基于CAN總線飛機常規(guī)配電系統(tǒng)通信功能設(shè)計

范詩洋

摘 要 隨著計算機技術(shù)高速發(fā)展，大量機型采用智能配電系統(tǒng)的固態(tài)功率控制器、計算機控制代替?zhèn)鹘y(tǒng)斷路器、熔斷器和邏輯電路構(gòu)成的配電系統(tǒng)。目前，部分通用飛機正在往智能配電方向發(fā)展。然而，傳統(tǒng)常規(guī)配電方式技術(shù)成熟，可靠性高，暫時無法完全替代，為促進配電系統(tǒng)智能化發(fā)展，需對傳統(tǒng)配電系統(tǒng)進行智能化改進。在保持原有傳統(tǒng)配電功能基礎(chǔ)上增加總線通訊功能，滿足通用飛機智能通訊功能。

關(guān)鍵詞 智能通訊功能 傳統(tǒng)配電系統(tǒng) 數(shù)字技術(shù)

中圖分類號：TP336;V24 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-0745（2021）03-0003-03

1 前言

隨著數(shù)字技術(shù)發(fā)展，傳統(tǒng)的飛機配電系統(tǒng)配置雖然能滿足飛機機載系統(tǒng)和設(shè)備的常規(guī)配電需要，但隨著飛機多電和全電化趨勢不斷增長，因此通過SSPC進行控制和保護的智能配電系統(tǒng)會逐步取代通過斷路器、熔斷器進行控制和保護的傳統(tǒng)常規(guī)配電系統(tǒng)[1]。但由于常規(guī)配電系統(tǒng)技術(shù)可靠性相對較高，短時間內(nèi)無法完全取代，因此為實現(xiàn)飛機智能配電系統(tǒng)，需對常規(guī)配電系統(tǒng)進行智能化設(shè)計。常規(guī)配電系統(tǒng)智能化設(shè)計重點在于與通訊功能，實現(xiàn)產(chǎn)品本身、保護裝置、控制裝置等狀態(tài)自檢，并能將故障狀態(tài)通過總線實時上報[2]。

本文基于CAN總線對通用飛機常規(guī)配電系統(tǒng)通訊功能從硬件和軟件兩方面論述常規(guī)配電盒通訊功能的實現(xiàn)。

2 CAN總線簡介

2.1 CAN總線特點

CAN總線結(jié)構(gòu)劃分為物理層、應(yīng)用層以及數(shù)據(jù)鏈路三部分，是一種有較好分布式控制和實時性的串行通信網(wǎng)絡(luò)。相較于其他常用通信網(wǎng)絡(luò)，CAN總線具有以下特點：

1.CAN總線物理層特點：CAN總線傳輸速率范圍較廣，范圍能達(dá)從5kbps到1Mbps，并且最遠(yuǎn)傳輸距離能達(dá)到10km。傳輸介質(zhì)有光纜、雙絞線、同軸線等，常用傳輸介質(zhì)多為雙絞屏蔽線。并且采用差分信號雙余度傳輸方式，這種傳輸方式有較高的可靠性，單邊出故障時可用備份通道持續(xù)傳輸。

2.CAN總線應(yīng)用層特點：CAN總線應(yīng)用層協(xié)議可以根據(jù)客戶的實際需求自主定義，目前在汽車領(lǐng)域、工業(yè)制造以及航空航天等領(lǐng)域已形成CAL、CANOpen、CANKingdom等多種主流應(yīng)用層協(xié)議[3]。

3.CAN總線數(shù)據(jù)鏈路層特點：CAN總線數(shù)據(jù)鏈路層可實現(xiàn)任意時刻向通信網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送信息，并且不同信息之間無主次之分，使得整個使用CAN總線通信變得更加靈活。同時CAN總線采用非破壞性仲裁技術(shù)，這保證了當(dāng)多個節(jié)點同時發(fā)送信息時優(yōu)先級低的節(jié)點信息會主動退出，保障優(yōu)先級高的節(jié)點正常傳輸數(shù)據(jù)，減少傳輸過程中多節(jié)點間沖突，降低仲裁時間。由于采用短幀通訊結(jié)構(gòu)，使其傳輸速率高，傳輸過程中手干擾改率降低，并且每幀數(shù)據(jù)都有循環(huán)冗余碼校驗，講題出錯率，大大增加通信傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

2.2 CAN總線與ARINC429總線的比較

目前，在民用航空系統(tǒng)中運用較為廣泛的總線通信有兩種，分別是ARINC429總線和CAN總線，表1對這兩種航空總線進行了比較。

結(jié)合CAN總線特點及以上比較可以看出，相較CAN總線429總線在總線通信傳輸過程中傳輸速率慢，所需電線電纜數(shù)量較多。由于429總線不是集中控制，多采用點對點傳輸方式，減少其他干擾提高傳輸可靠性;CAN總線數(shù)據(jù)傳輸較429總線相比傳輸速率快，并且可實現(xiàn)分布控制，有較高實時性，可靠性高[4-5]。

3 基于CAN總線常規(guī)配電系統(tǒng)通訊功能設(shè)計

3.1 CAN總線通訊硬件設(shè)計

CAN總線硬件通過STM32開發(fā)板自帶的bxCAN進行硬件編制，在STM32開發(fā)板中CAN總線通信模塊有三種工作方式，分別是模塊初始化、模塊工作狀態(tài)以及模塊休眠狀態(tài)。模塊初始狀態(tài)禁止接收或發(fā)送任何總線報文，通過軟件配置確定是否退出初始化狀態(tài)。退出初始化狀態(tài)CAN總線模塊進入工作狀態(tài)可正常收發(fā)報文信息。睡眠模式是通過CAN_MAR寄存器INRQ位和SLEEP位置同時控制。需要注意的是在硬件設(shè)計過程中為避免產(chǎn)生單一節(jié)點芯片故障影響整個通訊網(wǎng)絡(luò)正常通信工作，需對CANH和CANL之間進行隔離保護。同時考慮CAN總線遠(yuǎn)距離傳播以及飛機電磁兼容特性，需在總線端口處做防雷設(shè)計。

3.2 CAN總線通訊軟件規(guī)范制定

CAN總線數(shù)據(jù)幀可分為標(biāo)準(zhǔn)幀和擴展幀兩類，數(shù)據(jù)幀由幀起始、仲裁域、控制域、數(shù)據(jù)域、CRC域、ACK域和幀結(jié)束七個位域組成，ARINC825-2規(guī)范采用擴展幀格式傳輸所有的數(shù)據(jù)，并提供多種網(wǎng)絡(luò)層應(yīng)用，以支持“一對多”和“點對點”的通信方式。常規(guī)配電系統(tǒng)CAN總線通訊通常為“點對點”的通信方式，“點對點”通信的仲裁域標(biāo)識符格式如圖1所示。

常規(guī)配電系統(tǒng)CAN總線通訊主要包含PBIT、CBIT、離散量狀態(tài)上報，采用“點對點”上報模式，結(jié)合“點對點”通信的仲裁標(biāo)識符格式確定每幀數(shù)據(jù)內(nèi)容，確認(rèn)仲裁域后需規(guī)范控制域和確定數(shù)據(jù)域。此處以PBIT為例見表2確定每幀數(shù)據(jù)的具體內(nèi)容。

4 結(jié)論

本文介紹了基于CAN總線通信飛機常規(guī)配電系統(tǒng)硬件設(shè)計及軟件規(guī)范制定。通過硬件電路設(shè)計實現(xiàn)對常規(guī)配電系統(tǒng)每路保護裝置、處理器、通訊狀態(tài)實時狀態(tài)監(jiān)控，通過軟件規(guī)范定義實現(xiàn)狀態(tài)異常上報和控制，初步實現(xiàn)飛機常規(guī)配電系統(tǒng)智能化。由于CAN總線傳輸速率相對較快，實時性高，并且技術(shù)難度和成本性對較低。隨著機電子系統(tǒng)的功能綜合管理和數(shù)據(jù)實時性控制，CAN總線作為支持分布式控制和實時控制的通信網(wǎng)絡(luò)，在飛機配電系統(tǒng)由傳統(tǒng)模式轉(zhuǎn)換進入智能化模式過程中一定會有廣泛應(yīng)用。

參考文獻：

[1] 杜尚豐，曹曉鐘，徐津.CAN總線測控技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007：9-28.

[2] 鄔寬明.CAN總線原理和應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1996：10-18.

[3] 張曉斌，張興國，鄭先成.CAN總線在飛機配電系統(tǒng)中的應(yīng)用設(shè)計[J].計算機測量與控制，2009，17（05）：943-946.

[4] AIRINC-429協(xié)議規(guī)范[S].THEAEEC Executive Comm ittee，2004.

[5] AIRINC-825協(xié)議規(guī)范[S].THEAEEC Executive Comm ittee，2010.