基于CAN總線的A320模擬器硬件仿真方案研究

根據(jù)國(guó)家建設(shè)民航強(qiáng)國(guó)的需要，國(guó)內(nèi)對(duì)飛機(jī)模擬機(jī)的需求不斷增大，但目前國(guó)內(nèi)模擬機(jī)研制規(guī)模不能滿足日益增長(zhǎng)的市場(chǎng)需求，若引進(jìn)國(guó)外模擬機(jī)，則不僅成本高昂，且不利于技術(shù)掌握，因此擴(kuò)大模擬機(jī)自主研發(fā)規(guī)模成為必然趨勢(shì)?？紤]到各種機(jī)型的駕駛艙功能的共性，即系統(tǒng)模塊多、通信頻繁、結(jié)構(gòu)復(fù)雜而導(dǎo)致模塊間布線繁雜，以及由此產(chǎn)生的干擾等問(wèn)題，提出一種駕駛艙硬件仿真方案，該方案可以滿足駕駛艙各模塊間穩(wěn)定通信，且簡(jiǎn)化布線。

1 方案確立

駕駛艙仿真主要以報(bào)文的形式承載各系統(tǒng)模塊的操作信息，通過(guò)上位機(jī)完成邏輯運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)駕駛艙功能仿真。駕駛艙仿真設(shè)計(jì)的原則是穩(wěn)定，即整個(gè)駕駛艙網(wǎng)絡(luò)應(yīng)具備一定的容錯(cuò)能力，在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中若產(chǎn)生沖突競(jìng)爭(zhēng)，則應(yīng)有一種機(jī)制解決沖突，且不丟失數(shù)據(jù)，而CAN(Co-ntroller Area Network)是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)，具有突出的可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性，基于此選取CAN總線作為整個(gè)駕駛艙網(wǎng)絡(luò)通信方案。由于飛機(jī)駕駛艙結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能繁多，所以需對(duì)駕駛艙進(jìn)行功能模塊劃分，各模塊間通過(guò)CAN總線進(jìn)行通信，以下即從系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)、CAN節(jié)點(diǎn)通信接口硬件設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)傳輸軟件設(shè)計(jì)3個(gè)方面詳細(xì)闡述該方案。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

飛機(jī)駕駛艙中的顯示部分主要有電子飛行儀表系統(tǒng)(Electronic Flight Instrument System，EFIS)，飛機(jī)電子中央監(jiān)控(Electronic Centralized Aircraft Monito-ring，ECAM)，分別由3臺(tái)觸摸屏顯示器顯示，其顯示邏輯統(tǒng)一由上位機(jī)控制。操作部分有頂版、中央操縱臺(tái)、遮光板，側(cè)桿，這4部分全部由硬件實(shí)現(xiàn)，基于區(qū)域劃分的原則將其進(jìn)行模塊劃分，每二模塊為一節(jié)點(diǎn)。整體架構(gòu)如圖1所示。

由于各節(jié)點(diǎn)間存在邏輯控制關(guān)系，所以采用多主方式通信，CAN總線網(wǎng)絡(luò)上任一節(jié)點(diǎn)均可作為主節(jié)點(diǎn)向其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)。上位機(jī)作為其中一個(gè)節(jié)點(diǎn)，通過(guò)CAN總線智能適配卡與網(wǎng)絡(luò)上的各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，負(fù)責(zé)主要的邏輯運(yùn)算和駕駛艙顯示功能的控制，其他節(jié)點(diǎn)不僅完成操作動(dòng)作的采集，還根據(jù)邏輯要求互相控制。

3 CAN節(jié)點(diǎn)通信接口硬件電路設(shè)計(jì)

由于駕駛艙各節(jié)點(diǎn)間的控制邏輯復(fù)雜，數(shù)據(jù)量大，通信頻繁，故對(duì)各節(jié)點(diǎn)主控芯片的存儲(chǔ)容量有較高的要求，且對(duì)CAN總線網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性也有較高要求。選取C80C51F040作主控芯片，因其擁有4 352 B RAM以及64 KB的FLASH，滿足程序應(yīng)用需要。它內(nèi)部集成CAN控制器，它兼容CAN技術(shù)規(guī)范2．0A和2．0B，主要由CAN內(nèi)核、消息RAM(獨(dú)立于CIP51的RAM)、消息處理單元和控制寄存器組成。CAN內(nèi)核由CAN協(xié)議控制器和負(fù)責(zé)報(bào)文收發(fā)的串行／并行轉(zhuǎn)換RX／TX移位寄存器組成。消息RAM用于存儲(chǔ)報(bào)文目標(biāo)和每個(gè)目標(biāo)的仲裁掩碼。這種CAN處理器有32個(gè)隨意配置為發(fā)送和接收的報(bào)文目標(biāo)，并且每一個(gè)報(bào)文目標(biāo)都有自己的識(shí)別掩碼，所有的數(shù)據(jù)傳輸和接收濾波都是由CAN控制器完成，而不是由CIP51完成。C8051F04O所具備的完善的CAN總線控制器和獨(dú)立的CAN信息緩沖區(qū)，可以解決MCU(Micro Control Unit)與CAN總線之間串／并轉(zhuǎn)換、不同節(jié)點(diǎn)間波特率誤差的校正、以及MCU與CAN總線通信的沖突競(jìng)爭(zhēng)和同步等問(wèn)題，為CAN總線網(wǎng)絡(luò)具有較高穩(wěn)定性提供了可靠的保障。

CAN總線的收發(fā)器選用TI公司的SN65HVD230芯片，該芯片正常模式下的低電流設(shè)計(jì)使得芯片的發(fā)熱量小(典型數(shù)值為370μA)，而且其優(yōu)化的驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)使得信號(hào)質(zhì)量得到進(jìn)一步改善；為進(jìn)一步提高系統(tǒng)抗干擾能力，在主控芯片C80C51F040和收發(fā)器SN65HVD230之聞加入光耦6N137進(jìn)行電氣隔離，由于通信信號(hào)傳輸?shù)綄?dǎo)線的端點(diǎn)時(shí)會(huì)發(fā)生反射，反射信號(hào)會(huì)干擾正常信號(hào)的傳輸，因而總線兩端接有終端電阻以消除反射信號(hào)，有效隔離CAN總線上的干擾信號(hào)，提高了系統(tǒng)可靠性。如圖2所示。

4 數(shù)據(jù)傳輸軟件設(shè)計(jì)

在CAN總線上發(fā)送的每一條報(bào)文都具有惟一的一個(gè)11位或29位數(shù)字ID，當(dāng)發(fā)生沖突時(shí)，仲裁器就根據(jù)ID值的大小決定優(yōu)先級(jí)最高的ID發(fā)送，其他的退出總線。CAN總線狀態(tài)取決于二進(jìn)制數(shù)0而不是1，即信號(hào)是線“與”關(guān)系：當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送1，另一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送0時(shí)，其他節(jié)點(diǎn)接收到的是信號(hào)0。所以ID值越小，該保報(bào)文擁有的優(yōu)先權(quán)越高。

4．1 CAN通信協(xié)議設(shè)計(jì)

通信協(xié)議設(shè)計(jì)主要包括兩部分，確定報(bào)文ID和定義報(bào)文所含8位數(shù)據(jù)的每位具體含義。由于報(bào)文ID決定其優(yōu)先級(jí)，所以需要根據(jù)實(shí)際邏輯確定每一報(bào)文的優(yōu)先級(jí)，鑒于駕駛艙操作部分部件少于1 000件，所以采用標(biāo)準(zhǔn)格式幀，11位的標(biāo)識(shí)符可以表達(dá)211-1等于2 047種報(bào)文，滿足實(shí)際需求。每個(gè)報(bào)文含有8字節(jié)數(shù)據(jù)，由于上位機(jī)負(fù)責(zé)主要邏輯運(yùn)算，所以上位機(jī)應(yīng)能根據(jù)每一個(gè)報(bào)文內(nèi)容精確定位駕駛艙被操作部件，定義其格式如圖3所示。

協(xié)議采用Data0～Data4五個(gè)字節(jié)承載所有信息，信息內(nèi)容包括板號(hào)(Penal Number)、件號(hào)(Component Number)、部件類別(Component Sort)、部件狀態(tài)值(整數(shù)部分和小數(shù)部分)和小數(shù)標(biāo)志位(Dot)。經(jīng)過(guò)整合，共有32塊面板，所以使用5位二進(jìn)制表示面板號(hào)，板號(hào)(PN0～PN4)對(duì)應(yīng)Data3．3～Data3．7；每塊面板上的部件數(shù)均少于128，跳開關(guān)面板上部件最多，為125個(gè)，所以采用7位二進(jìn)制表示件號(hào)，件號(hào)(CN0～CN6)對(duì)應(yīng)Data4．O～Data4．6；根據(jù)部件輸出狀態(tài)將其分為5類，分別是按鈕、波段開關(guān)、電位器、顯示屏和跳開關(guān)，所以用3位二進(jìn)制表示件類別，部件類別(CS0～CS2)對(duì)應(yīng)Data3．O～Data3．2；部件狀態(tài)值整數(shù)部分(Int0～I(xiàn)nt15)對(duì)應(yīng)Data1．0～Data1.7和Data2.0～Data2.7，狀態(tài)值小數(shù)部分(Dec0～Dec7)對(duì)應(yīng)Data0.0～Data0．7，小數(shù)標(biāo)志位(Dot)對(duì)應(yīng)data4．7。

4．2 通信實(shí)現(xiàn)

CAN總線節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)主要分為三部分，分別是初始化設(shè)置、發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)。初始化CAN控制器的一般步驟如下：

(1)將SFRPAGE寄存器設(shè)置為CAN0_PAGE；

(2)將CAN0CN寄存器中的INIT和CCE位設(shè)置為1；

(3)設(shè)置位定時(shí)寄存器和BRP擴(kuò)展寄存器中的時(shí)序參數(shù)；

(4)初始化每個(gè)消息對(duì)象或?qū)⑵銶sgVal位設(shè)置為無(wú)效；

(5)將INIT位清零。接收數(shù)據(jù)有查詢和中斷兩種方式，本文在設(shè)計(jì)時(shí)采用中斷方式。接收數(shù)據(jù)程序流程圖如圖4所示。

當(dāng)總線上有數(shù)據(jù)傳入時(shí)程序進(jìn)入中斷，讀取中斷寄存器的值，該值對(duì)應(yīng)32個(gè)消息對(duì)象中的其中一個(gè)消息號(hào)，將該消息號(hào)寫入IFx命令請(qǐng)求寄存器，讀取IFx報(bào)文控制寄存器，查看標(biāo)志位NewData，值為1表示有新數(shù)據(jù)，值為0表示沒(méi)有新數(shù)據(jù)，讀取完當(dāng)前數(shù)據(jù)后查看數(shù)據(jù)塊結(jié)束標(biāo)識(shí)位Eob，值為1表示數(shù)據(jù)塊結(jié)束，當(dāng)前數(shù)據(jù)接收完成；值為0，表示數(shù)據(jù)塊沒(méi)有結(jié)束，將消息號(hào)增一，繼續(xù)接收下一個(gè)消息對(duì)象中的數(shù)據(jù)，直至接收完成。發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)需配置寄存器，設(shè)定報(bào)文ID，此外還需在將數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)寄存器的時(shí)候，先寫高位后寫低位，即先對(duì)CANODATH賦值，再對(duì)CANODATL賦值，最后將消息號(hào)寫入IFx命令請(qǐng)求寄存器即啟動(dòng)數(shù)據(jù)傳送。

5 結(jié)語(yǔ)

實(shí)際測(cè)試表明，模塊間通信穩(wěn)定，抗干擾性強(qiáng)，且布線簡(jiǎn)潔。該方案已經(jīng)應(yīng)用于機(jī)載電子系統(tǒng)故障診斷模擬機(jī)，雖然該模擬機(jī)是針對(duì)A320機(jī)型，但是該方案也可擴(kuò)展應(yīng)用到其他機(jī)型的模擬機(jī)，具有廣闊的應(yīng)用前景。