基于CAN的飛機機電系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集與控制設計研究

李曉崢 屈斌 史壯歌

摘 要：飛機機電系統(tǒng)基于CAN技術來實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與控制的綜合性和集成化，有效提升了數(shù)據(jù)采集的效率與控制效果。本文通過對基于該項技術功能化設計需求的分析，進一步分析了飛機綜合機電控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與技術設計。

關鍵詞：CAN技術;數(shù)據(jù)采集;設計

引言

隨著民航的快速發(fā)展，機電系統(tǒng)的綜合控制技術由于具有諸多優(yōu)勢而開始得到廣泛性應用，為了深入探究該項技術在功能優(yōu)化方面的作用，本文對飛機機電系統(tǒng)基于CAN技術的數(shù)據(jù)采集和控制設計進行了分析。

1 設計需求

1.1控制結(jié)構(gòu)方面的需求

在飛機的機電系統(tǒng)當中包含著多種作動裝置系統(tǒng)，像是起落架系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、環(huán)境控制系統(tǒng)、液壓控制系統(tǒng)等等。但許多現(xiàn)有的飛機機電系統(tǒng)當中，其系統(tǒng)的綜合性和集成化程度偏低，有些甚至都是獨立系統(tǒng)，沒有綜合一說，在各項功能的數(shù)據(jù)采集與控制方面，其也是獨立完成，沒能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)信息的共用，這會導致硬件的利用率較低，整體的連線也是十分混亂且復雜，在數(shù)據(jù)采集與控制方面可靠性較低，實際操作顯現(xiàn)出困難，在排除故障方面也具有一定難度，系統(tǒng)本身自重過大，維護效果不佳。這些問題的產(chǎn)生都在于機電控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)缺陷，而設計出綜合性的機電控制系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與控制功能的集成化也變得很有必要[1]。

1.2總線方面的需求

在飛機機電系統(tǒng)當中，其數(shù)據(jù)的交互是十分冗余和繁雜的，在傳統(tǒng)的民航飛機當中，一些線纜的連接采用硬線式連接方法，導致線纜結(jié)構(gòu)雜亂，使得線路方面的維護與監(jiān)控都具有較高難度，因此，其需要采用數(shù)據(jù)總線連接通信的方式，有效簡化線纜結(jié)構(gòu)，也會降低飛機的自重。

2 結(jié)構(gòu)設計

CAN技術下的飛機綜合控制機電系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與控制功能所包含的相關部件主要包括頂部控制板結(jié)構(gòu)、兩個獨立的電氣系統(tǒng)控制裝置、通信總線CAN以及交流二級配電裝置，在結(jié)構(gòu)設計上主要是采用雙余度雙通道的形式，在每個通道的構(gòu)件當中都有著兩個計算機設備，其能互為數(shù)據(jù)備份機。在頂板控制板當中也有著兩臺控制計算機設備，其與電氣系統(tǒng)之間進行數(shù)據(jù)通信，主要是通過CAN總線來連接通信，通信主要是包括傳輸控制指令及反饋狀態(tài)信息，電氣系統(tǒng)控制器裝置中具有著數(shù)據(jù)采集的模塊，其主要是對探測器與傳感器的設備進行采集，而綜合控制機電系統(tǒng)的控制功能則是由交流二級配電裝置來實現(xiàn)，而其系統(tǒng)與配電裝置之間的連接則是基于CAN網(wǎng)絡，二級配電裝置會接收到相應的控制命令，然后根據(jù)命令執(zhí)行對固態(tài)功率控制器的控制。

3 技術設計

3.1頂部控制板數(shù)字化技術

在飛機的機電系統(tǒng)數(shù)據(jù)控制當中運用頂部控制板數(shù)字化技術，主要是設計出集成化模板及總線調(diào)光自適應控制功能。例如，在設計的過程中，使其控制板的背板對兩臺數(shù)字處理計算機設備進行集成處理，再結(jié)合CAN總線技術所發(fā)出的信號命令對系統(tǒng)控制板下達執(zhí)行要求，同時對各個系統(tǒng)的狀態(tài)信息進行采集，進而顯示在控制板上，兩臺進行數(shù)字處理的計算機通過兩條通道貫通組合，其整體的數(shù)字處理模塊呈現(xiàn)出雙通道雙余度的構(gòu)型，頂板控制板上的開關信號會被計算機采集，從而CAN總線來發(fā)送給電氣系統(tǒng)的控制器，也會發(fā)送到飛機的各個系統(tǒng)當中，收到信號并將命令完成以后，就會通過CAN總線再將狀態(tài)信號反饋發(fā)送到兩臺計算機中，將相應的信號燈激活。對于調(diào)光自適應控制部分，其主要是包含了兩個雙余度的數(shù)字信號處理設備，帶有著電源控制的電路與內(nèi)部數(shù)字調(diào)光功能，其雙余度的信信號處理設備還有著兩個電源模塊，保證本地的所有LRU及負載都能夠得到供電。數(shù)據(jù)通信的接口是由調(diào)光自適應控制部分所提供，再結(jié)合CAN總線技術，有效實現(xiàn)與控制板的各個組件之間進行通信，調(diào)光自適應控制模塊還能夠為飛機的其他系統(tǒng)提供常規(guī)離散型模擬信號[2]。

在飛機系統(tǒng)當中，通?？刂菩盘柖紩?jīng)過機電綜合控制系統(tǒng)以及背板計算機設備的處理，而第三套手動應急系統(tǒng)的控制則不需要經(jīng)過其處理，通常是獨立存在的，一般是頂部控制板直接將控制命令下達給相應的作動裝置，通過硬線來進行命令傳輸。

3.2電源的智能化管理

在智能化配電方面，其能夠?qū)⒂秒娯撦d的裝機容量和整個飛機系統(tǒng)進行最小化處理，且系統(tǒng)的自重與成本也會降到最低，一般是將實際負載進行智能化分區(qū)及合理配置，從而實現(xiàn)智能化管理。交流二級配電裝置處理器會對實際用電的負載量與用電峰值進行管理，該項管理的參數(shù)會控制在飛機系統(tǒng)處理裝置的規(guī)定范圍之內(nèi)，而若假設設定了多個交流二級配電裝置的控制器，則系統(tǒng)在最高執(zhí)行下，會將邏輯控制層滲透到所有的控制器當中，飛機的電源系統(tǒng)會與相關任務計算機及飛機管理進行共同工作，其電源的管理任務需要在分配的時間內(nèi)全部完成，還需滿足任務發(fā)動機功率方面的實際預算要求，對于電網(wǎng)和電源系統(tǒng)存在的故障，交流二級配電裝置的邏輯也能夠進行識別，同時可以做到故障的有效隔離，也可對電源系統(tǒng)控制器進行重新配置，以保證電源的供電達到負載要求。系統(tǒng)若是在最低執(zhí)行下，交流二級配電裝置處理器也能夠?qū)崿F(xiàn)故障保護、基本狀態(tài)反饋以及對計算機命令執(zhí)行，對交流二級配電裝置進行配置，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)總線對獨立固態(tài)功率控制器的控制，數(shù)據(jù)總線是被使用在飛機系統(tǒng)的分級數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)當中，且在交流二級配電裝置當中可以對數(shù)據(jù)總線的時間、級別以及超控等進行軟件執(zhí)行，在本項設計當中，交流二級配電裝置處理還需依托于綜合機電控制的電源系統(tǒng)控制器來實現(xiàn)功能，其基本的控制邏輯與相關運算都是在電源系統(tǒng)控制器當中停留，電源系統(tǒng)中傳輸控制命令主要是運用雙余度CAN總線，能夠有效連接或是中斷固態(tài)功率控制器與交流二級配電裝置之間，控制實際負載的開關。

3.3雙余度的CAN總線網(wǎng)絡設計

綜合機電控制系統(tǒng)將各個機電控制系統(tǒng)的邏輯進行集成處理，其在保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩耘c可靠性方面，主要是采用了容錯技術，避免實際運行時系統(tǒng)的有效性受到突發(fā)錯誤的不良影響。詳細分析綜合機電控制系統(tǒng)的容錯技術，其功能主要是體現(xiàn)在兩個方面，一方面是體現(xiàn)在整個系統(tǒng)的關鍵功能節(jié)點上，以此來實現(xiàn)該節(jié)點的容錯;另一方面是直接采用雙余度的CAN總線接口，實現(xiàn)整個網(wǎng)絡通信的容錯，設計出雙余度的CAN總線網(wǎng)絡，采用完全冗余模型來進行結(jié)構(gòu)設置。對于完全冗余模型的設計思路，其主要是指基于CAN總線協(xié)議在各個功能模塊下布置上兩條系統(tǒng)總線，且每一個功能模塊上都設置了兩條獨立的CAN通道，該通道當中，包含了CAN總線的收發(fā)器設備、控制器設備、DC-DC轉(zhuǎn)換模塊以及光電耦合電路等等，這些設施能夠?qū)⒉罘志€路連接，從而構(gòu)成兩條總線，由于其收發(fā)器設備都是相對獨立，因此收發(fā)控制也是獨立形式，在冗余管理方面則是由相應軟件實現(xiàn)。這種設計方式的優(yōu)勢就在于其能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路層、物理層以及物理介質(zhì)等方面的全面性冗余，確保整體系統(tǒng)的安全性與可靠性都能夠提升，同時其操作簡便，不需要進行切換電路，也能夠降低系統(tǒng)的故障率。

結(jié)論：

綜上所述，飛機機電系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與控制功能的設計，運用雙余度CAN總線的結(jié)構(gòu)能夠充分提升數(shù)據(jù)采集、傳輸?shù)目煽啃裕喕渚€路結(jié)構(gòu)，提升控制效果。由本文分析可知，在實際進行的技術設計上，主要是包括頂部控制板數(shù)字化技術、電源的智能化管理。雙余度的CAN總線網(wǎng)絡設計等幾個部分。

參考文獻：

[1]張偉業(yè).飛機機電系統(tǒng)分布式仿真模型優(yōu)化方法研究[D].中國民航大學，2020.

[2]楊陽，胡佳林.基于CAN的飛機機電系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集與控制設計[C]. .2016航空試驗測試技術學術交流會論文集.：中國航空學會，2016：162-164+179.