基于CAN總線的A320模擬器硬件仿真方案研究

     摘要： 針對(duì)飛機(jī)模擬器硬件仿真時(shí)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， 提出一種基于CAN 總線的駕駛艙仿真方案。該方案中上位機(jī)負(fù)責(zé)邏輯運(yùn)算， 下位機(jī)負(fù)責(zé)操作信息采集， 通過(guò)CAN 總線將上、下位機(jī)組成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)， 實(shí)現(xiàn)駕駛艙功能仿真。闡述系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)， 設(shè)計(jì)了整個(gè)駕駛艙的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議， 結(jié)合實(shí)際應(yīng)用， 給出了節(jié)點(diǎn)中數(shù)據(jù)收發(fā)模塊的硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)傳輸軟件實(shí)現(xiàn)方法。實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明， 該設(shè)計(jì)布線簡(jiǎn)潔， 數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定可靠， 達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

　　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(mǎn)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)。考慮到各種機(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(mǎn)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（ Cont roller A rea Netw or k） 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)（ Elect ronic Flight Inst rument System, EFIS） , 飛機(jī)電子中央監(jiān)控（ Elect ronic Cent ralized Aircraft Mo nitoring , 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， 每一模塊為一節(jié)點(diǎn)。整體架構(gòu)如圖1 所示。

圖1  整體架構(gòu)圖

　　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FLA SH, 滿(mǎn)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/ T X 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。C8051F040 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 （ MicroCo nt ro l U nit ） 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370 A）， 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 之間加入光耦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。

圖2  CAN 節(jié)點(diǎn)通信接口原理圖

　　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(mǎn)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。

圖3  報(bào)文數(shù)據(jù)功能定義

　　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)（ Compo nentNumber） 、部件類(lèi)別（ Component Sor t） 、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（ Do t ） 。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(kāi)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. 0~ Data4. 6; 根據(jù)部件輸出狀態(tài)將其分為5 類(lèi)，分別是按鈕、波段開(kāi)關(guān)、電位器、顯示屏和跳開(kāi)關(guān)， 所以用3 位二進(jìn)制表示件類(lèi)別， 部件類(lèi)別（ CS0~ CS2） 對(duì)應(yīng)Data3. 0~ Data3. 2; 部件狀態(tài)值整數(shù)部分（ Int0~ Int15）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CA N0_PA GE;

　　（ 2） 將CAN0CN 寄存器中的IN IT 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(xún)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(xiě)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(xiě)入數(shù)據(jù)寄存器的時(shí)候， 先寫(xiě)高位后寫(xiě)低位，即先對(duì)CAN 0DAT H 賦值， 再對(duì)CAN0DAT L 賦值， 最后將消息號(hào)寫(xiě)入IFx 命令請(qǐng)求寄存器即啟動(dòng)數(shù)據(jù)傳送。

圖4  數(shù)據(jù)接收流程圖

　　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。