CAN總線在飛機(jī)配電系統(tǒng)中的應(yīng)用和故障排查

卿濤

摘 要：本文以某型飛機(jī)配電系統(tǒng)為例，結(jié)合系統(tǒng)架構(gòu)和實(shí)際系統(tǒng)研制過程對CAN總線相關(guān)的設(shè)計(jì)要素、要點(diǎn)以及驗(yàn)證過程中主要問題進(jìn)行分析、歸納和總結(jié)，為后續(xù)相關(guān)技術(shù)的使用提供參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：CAN總線;民用飛機(jī)

1 ?概述

現(xiàn)代飛機(jī)平臺(tái)上廣泛采用多種數(shù)據(jù)總線來實(shí)現(xiàn)各級(jí)別的數(shù)據(jù)傳輸和信息共享，典型的總線類型包括1553B，ARINC429、ARINC664和CAN總線等。其中CAN總線得益于相關(guān)技術(shù)的日趨成熟，以及車載平臺(tái)與機(jī)載平臺(tái)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。隨著ARINC825標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布，以及CAN總線因其實(shí)時(shí)性、多主性、靈活性、可靠性和低成本等特點(diǎn)，近年來國外的主要飛機(jī)制造商已經(jīng)開始把CAN總線應(yīng)用到飛機(jī)上，使飛機(jī)產(chǎn)品在性能改進(jìn)的同時(shí)具有更高的經(jīng)濟(jì)性。

2 ?CAN總線設(shè)計(jì)要點(diǎn)

CAN總線網(wǎng)絡(luò)在飛機(jī)上的應(yīng)用過程中，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注一下方面的設(shè)計(jì)內(nèi)容：

2.1物理架構(gòu)

CAN總線信息采用雙絞屏蔽線傳輸，兩根絞線分別連接各設(shè)備的CANH接口和CANL接口。CAN網(wǎng)絡(luò)采用電平差的方式識(shí)別數(shù)字信號(hào)，按照通訊協(xié)議解析信號(hào)。CANH的電壓在高位時(shí)為3.5V，在低位時(shí)為2.5V;CANL的電壓在高位時(shí)為2.5V，在低位時(shí)為1.5V。差分2V代表邏輯0，差分1V代表邏輯1。根據(jù)ARINC825的要求，為保證總線通訊質(zhì)量，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需注意以下幾個(gè)方面：

2.1.1為防止總線波形反射，在CAN總線應(yīng)在網(wǎng)絡(luò)最遠(yuǎn)端應(yīng)各設(shè)置一個(gè)120歐的終端電阻。

2.1.2為達(dá)到阻抗匹配，選擇的雙絞屏蔽線的特征阻抗值應(yīng)在120歐±10%。

2.1.3每個(gè)節(jié)點(diǎn)到主干網(wǎng)絡(luò)的距離不能超過1m，兩個(gè)節(jié)點(diǎn)分支在主干上的距離不能小于0.5m，并且終端電阻到最末端的節(jié)點(diǎn)距離應(yīng)大于1.5m。

2.2傳輸數(shù)據(jù)類型及傳輸速率

CAN總線采用半雙工的工作模式，符合ARINC825-2的CAN總線收發(fā)數(shù)字消息?？偩€網(wǎng)絡(luò)上可連接多個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)、一點(diǎn)對多點(diǎn)及全局廣播等幾種數(shù)據(jù)傳輸方式。只要總線處于空閑狀態(tài)，節(jié)點(diǎn)設(shè)備就可以主動(dòng)向其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息。如遇總線競爭，根據(jù)節(jié)點(diǎn)要傳送報(bào)文的優(yōu)先級(jí)來決定對總線的占用。根據(jù)ARINC825，為保證數(shù)據(jù)的有效傳輸，總線占有率一般不能超過30%。因此在設(shè)計(jì)初期就必須對CAN總線的負(fù)載率進(jìn)行估算。確定設(shè)備間傳遞的數(shù)據(jù)類型，以及每一類數(shù)據(jù)類型的數(shù)據(jù)量，通過30%的總線占用率反推出可用的波特率范圍。

為提高系統(tǒng)性能，往往希望傳輸速率越快越好，但是在選擇傳輸速率時(shí)還需要考慮信號(hào)的衰減問題。波特率越高，頻率越高，沿總線傳輸?shù)膿p耗也就越大。因此，為保證有效的信號(hào)傳輸，降低信號(hào)衰減，在確定總線波特率時(shí)還需要考慮總線最遠(yuǎn)兩端的距離，因此CAN總線傳輸速率和CAN總線長度應(yīng)符合ARINC825的要求。

3 ?CAN總線驗(yàn)證過程問題排查與解決

在某型飛機(jī)負(fù)載分配系統(tǒng)交聯(lián)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)CAN總線通訊在集成過程存在一些問題，下面對這些問題、原因和解決措施進(jìn)行詳細(xì)描述。

3.1終端電阻的設(shè)置問題

a）問題描述：

在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，當(dāng)所有設(shè)備均連接到網(wǎng)絡(luò)時(shí)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)無法通訊。而斷開其中部分設(shè)備的連接器時(shí)，網(wǎng)絡(luò)通訊正常。

b）原因分析：

通過測量不能通訊的設(shè)備CAN總線的電阻值，發(fā)現(xiàn)該設(shè)備在CANH和CANL之間設(shè)置了120歐終端電阻。整個(gè)CAN網(wǎng)絡(luò)存在3個(gè)終端電阻并聯(lián)在一起，并聯(lián)后阻值減小到40歐。而CAN總線選擇的導(dǎo)線特征阻抗為120歐與終端電阻120歐剛好匹配。當(dāng)增加一個(gè)120歐的終端電阻后，等效于總線兩端接的是阻值為80歐的終端電阻，不能與導(dǎo)線到達(dá)阻抗匹配。

經(jīng)過后續(xù)分析，導(dǎo)致出現(xiàn)這種設(shè)計(jì)的原因主要有兩方面：

1）供應(yīng)商對標(biāo)準(zhǔn)理解有誤，認(rèn)為所有設(shè)備均應(yīng)設(shè)置終端電阻。而且供應(yīng)商在廠內(nèi)測試時(shí)通常不會(huì)在外部設(shè)置終端電阻，因此無法提前發(fā)現(xiàn)問題。

2）主機(jī)在提出技術(shù)要求時(shí)，并沒有明確整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)，導(dǎo)致供應(yīng)商不清楚飛機(jī)上終端電阻的設(shè)置情況。

c）解決措施：

1）去掉該設(shè)備內(nèi)部多余的終端電阻;

2）在以后的設(shè)計(jì)需求文件中明確整個(gè)系統(tǒng)級(jí)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)以及終端電阻的設(shè)置位置。

3.2CAN總線波形幅值問題

a）問題描述：

在試驗(yàn)過程中，發(fā)現(xiàn)部分設(shè)備的輸出波形幅值較低，達(dá)到1.4伏左右。而根據(jù)ISO11898-2的定義，顯性差分電平參考范圍為正常2伏，最小不能低于1.5伏，最大不能大于3伏。信號(hào)質(zhì)量的好壞與信號(hào)的幅值（幅值是指頂部值與底部值之間的差值）密切相關(guān)，幅值對應(yīng)的頂部值和底部值需在規(guī)定的范圍之內(nèi)，否則可能導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)錯(cuò)誤，甚至無法正常通信。

b）原因分析：

在典型的CAN總線輸出電路中，CANH和CANL是由CAN芯片經(jīng)過濾波器再經(jīng)過防雷電路后輸出。標(biāo)準(zhǔn)的CAN芯片輸出的差分信號(hào)均為2伏，若出現(xiàn)幅值不滿足要求的情況，必然是輸出電路問題。通過查看設(shè)備內(nèi)部電路，發(fā)現(xiàn)輸出幅值較低的設(shè)備均在輸出端CANH和CANL的線路上串接了限流電阻。目的是限制大電流輸入，保護(hù)內(nèi)部電路。由于設(shè)置的限流電阻，CAN總線輸出的電路與外部通訊線路以及終端電阻構(gòu)成的回路后，限流電阻將起到分壓的作用。試驗(yàn)中存在問題的設(shè)備分別在CANH和CANL輸出線路上設(shè)置了10歐的限流電阻。而外部通訊網(wǎng)絡(luò)上并聯(lián)由兩個(gè)120歐，其等效電路相當(dāng)于兩個(gè)10歐電阻與60歐電阻串聯(lián)。輸出的標(biāo)準(zhǔn)差分信號(hào)為2伏，經(jīng)過兩個(gè)10歐電阻分壓后，輸出端電壓只有2×60/80伏，即1.5伏。因此從測量的輸出波形幅值來看，與計(jì)算結(jié)果吻合。

c）解決措施：

1）首先應(yīng)去掉CAN總線輸出線路上串聯(lián)的電阻，以避免輸出波形幅值過低，導(dǎo)致接收端無法識(shí)別信號(hào)的問題。

2）為解決防雷和大電流輸入的問題，應(yīng)采用ARINC825推薦的防雷電路。

3.3CAN總線電容問題

a）問題描述：

試驗(yàn)過程中，通過示波器觀察設(shè)備輸出波形，發(fā)現(xiàn)所有設(shè)備的輸出波形的上升沿和下降沿均有一定的變緩。根據(jù)ISO11898-2的規(guī)定當(dāng)差分電壓低于500毫伏時(shí)，系統(tǒng)認(rèn)為隱性。而CAN芯片是根據(jù)軟件中設(shè)置的波特率以及采集間隔時(shí)間來識(shí)別信號(hào)。被試系統(tǒng)設(shè)置的波特率為250kpbs，那么每一個(gè)波形大概是4微秒，若設(shè)置每個(gè)波形第0.5微秒開始識(shí)別信號(hào)，當(dāng)下降沿時(shí)間較長時(shí)，識(shí)別到的差分電壓多數(shù)處于500毫伏至1.5伏之間。這種情況下，系統(tǒng)將無法識(shí)別正確的波形，導(dǎo)致錯(cuò)誤。

b）原因分析：

而通常方波上升沿和下降沿變緩都是電路中的電容造成的。當(dāng)波形上升時(shí)，CAN總線輸出向電路中電容充電，而在下降沿時(shí)電容則向外放電，電容越大充放電時(shí)間越長。根據(jù)ARINC825的規(guī)定，因CAN總線輸出端設(shè)置有防雷電路，必然會(huì)增加輸出端的電容值。為保證CAN總線的通信質(zhì)量，CANH和CANL對地電容不應(yīng)超過100皮法，線間電容不應(yīng)該超過50皮法。為驗(yàn)證是否是設(shè)備內(nèi)部電路的電容過大影響網(wǎng)絡(luò)波形，使用儀器對每個(gè)設(shè)備的CAN總線輸出端的電容值進(jìn)行測量。發(fā)現(xiàn)部分設(shè)備電容值達(dá)到了2納法左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出標(biāo)準(zhǔn)要求。經(jīng)過查閱設(shè)備內(nèi)部原理圖發(fā)現(xiàn)，有的設(shè)備在CAN總線輸出端口增加了電容濾波。而有的設(shè)備則是防雷電路選擇的TVS管電容值過大。

c）解決方案：

1）去掉超標(biāo)設(shè)備CAN總線輸出線路上的電容，采用共模電感進(jìn)行濾波。

2）合理選擇TVS管，并嚴(yán)格按照ARINC825推薦的電路進(jìn)行防雷設(shè)計(jì)。

4 ?總結(jié)

本文對CAN總線在系統(tǒng)層級(jí)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)驗(yàn)證過程中的要點(diǎn)和問題進(jìn)行研究和總結(jié)。從實(shí)際應(yīng)用可以發(fā)現(xiàn)影響CAN總線通訊的因素包括波形幅值，波形斜率以及外界擾動(dòng)三個(gè)方面，需要在通訊電路設(shè)計(jì)以及設(shè)備組網(wǎng)時(shí)重點(diǎn)關(guān)注和考慮。

（中航通飛華南飛機(jī)工業(yè)有限公司，廣東 珠海 519040）