基于CAN总线飞机常规配电系统通信功能设计

    范诗洋

    

    

    摘 要 随着计算机技术高速发展，大量机型采用智能配电系统的固态功率控制器、计算机控制代替传统断路器、熔断器和逻辑电路构成的配电系统。目前，部分通用飞机正在往智能配电方向发展。然而，传统常规配电方式技术成熟，可靠性高，暂时无法完全替代，为促进配电系统智能化发展，需对传统配电系统进行智能化改进。在保持原有传统配电功能基础上增加总线通讯功能，满足通用飞机智能通讯功能。

    关键词 智能通讯功能 传统配电系统 数字技术

    中图分类号：TP336;V24 文献标识码：A 文章编号：1007-0745（2021）03-0003-03

    1 前言

    随着数字技术发展，传统的飞机配电系统配置虽然能满足飞机机载系统和设备的常规配电需要，但随着飞机多电和全电化趋势不断增长，因此通过SSPC进行控制和保护的智能配电系统会逐步取代通过断路器、熔断器进行控制和保护的传统常规配电系统[1]。但由于常规配电系统技术可靠性相对较高，短时间内无法完全取代，因此为实现飞机智能配电系统，需对常规配电系统进行智能化设计。常规配电系统智能化设计重点在于与通讯功能，实现产品本身、保护装置、控制装置等状态自检，并能将故障状态通过总线实时上报[2]。

    本文基于CAN总线对通用飞机常规配电系统通讯功能从硬件和软件两方面论述常规配电盒通讯功能的实现。

    2 CAN总线简介

    2.1 CAN总线特点

    CAN总线结构划分为物理层、应用层以及数据链路三部分，是一种有较好分布式控制和实时性的串行通信网络。相较于其他常用通信网络，CAN总线具有以下特点：

    1.CAN总线物理层特点：CAN总线传输速率范围较广，范围能达从5kbps到1Mbps，并且最远传输距离能达到10km。传输介质有光缆、双绞线、同轴线等，常用传输介质多为双绞屏蔽线。并且采用差分信号双余度传输方式，这种传输方式有较高的可靠性，单边出故障时可用备份通道持续传输。

    2.CAN总线应用层特点：CAN总线应用层协议可以根据客户的实际需求自主定义，目前在汽车领域、工业制造以及航空航天等领域已形成CAL、CANOpen、CANKingdom等多種主流应用层协议[3]。

    3.CAN总线数据链路层特点：CAN总线数据链路层可实现任意时刻向通信网络中发送信息，并且不同信息之间无主次之分，使得整个使用CAN总线通信变得更加灵活。同时CAN总线采用非破坏性仲裁技术，这保证了当多个节点同时发送信息时优先级低的节点信息会主动退出，保障优先级高的节点正常传输数据，减少传输过程中多节点间冲突，降低仲裁时间。由于采用短帧通讯结构，使其传输速率高，传输过程中手干扰改率降低，并且每帧数据都有循环冗余码校验，讲题出错率，大大增加通信传输的可靠性。

    2.2 CAN总线与ARINC429总线的比较

    目前，在民用航空系统中运用较为广泛的总线通信有两种，分别是ARINC429总线和CAN总线，表1对这两种航空总线进行了比较。

    结合CAN总线特点及以上比较可以看出，相较CAN总线429总线在总线通信传输过程中传输速率慢，所需电线电缆数量较多。由于429总线不是集中控制，多采用点对点传输方式，减少其他干扰提高传输可靠性;CAN总线数据传输较429总线相比传输速率快，并且可实现分布控制，有较高实时性，可靠性高[4-5]。

    3 基于CAN总线常规配电系统通讯功能设计

    3.1 CAN总线通讯硬件设计

    CAN总线硬件通过STM32开发板自带的bxCAN进行硬件编制，在STM32开发板中CAN总线通信模块有三种工作方式，分别是模块初始化、模块工作状态以及模块休眠状态。模块初始状态禁止接收或发送任何总线报文，通过软件配置确定是否退出初始化状态。退出初始化状态CAN总线模块进入工作状态可正常收发报文信息。睡眠模式是通过CAN_MAR寄存器INRQ位和SLEEP位置同时控制。需要注意的是在硬件设计过程中为避免产生单一节点芯片故障影响整个通讯网络正常通信工作，需对CANH和CANL之间进行隔离保护。同时考虑CAN总线远距离传播以及飞机电磁兼容特性，需在总线端口处做防雷设计。

    3.2 CAN总线通讯软件规范制定

    CAN总线数据帧可分为标准帧和扩展帧两类，数据帧由帧起始、仲裁域、控制域、数据域、CRC域、ACK域和帧结束七个位域组成，ARINC825-2规范采用扩展帧格式传输所有的数据，并提供多种网络层应用，以支持“一对多”和“点对点”的通信方式。常规配电系统CAN总线通讯通常为“点对点”的通信方式，“点对点”通信的仲裁域标识符格式如图1所示。

    常规配电系统CAN总线通讯主要包含PBIT、CBIT、离散量状态上报，采用“点对点”上报模式，结合“点对点”通信的仲裁标识符格式确定每帧数据内容，确认仲裁域后需规范控制域和确定数据域。此处以PBIT为例见表2确定每帧数据的具体内容。

    4 结论

    本文介绍了基于CAN总线通信飞机常规配电系统硬件设计及软件规范制定。通过硬件电路设计实现对常规配电系统每路保护装置、处理器、通讯状态实时状态监控，通过软件规范定义实现状态异常上报和控制，初步实现飞机常规配电系统智能化。由于CAN总线传输速率相对较快，实时性高，并且技术难度和成本性对较低。随着机电子系统的功能综合管理和数据实时性控制，CAN总线作为支持分布式控制和实时控制的通信网络，在飞机配电系统由传统模式转换进入智能化模式过程中一定会有广泛应用。

    参考文献：

    [1] 杜尚丰，曹晓钟，徐津.CAN总线测控技术及其应用[M].北京：电子工业出版社，2007：9-28.

    [2] 邬宽明.CAN总线原理和应用系统设计[M].北京：北京航空航天大学出版社，1996：10-18.

    [3] 张晓斌，张兴国，郑先成.CAN总线在飞机配电系统中的应用设计[J].计算机测量与控制，2009，17（05）：943-946.

    [4] AIRINC-429协议规范[S].THEAEEC Executive Comm ittee，2004.

    [5] AIRINC-825协议规范[S].THEAEEC Executive Comm ittee，2010.