基于CAN總線的航空電纜測試系統(tǒng)分布機研究

摘要：針對航空電纜數(shù)量多，類型和結(jié)構(gòu)復(fù)雜，電纜接頭多樣化等特點，提出一種基于CAN總線的分布式柔性電纜測試系統(tǒng)，詳細(xì)介紹分布機中的關(guān)鍵模塊基于CPLD的大規(guī)模矩陣開關(guān)板的設(shè)計方案，給出硬件實現(xiàn)方法和部分通信程序流程。該系統(tǒng)擴展方便，測試速度快，在以航空電纜為代表的復(fù)雜電纜測試中具有廣泛的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞：電纜測試系統(tǒng)；分布機；CPLD；CAN總線

0 引言
    航空電纜是飛機的神經(jīng)系統(tǒng)，連接著飛機電氣、航電、火控、操縱等各系統(tǒng)，為飛機各部件提供動力電源、控制信號和數(shù)據(jù)信息。受飛機機身空間的限制，電纜系統(tǒng)布線一般都集中于狹小的機壁內(nèi)，飛機機壁內(nèi)幾乎遍布導(dǎo)線，因此航空電纜系統(tǒng)要求高可靠、高集成、高輕便；由于導(dǎo)線種類繁多，各類電源線、高低頻信號線、數(shù)據(jù)線混雜在一起，長度可達數(shù)百公里，電氣環(huán)境十分復(fù)雜，從而使其潛在故障增多，許多空難事故和飛行器故障都直接或間接與電纜系統(tǒng)故障有關(guān)，因此，航空電纜的“健康”是飛機安全運行的重要保障，電纜安全問題尤為重要。但是國內(nèi)對于航空全機電纜測試技術(shù)的研發(fā)比較欠缺，遠落后于國外已處于常規(guī)應(yīng)用的現(xiàn)狀。
    根據(jù)飛機全機電纜分布距離長(近百米)、點數(shù)多(3萬點以上)的測試要求，本文提出一種基于CAN總線的分布式柔性電纜測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有測試點數(shù)可擴展性、基于電纜智能識別的測試柔性、分布式測試端多點激勵性等優(yōu)點，可滿足大客、大運等飛機總裝和維修部門的檢測需求。

1 基于CAN總線的測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
    CAN總線是一種有效支持分布式控制的串行通信總線，結(jié)構(gòu)簡單，可靠性和數(shù)據(jù)傳輸速率高，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的結(jié)點個數(shù)在理論上不受限制，各節(jié)點之間可以實現(xiàn)自由通信。
    圖1所示為基于CAN總線的分布式電纜測試系統(tǒng)，由主機、CAN總線適配卡，CAN總線和分布機組成。

    主機根據(jù)數(shù)據(jù)庫的電纜連接信息和接插件信息生成測試程序，發(fā)布信息并監(jiān)控各個分布機的工作情況、通過測試軟件提供人機交互的界面。主機構(gòu)成原理圖如圖2所示。主機通過CAN總線適配卡與CAN總線通訊，CAN總線適配卡采用RS 232-CAN接口，由MAX232電平轉(zhuǎn)換芯片、AT 89S52單片機、CAN總線控制芯片SJA1000和收發(fā)器TJA1050等組成。SJA1000是一款獨立的控制器，用于汽車和一般工業(yè)環(huán)境中的控制器局域網(wǎng)絡(luò)。TJA1050是CAN協(xié)議控制器和物理總線之間的接口，是一種標(biāo)準(zhǔn)的高速CAN收發(fā)器，可以為總線提供差動發(fā)送功能?？偩€適配卡的基本工作原理是：主機通過RS 232將數(shù)據(jù)發(fā)送至單片機，由單片機按照特定的CAN應(yīng)用協(xié)議通過CAN總線控制器SJA1000和CAN發(fā)送器TJA1050轉(zhuǎn)發(fā)到CAN總線。分布機通過CAN總線實現(xiàn)分布機與主機以及分布機與分布機之間的通信，完成電纜的通斷、電阻、絕緣耐壓以及電容測試和故障定位等功能，在主機的統(tǒng)一調(diào)配下可進行電纜自動識別和非冗余多點激勵測試，從而提高測試速度。

2 分布機的硬件結(jié)構(gòu)
    該系統(tǒng)以模塊化設(shè)計為基礎(chǔ)，每個分布機都具有相同的轉(zhuǎn)接接插件和測試功能，由于系統(tǒng)設(shè)計了電纜特征自動識別電路，并建立了相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息，可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)接電纜盲插功能，所以可滿足大距離分布測點的分布機互換性。分布機的硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

    它由ARM微控制器模塊、CPLD模塊、繼電器矩陣開關(guān)模塊和測試模塊構(gòu)成。每個分布機的測試點容量為3 000點，測試點選擇電路由復(fù)雜可編程器件(CPLD)控制的大規(guī)模繼電器矩陣開關(guān)組成，可以在同一時間實現(xiàn)多路通道之間的電纜檢測。
2．1 ARM微控制器
    分布機選用LPC2290ARM芯片作為主控制器，LPC2290片上資源豐富，可以滿足該系統(tǒng)對于測試電路的控制需求，并且可以減少系統(tǒng)硬件設(shè)計的復(fù)雜度，支持JTAG實時仿真，開發(fā)調(diào)試方便。同時LPC2290內(nèi)部集成2路CAN控制器又可使其作為CAN總線的節(jié)點，省去了CAN控制器外圍電路的設(shè)計，減少干擾。其內(nèi)置的CAN控制器符合CAN 2．0B，ISO11898—1總線規(guī)范，總線的數(shù)據(jù)波特率可達1 Mb／s，可訪問32位的寄存器和RAM，全局驗收過濾器可識別幾乎所有總線的11和29位R標(biāo)識符，驗收過濾器為可選擇的標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)識符提供了FullCAN—style自動接收。CAN控制器的驅(qū)動電路依然選擇收發(fā)器TJA1050，并在ARM和收發(fā)器之間加入DC-DC電源隔離模塊和2路高速光耦器6N137組成的隔離電路，確保在CAN總線遭受嚴(yán)重干擾時控制器能夠正常工作。
2．2 測試電路模塊
    測試電路模塊由高精度萬用表板卡完成通斷測試、絕緣測試、電容測試和故障定位等相關(guān)電纜測試的功能，分布機的主控制器LPC2290根據(jù)測試命令通過控制開關(guān)切換系統(tǒng)將測試電路加載到所需激勵電纜測試端口，并采集響應(yīng)端口的信息。
2．3 地址選通控制CPLD模塊設(shè)計
    可編程邏輯器件已得到廣泛的應(yīng)用，為數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計帶來極大的靈活性，可以通過軟件編程對其硬件結(jié)構(gòu)和工作方式進行重構(gòu)，從而使硬件設(shè)計如同軟件設(shè)計那樣方便快捷。CPLD內(nèi)部有大量的門電路，適于實現(xiàn)復(fù)雜的組合邏輯。
2．3．1 CPLD功能實現(xiàn)
    分布機利用CPLD實現(xiàn)主控制器LPC2290 I／O口擴展，主控制器只需把待測電纜地址通過串行接口SPI發(fā)送給CPID，由CPLD控制繼電器矩陣開關(guān)進行選通。CPLD采甩Altera公司的MAXⅡ系列的EPM570ZM256C6，具有160個通用I／O口。開發(fā)工具采用Altera公司推出的綜合性PLD開發(fā)軟件QuartusⅡ。根據(jù)分布機測點容量需求，CPLD設(shè)計成一個150位串入并出的移位寄存器和一個150位的輸出鎖存器，寄存器與輸出鎖存器的控制相互獨立，綜合后的功能模塊如圖4所示。其中，CLK為移位寄存器的時鐘輸入，數(shù)據(jù)在上升沿時讀入；SI是串行輸入口；SO為串行輸出，用于進行級聯(lián)；LAT是輸出鎖存器控制信號，數(shù)據(jù)在其上升沿時輸出；EN為使能端，高電平使能輸出，低電平則使輸出為高阻態(tài)。20片CPLD級聯(lián)可以使分布機實現(xiàn)3 000點的測試容量。

2．3．2 LPC2290對CPLD的控制
    LPC2290通過SPI接口控制CPLD，連接原理圖如圖5所示。
    該系統(tǒng)中SPI總線操作的流程圖如圖6所示。LPC2290的SPI接口數(shù)據(jù)傳輸格式的設(shè)置要與CPLD數(shù)據(jù)傳輸格式相符合，即SPCR=0x30，SPI接口每次發(fā)送一個字節(jié)的數(shù)據(jù)，在本系統(tǒng)中需要做375次循環(huán)，可實現(xiàn)3 000位數(shù)據(jù)的串入并出。

    關(guān)鍵程序代碼如下所示：
   
2．4 繼電器矩陣開關(guān)設(shè)計
    矩陣開關(guān)的主要作用是實現(xiàn)對測試點的導(dǎo)通選擇以及將測試電路切換到相應(yīng)的通道。與CPLD相對應(yīng)，矩陣開關(guān)以150個點為單位。
    繼電器作為測點通斷的執(zhí)行元件，其可靠性和反應(yīng)速度直接影響整個系統(tǒng)的性能，選擇具有高可靠性、高信號隔離度和性能穩(wěn)定等特點的12 V繼電器EC2—12作為切換控制繼電器。EC2—12是單線圈自鎖繼電器，當(dāng)輸入+12 V激勵時繼電器閉合，并且狀態(tài)會一直保持，直到-12 V激勵到來時繼電器才會打開。選擇L298N組成繼電器驅(qū)動電路，該驅(qū)動電路能將TTL邏輯電平信號轉(zhuǎn)換為本系統(tǒng)所需的±12 V電壓，實現(xiàn)繼電器的置位和復(fù)位。利用每一EC2—12的2個常開點(K1和K2是繼電器1和繼電器2常開點)控制2個(例如0和1)測點，每一對繼電器控制兩個測點位置(繼電器1控制輸出端，繼電器2控制輸入端)，其原理圖如圖7所示。測試電路經(jīng)切換開關(guān)接到輸入和輸出端，實現(xiàn)對待測電纜的測試。

3 結(jié)語
    該系統(tǒng)在確定CAN總線工作模式的基礎(chǔ)上，分布機硬件采用模塊化設(shè)計；針對大規(guī)模矩陣開關(guān)模塊的控制方式，提出了基于CPLD的設(shè)計方案，給出硬件實現(xiàn)方法和部分通信程序流程。系統(tǒng)可以根據(jù)待測對象實現(xiàn)測試容量的擴充，使用方便，能夠在主機統(tǒng)一調(diào)配下實現(xiàn)多點激勵，提高測試速度和測試柔性，可應(yīng)用在航空電纜等具有復(fù)雜電纜網(wǎng)絡(luò)的大型設(shè)備場合。