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[導讀] 根據(jù)國家建設民航強國的需要,國內對飛機模擬機的需求不斷增大,但目前國內模擬機研制規(guī)模不能滿足日益增長的市場需求,若引進國外模擬機,則不僅成本高昂,且不利于技術掌

根據(jù)國家建設民航強國的需要,國內對飛機模擬機的需求不斷增大,但目前國內模擬機研制規(guī)模不能滿足日益增長的市場需求,若引進國外模擬機,則不僅成本高昂,且不利于技術掌握,因此擴大模擬機自主研發(fā)規(guī)模成為必然趨勢。考慮到各種機型的駕駛艙功能的共性,即系統(tǒng)模塊多、通信頻繁、結構復雜而導致模塊間布線繁雜,以及由此產生的干擾等問題,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,且簡化布線。

1 方案確立

駕駛艙仿真主要以報文的形式承載各系統(tǒng)模塊的操作信息,通過上位機完成邏輯運算,實現(xiàn)駕駛艙功能仿真。駕駛艙仿真設計的原則是穩(wěn)定,即整個駕駛艙網(wǎng)絡應具備一定的容錯能力,在數(shù)據(jù)傳輸過程中若產生沖突競爭,則應有一種機制解決沖突,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實時控制的串行通信網(wǎng)絡,具有突出的可靠性、實時性和靈活性,基于此選取CAN總線作為整個駕駛艙網(wǎng)絡通信方案。由于飛機駕駛艙結構復雜、功能繁多,所以需對駕駛艙進行功能模塊劃分,各模塊間通過CAN總線進行通信,以下即從系統(tǒng)總體設計、CAN節(jié)點通信接口硬件設計和數(shù)據(jù)傳輸軟件設計3個方面詳細闡述該方案。

2 系統(tǒng)總體設計

飛機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),飛機電子中央監(jiān)控(Electronic Centralized Aircraft Monito-ring,ECAM),分別由3臺觸摸屏顯示器顯示,其顯示邏輯統(tǒng)一由上位機控制。操作部分有頂版、中央操縱臺、遮光板,側桿,這4部分全部由硬件實現(xiàn),基于區(qū)域劃分的原則將其進行模塊劃分,每二模塊為一節(jié)點。整體架構如圖1所示。

由于各節(jié)點間存在邏輯控制關系,所以采用多主方式通信,CAN總線網(wǎng)絡上任一節(jié)點均可作為主節(jié)點向其他節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)。上位機作為其中一個節(jié)點,通過CAN總線智能適配卡與網(wǎng)絡上的各節(jié)點進行通信,負責主要的邏輯運算和駕駛艙顯示功能的控制,其他節(jié)點不僅完成操作動作的采集,還根據(jù)邏輯要求互相控制。

3 CAN節(jié)點通信接口硬件電路設計

由于駕駛艙各節(jié)點間的控制邏輯復雜,數(shù)據(jù)量大,通信頻繁,故對各節(jié)點主控芯片的存儲容量有較高的要求,且對CAN總線網(wǎng)絡中數(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,滿足程序應用需要。它內部集成CAN控制器,它兼容CAN技術規(guī)范2.0A和2.0B,主要由CAN內核、消息RAM(獨立于CIP51的RAM)、消息處理單元和控制寄存器組成。CAN內核由CAN協(xié)議控制器和負責報文收發(fā)的串行/并行轉換RX/TX移位寄存器組成。消息RAM用于存儲報文目標和每個目標的仲裁掩碼。這種CAN處理器有32個隨意配置為發(fā)送和接收的報文目標,并且每一個報文目標都有自己的識別掩碼,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/并轉換、不同節(jié)點間波特率誤差的校正、以及MCU與CAN總線通信的沖突競爭和同步等問題,為CAN總線網(wǎng)絡具有較高穩(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計使得芯片的發(fā)熱量小(典型數(shù)值為370μA),而且其優(yōu)化的驅動器設計使得信號質量得到進一步改善;為進一步提高系統(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進行電氣隔離,由于通信信號傳輸?shù)綄Ь€的端點時會發(fā)生反射,反射信號會干擾正常信號的傳輸,因而總線兩端接有終端電阻以消除反射信號,有效隔離CAN總線上的干擾信號,提高了系統(tǒng)可靠性。如圖2所示。

4 數(shù)據(jù)傳輸軟件設計

在CAN總線上發(fā)送的每一條報文都具有惟一的一個11位或29位數(shù)字ID,當發(fā)生沖突時,仲裁器就根據(jù)ID值的大小決定優(yōu)先級最高的ID發(fā)送,其他的退出總線。CAN總線狀態(tài)取決于二進制數(shù)0而不是1,即信號是線“與”關系:當一個節(jié)點發(fā)送1,另一個節(jié)點發(fā)送0時,其他節(jié)點接收到的是信號0。所以ID值越小,該保報文擁有的優(yōu)先權越高。

4.1 CAN通信協(xié)議設計

通信協(xié)議設計主要包括兩部分,確定報文ID和定義報文所含8位數(shù)據(jù)的每位具體含義。由于報文ID決定其優(yōu)先級,所以需要根據(jù)實際邏輯確定每一報文的優(yōu)先級,鑒于駕駛艙操作部分部件少于1 000件,所以采用標準格式幀,11位的標識符可以表達211-1等于2 047種報文,滿足實際需求。每個報文含有8字節(jié)數(shù)據(jù),由于上位機負責主要邏輯運算,所以上位機應能根據(jù)每一個報文內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~Data4五個字節(jié)承載所有信息,信息內容包括板號(Penal Number)、件號(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)標志位(Dot)。經過整合,共有32塊面板,所以使用5位二進制表示面板號,板號(PN0~PN4)對應Data3.3~Data3.7;每塊面板上的部件數(shù)均少于128,跳開關面板上部件最多,為125個,所以采用7位二進制表示件號,件號(CN0~CN6)對應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、電位器、顯示屏和跳開關,所以用3位二進制表示件類別,部件類別(CS0~CS2)對應Data3.O~Data3.2;部件狀態(tài)值整數(shù)部分(Int0~Int15)對應Data1.0~Data1.7和Data2.0~Data2.7,狀態(tài)值小數(shù)部分(Dec0~Dec7)對應Data0.0~Data0.7,小數(shù)標志位(Dot)對應data4.7。

4.2 通信實現(xiàn)

CAN總線節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崿F(xiàn)主要分為三部分,分別是初始化設置、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寄存器設置為CAN0_PAGE;

(2)將CAN0CN寄存器中的INIT和CCE位設置為1;

(3)設置位定時寄存器和BRP擴展寄存器中的時序參數(shù);

(4)初始化每個消息對象或將其MsgVal位設置為無效;

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

當總線上有數(shù)據(jù)傳入時程序進入中斷,讀取中斷寄存器的值,該值對應32個消息對象中的其中一個消息號,將該消息號寫入IFx命令請求寄存器,讀取IFx報文控制寄存器,查看標志位NewData,值為1表示有新數(shù)據(jù),值為0表示沒有新數(shù)據(jù),讀取完當前數(shù)據(jù)后查看數(shù)據(jù)塊結束標識位Eob,值為1表示數(shù)據(jù)塊結束,當前數(shù)據(jù)接收完成;值為0,表示數(shù)據(jù)塊沒有結束,將消息號增一,繼續(xù)接收下一個消息對象中的數(shù)據(jù),直至接收完成。發(fā)送數(shù)據(jù)時需配置寄存器,設定報文ID,此外還需在將數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)寄存器的時候,先寫高位后寫低位,即先對CANODATH賦值,再對CANODATL賦值,最后將消息號寫入IFx命令請求寄存器即啟動數(shù)據(jù)傳送。

5 結語

實際測試表明,模塊間通信穩(wěn)定,抗干擾性強,且布線簡潔。該方案已經應用于機載電子系統(tǒng)故障診斷模擬機,雖然該模擬機是針對A320機型,但是該方案也可擴展應用到其他機型的模擬機,具有廣闊的應用前景。

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