摘要： 針對飛機模擬器硬件仿真時系統模塊多、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， 提出一種基于CAN 總線的駕駛艙仿真方案。該方案中上位機負責邏輯運算， 下位機負責操作信息采集， 通過CAN 總線將上、下位機組成一個網絡， 實現駕駛艙功能仿真。闡述系統的總體結構， 設計了整個駕駛艙的數據傳輸協議， 結合實際應用， 給出了節(jié)點中數據收發(fā)模塊的硬件設計結構和數據傳輸軟件實現方法。實際測試結果表明， 該設計布線簡潔， 數據傳輸穩(wěn)定可靠， 達到預期目標。

　　根據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模塊的操作信息， 通過上位機完成邏輯運算， 實現駕駛艙功能仿真。駕駛艙仿真設計的原則是穩(wěn)定， 即整個駕駛艙網絡應具備一定的容錯能力， 在數據傳輸過程中若產生沖突競爭， 則應有一種機制解決沖突， 且不丟失數據， 而CAN（ Cont roller A rea Netw or k） 是一種有效支持分布式控制或實時控制的串行通信網絡， 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， 以下即從系統總體設計、CAN 節(jié)點通信接口硬件設計和數據傳輸軟件設計3 個方面詳細闡述該方案。

　　2  系統總體設計

　　飛機駕駛艙中的顯示部分主要有電子飛行儀表系統（ Elect ronic Flight Inst rument System, EFIS） , 飛機電子中央監(jiān)控（ Elect ronic Cent ralized Aircraft Mo nitoring , ECAM）， 分別由3 臺觸摸屏顯示器顯示， 其顯示邏輯統一由上位機控制。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， 基于區(qū)域劃分的原則將其進行模塊劃分， 每一模塊為一節(jié)點。整體架構如圖1 所示。

圖1  整體架構圖

　　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)送數據。上位機作為其中一個節(jié)點， 通過CAN 總線智能適配卡與網絡上的各節(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， 數據量大，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 總線網絡中數據傳輸的穩(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 協議控制器和負責報文收發(fā)的串行/ 并行轉換RX/ T X 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， 所有的數據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（ 典型數值為370 A）， 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 進行電氣隔離， 由于通信信號傳輸到導線的端點時會發(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， 提高了系統可靠性。如圖2 所示。

圖2  CAN 節(jié)點通信接口原理圖

　　4  數據傳輸軟件設計

　　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 位數字ID, 當發(fā)生沖突時， 仲裁器就根據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 通信協議設計

　　通信協議設計主要包括兩部分， 確定報文ID 和定義報文所含8 位數據的每位具體含義。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)數據， 由于上位機負責主要邏輯運算， 所以上位機應能根據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。

圖3  報文數據功能定義

　　協議采用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（ Compo nentNumber） 、部件類別（ Component Sor t） 、部件狀態(tài)值（ 整數部分和小數部分） 和小數標志位（ Do t ） 。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. 0~ Data4. 6; 根據部件輸出狀態(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. 0~ Data3. 2; 部件狀態(tài)值整數部分（ Int0~ Int15）對應Data1. 0~ Data1. 7 和Data2. 0~ Data2. 7, 狀態(tài)值小數部分（ Dec0~ Dec7） 對應Data0. 0~ Data0. 7, 小數標志位（ Dot ） 對應data4. 7。

　　4. 2  通信實現

　　CAN 總線節(jié)點數據傳輸的實現主要分為三部分，分別是初始化設置、發(fā)送數據和接收數據。初始化CAN 控制器的一般步驟如下：

　?。?1） 將SFRPAGE 寄存器設置為CA N0_PA GE;

　?。?2） 將CAN0CN 寄存器中的IN IT 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；

　?。?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。接收數據有查詢和中斷兩種方式， 本文在設計時采用中斷方式。接收數據程序流程圖如圖4 所示。

　　當總線上有數據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 表示有新數據， 值為0 表示沒有新數據， 讀取完當前數據后查看數據塊結束標識位Eob, 值為1 表示數據塊結束， 當前數據接收完成； 值為0, 表示數據塊沒有結束， 將消息號增一， 繼續(xù)接收下一個消息對象中的數據， 直至接收完成。發(fā)送數據時需配置寄存器， 設定報文ID, 此外還需在將數據寫入數據寄存器的時候， 先寫高位后寫低位，即先對CAN 0DAT H 賦值， 再對CAN0DAT L 賦值， 最后將消息號寫入IFx 命令請求寄存器即啟動數據傳送。

圖4  數據接收流程圖

　　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。