基于CAN总线的A320模拟器硬件仿真方案研究

　　根据国家建设民航强国的需要， 国内对飞机模拟机的需求不断增大， 但目前国内模拟机研制规模不能满足日益增长的市场需求， 若引进国外模拟机， 则不仅成本高昂， 且不利于技术掌握， 因此扩大模拟机自主研发规模成为必然趋势。考虑到各种机型的驾驶舱功能的共性， 即系统模块多、通信频繁、结构复杂而导致模块间布线繁杂， 以及由此产生的干扰等问题， 提出一种驾驶舱硬件仿真方案， 该方案可以满足驾驶舱各模块间稳定通信， 且简化布线。

　　1  方案确立

　　驾驶舱仿真主要以报文的形式承载各系统模块的操作信息， 通过上位机完成逻辑运算， 实现驾驶舱功能仿真。驾驶舱仿真设计的原则是稳定， 即整个驾驶舱网络应具备一定的容错能力， 在数据传输过程中若产生冲突竞争， 则应有一种机制解决冲突， 且不丢失数据， 而CAN（ Cont roller A rea Netw or k） 是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络， 具有突出的可靠性、实时性和灵活性，基于此选取CAN 总线作为整个驾驶舱网络通信方案。由于飞机驾驶舱结构复杂、功能繁多， 所以需对驾驶舱进行功能模块划分， 各模块间通过CAN 总线进行通信， 以下即从系统总体设计、CAN 节点通信接口硬件设计和数据传输软件设计3 个方面详细阐述该方案。

　　2  系统总体设计

　　飞机驾驶舱中的显示部分主要有电子飞行仪表系统（ Elect ronic Flight Inst rument System, EFIS） , 飞机电子中央监控（ Elect ronic Cent ralized Aircraft Mo nitoring , ECAM）， 分别由3 台触摸屏触摸屏

显示器显示， 其显示逻辑统一由上位机控制。操作部分有顶版、中央操纵台、遮光板， 侧杆， 这4 部分全部由硬件实现， 基于区域划分的原则将其进行模块划分， 每一模块为一节点。整体架构如图1 所示。

图1  整体架构图

　　由于各节点间存在逻辑控制关系， 所以采用多主方式通信， CAN 总线网络上任一节点均可作为主节点向其他节点发送数据。上位机作为其中一个节点， 通过CAN 总线智能适配卡与网络上的各节点进行通信， 负责主要的逻辑运算和驾驶舱显示功能的控制， 其他节点不仅完成操作动作的采集， 还根据逻辑要求互相控制。

　　3  CAN 节点通信接口硬件电路设计

　　由于驾驶舱各节点间的控制逻辑复杂， 数据量大，通信频繁， 故对各节点主控芯片的存储容量有较高的要求， 且对CAN 总线网络中数据传输的稳定性也有较高要求。选取C80C51F040 作主控芯片， 因其拥有4 352 B RAM 以及64 KB 的FLA SH, 满足程序应用需要。它内部集成CAN 控制器， 它兼容CAN 技术规范2. 0A 和2. 0B, 主要由CAN 内核、消息RAM（ 独立于CIP51 的RAM） 、消息处理单元和控制寄存器组成。

　　CAN 内核由CAN 协议控制器和负责报文收发的串行/ 并行转换RX/ T X 移位寄存器组成。消息RAM 用于存储报文目标和每个目标的仲裁掩码。这种CAN处理器有32 个随意配置为发送和接收的报文目标， 并且每一个报文目标都有自己的识别掩码， 所有的数据传输和接收滤波都是由CAN 控制器完成， 而不是由CIP51 完成。C8051F040 所具备的完善的CAN 总线控制器和独立的CAN 信息缓冲区， 可以解决MCUMCU

（ MicroCo nt ro l U nit ） 与CAN 总线之间串/ 并转换、不同节点间波特率误差的校正、以及MCU 与CAN 总线通信的冲突竞争和同步等问题， 为CAN 总线网络具有较高稳定性提供了可靠的保障。

　　CAN 总线的收发器选用TI 公司的SN65HVD230芯片， 该芯片正常模式下的低电流设计使得芯片的发热量小（ 典型数值为370 A）， 而且其优化的驱动器设计使得信号质量得到进一步改善； 为进一步提高系统抗干扰能力， 在主控芯片C80C51F040 和收发器SN65HVD230 之间加入光耦光耦

6N137 进行电气隔离， 由于通信信号传输到导线的端点时会发生反射， 反射信号会干扰正常信号的传输， 因而总线两端接有终端电阻电阻

　　电阻，物质对电流的阻碍作用就叫该物质的电阻。电阻小的物质称为电导体，简称导体。电阻大的物质称为电绝缘体，简称绝缘体。 [全文]

以消除反射信号， 有效隔离CAN 总线上的干扰信号， 提高了系统可靠性。如图2 所示。

图2  CAN 节点通信接口原理图

　　4  数据传输软件设计

　　在CAN 总线上发送的每一条报文都具有惟一的一个11 位或29 位数字ID, 当发生冲突时， 仲裁器就根据ID 值的大小决定优先级最高的ID 发送， 其他的退出总线。CAN 总线状态取决于二进制数0 而不是1, 即信号是线“与”关系： 当一个节点发送1, 另一个节点发送0 时， 其他节点接收到的是信号0。所以ID 值越小，该保报文拥有的优先权越高。

　　4. 1  CAN 通信协议设计

　　通信协议设计主要包括两部分， 确定报文ID 和定义报文所含8 位数据的每位具体含义。由于报文ID 决定其优先级， 所以需要根据实际逻辑确定每一报文的优先级， 鉴于驾驶舱操作部分部件少于1 000 件， 所以采用标准格式帧， 11 位的标识符可以表达211 - 1 等于2 047种报文， 满足实际需求。每个报文含有8 字节数据， 由于上位机负责主要逻辑运算， 所以上位机应能根据每一个报文内容精确定位驾驶舱被操作部件， 定义其格式如图3 所示。

图3  报文数据功能定义

　　协议采用Data0~ Data4 五个字节承载所有信息，信息内容包括板号（ Penal Number ） 、件号（ Compo nentNumber） 、部件类别（ Component Sor t） 、部件状态值（ 整数部分和小数部分） 和小数标志位（ Do t ） 。经过整合，共有32 块面板， 所以使用5 位二进制表示面板号， 板号（ PN0~ PN4） 对应Data3. 3~ Data3. 7; 每块面板上的部件数均少于128, 跳开关开关

面板上部件最多， 为125 个， 所以采用7 位二进制表示件号， 件号（ CN0~ CN6） 对应Data4. 0~ Data4. 6; 根据部件输出状态将其分为5 类，分别是按钮、波段开关波段开关

　　波段开关，是一个很古老的名字。实际上应该叫做多刀多掷开关，因为它不仅仅能做波段开关，也能做其它的用途。至于需要多少刀（就是多少组触点），看你的电路的需要。当然至少两组以上，才能称为波段开关。至于需要多少掷（就是多少个档位），也要根据你的需要。从2档到10多档的都有哈。你的老师没有告诉你买多少组触点的，多少档位的。如果仅仅作波段开关，则是少4组触点，最多6组触点足够。档位的话，有多少个波段，就需要多少的档位，至少2档吧。“波段开关”的型式也是多样的，常见的是旋转式的，也有推拉式的，还有按键（琴键）式的。体积也是有大有小。自己选择了哈。 [全文]

、电位器电位器

　　电位器是一种可调的电子元件。用于分压的可变电阻器。在裸露的电阻体上，紧压着一至两个可移金属触点。触点位置确定电阻体任一端与触点间的阻值。按材料分线绕、炭膜、实芯式电位器；按输出与输入电压比与旋转角度的关系分直线式电位器(呈线性关系)、函数电位器(呈曲线关系)。主要参数为阻值、容差、额定功率。广泛用于电子设备，在音响和接收机中作音量控制用。 [全文]

、显示屏和跳开关， 所以用3 位二进制表示件类别， 部件类别（ CS0~ CS2） 对应Data3. 0~ Data3. 2; 部件状态值整数部分（ Int0~ Int15）对应Data1. 0~ Data1. 7 和Data2. 0~ Data2. 7, 状态值小数部分（ Dec0~ Dec7） 对应Data0. 0~ Data0. 7, 小数标志位（ Dot ） 对应data4. 7。

　　4. 2  通信实现

　　CAN 总线节点数据传输的实现主要分为三部分，分别是初始化设置、发送数据和接收数据。初始化CAN 控制器的一般步骤如下：

　　（ 1） 将SFRPAGE 寄存器设置为CA N0_PA GE;

　　（ 2） 将CAN0CN 寄存器中的IN IT 和CCE 位设置为1;

　　（ 3） 设置位定时寄存器和BRP 扩展寄存器中的时序参数；

　　（ 4） 初始化每个消息对象或将其MsgVal 位设置为无效；

　　（ 5） 将INIT 位清零。接收数据有查询和中断两种方式， 本文在设计时采用中断方式。接收数据程序流程图如图4 所示。

　　当总线上有数据传入时程序进入中断， 读取中断寄存器的值， 该值对应32 个消息对象中的其中一个消息号， 将该消息号写入IFx 命令请求寄存器， 读取IFx 报文控制寄存器， 查看标志位NewData, 值为1 表示有新数据， 值为0 表示没有新数据， 读取完当前数据后查看数据块结束标识位Eob, 值为1 表示数据块结束， 当前数据接收完成； 值为0, 表示数据块没有结束， 将消息号增一， 继续接收下一个消息对象中的数据， 直至接收完成。发送数据时需配置寄存器， 设定报文ID, 此外还需在将数据写入数据寄存器的时候， 先写高位后写低位，即先对CAN 0DAT H 赋值， 再对CAN0DAT L 赋值， 最后将消息号写入IFx 命令请求寄存器即启动数据传送。

图4  数据接收流程图

　　5  结 语

　　实际测试表明， 模块间通信稳定， 抗干扰性强， 且布线简洁。该方案已经应用于机载电子系统故障诊断模拟机， 虽然该模拟机是针对A320 机型， 但是该方案也可扩展应用到其他机型的模拟机， 具有广阔的应用前景。