電模擬仿真和操縱控制盒通信的運(yùn)行與管理。

系統(tǒng)主界面由主菜單、工具欄和參數(shù)顯示窗口組成，主菜單和工具欄控制初始參數(shù)設(shè)置、工作模式選擇和仿真的開始、停止等，參數(shù)顯示窗口負(fù)責(zé)試驗(yàn)有關(guān)仿真數(shù)據(jù)的在線顯示。

當(dāng)仿真系統(tǒng)啟動后，首先完成初始化，然后啟動50ms定時器，進(jìn)入定時循環(huán)，其每50ms周期內(nèi)系統(tǒng)軟件流程圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)軟件流程圖

航電模擬計(jì)算機(jī)是實(shí)現(xiàn)座艙控制盒設(shè)備實(shí)時顯示和控制的核心，根據(jù)其功能要求，將模塊劃分為以下幾個部分：

1）CData類：負(fù)責(zé)定義座艙控制盒設(shè)備與航電模擬計(jì)算機(jī)之間的通信數(shù)據(jù)格式、類型和數(shù)量。

2）CBoxDisplay類：對來自飛行控制計(jì)算機(jī)等其他設(shè)備的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析處理，轉(zhuǎn)換成控制命令，發(fā)送給座艙控制盒相應(yīng)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)實(shí)時狀態(tài)顯示。

3）CBoxContronl類：接收來自座艙控制盒設(shè)備的控制命令，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)控制字，發(fā)送給飛行控制計(jì)算機(jī)等指定設(shè)備。

4）CTimer類：實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)按50ms周期運(yùn)行。

控制器將操縱控制盒CAN總線信號轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)信號，通過TCP/IP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。CANUDP報文格式如下：

&data1&data2&data3&data4&data5&data6

其中data值為小數(shù)格式的浮點(diǎn)型字符串，0位精度；

data1:TimestampHigh,忽略；

data2::TimestampLow,忽略；

data3:標(biāo)識符 ID；

data4:從高位到低位依次為類型 (0為數(shù)據(jù)幀，1為遠(yuǎn)程幀)、InfoA（忽略）、InfoB（忽略）、Datalength；

data5:從高位到低位依次為 Data[0]、Data[1]、Data[2]、Data[3]；

data6:從高位到低位依次為 Data[4]、Data[5]、Data[6]、Data[7]；

操縱控制盒通信軟件流程圖如圖6所示。航電模擬計(jì)算機(jī)通過接收報文中的data3解析ID，確定報文來源于哪個操縱控制盒，并將data5、data6按位解析，判斷相應(yīng)操縱控制盒狀態(tài)，并將信號轉(zhuǎn)發(fā)給飛行控制計(jì)算機(jī)、飛行仿真系統(tǒng)。同時，航電模擬計(jì)算機(jī)接收飛行控制計(jì)算機(jī)、飛行仿真系統(tǒng)發(fā)送的狀態(tài)字，狀態(tài)字解析后生成報文，報文發(fā)送按照相同的報文格式，只需對應(yīng)相應(yīng)操縱控制盒的ID，就可將相應(yīng)狀態(tài)發(fā)送給操縱控制盒進(jìn)行指示。

圖6 操縱控制盒通信軟件流程圖

3 試驗(yàn)測試

3.1 測試方法

本試驗(yàn)測試的目的是驗(yàn)證座艙操縱控制盒設(shè)備與航電模擬計(jì)算機(jī)之間基于CAN總線的通信方案的準(zhǔn)確性和實(shí)時性，測試方法分為三部分：

1）操縱控制盒測試

測試操縱控制盒是否按預(yù)期目標(biāo)準(zhǔn)確且快速顯示，航電模擬計(jì)算機(jī)模擬飛行控制計(jì)算機(jī)輸入，切換相應(yīng)狀態(tài)字，觀察操縱控制盒的顯示情況；

2）按壓控制盒按鍵是否生成相應(yīng)控制字

在航電模擬計(jì)算機(jī)開發(fā)MFC控制字解析軟件，將控制字的狀態(tài)直觀顯示出來，按壓控制盒上相應(yīng)的控制按鍵，觀察MFC控制字解析軟件的實(shí)時狀態(tài)；

3）報文收發(fā)聯(lián)試

航電模擬計(jì)算機(jī)接收飛行控制計(jì)算機(jī)、飛行仿真系統(tǒng)的信號并生成報文發(fā)送給操縱控制盒，檢查操縱控制盒顯示狀態(tài)是否正確。對操縱控制盒所有按鍵和開關(guān)進(jìn)行測試，檢查航電模擬計(jì)算機(jī)解析是否正確。

3.2 測試結(jié)果

經(jīng)過長時間的測試，數(shù)據(jù)收發(fā)實(shí)時性高，從未出現(xiàn)丟包和卡滯的現(xiàn)象。測試結(jié)果證明了基于CAN總線和以太網(wǎng)的通信方案的實(shí)時性、準(zhǔn)確性和可靠性。

4 結(jié)論

在某型飛機(jī)飛控半物理仿真試驗(yàn)環(huán)境中，經(jīng)過多次反復(fù)測試，驗(yàn)證了基于CAN總線的模擬座艙內(nèi)操縱控制盒通信系統(tǒng)的可行性。該通信方案具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）采用CAN轉(zhuǎn)以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)通信方案，實(shí)時性強(qiáng)，可靠性高，通用性好，經(jīng)濟(jì)性好；以太網(wǎng)UDP不定長分包收發(fā)數(shù)據(jù)方式合理可行，保障了網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時性和穩(wěn)定性。

2）采用分布式架構(gòu)體系，線纜少，結(jié)構(gòu)清晰，易于維護(hù)。