基于CAN的大客飛機航電系統(tǒng)局域網(wǎng)通信設(shè)計

摘要：提出一種基于CAN總線的大客飛機航電系統(tǒng)局域網(wǎng)通信仿真系統(tǒng)設(shè)計方法，探討了CAN總線在航電總線中應(yīng)用的優(yōu)點及可能性。仿真系統(tǒng)硬件通過CAN總線通信卡及工控機實現(xiàn)，軟件通過模塊化設(shè)計方法實現(xiàn)。通信仿真系統(tǒng)實現(xiàn)了各子系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)的傳送、處理，以及相關(guān)信息的實時顯示。應(yīng)用表明，局域網(wǎng)通信系統(tǒng)工作正常、性能良好，能實現(xiàn)測試設(shè)備之間高速率的數(shù)據(jù)傳輸與轉(zhuǎn)換，具有良好的實用價值。
關(guān)鍵詞：大客飛機；CAN總線；局域網(wǎng)通信；CAN總線通信卡

0 引言
    在大客飛機機載設(shè)備中，大量信息在系統(tǒng)與系統(tǒng)、系統(tǒng)與部件之間傳遞。為了讓機載設(shè)備之間完成實時、準確地通信，盡量減少航電系統(tǒng)電氣連線的復(fù)雜性，提高航電系統(tǒng)控制的靈活性，而能與其他子系統(tǒng)進行合理通信，必須選用一種合適的總線承擔此任務(wù)。CAN(Controll er Area Network)總線以其獨特的設(shè)計思想、優(yōu)良的性能和極高的可靠性，足以完成上述任務(wù)，所以選用CAN總線來開發(fā)航電系統(tǒng)局域網(wǎng)通信仿真系統(tǒng)，這是CAN總線在航空領(lǐng)域應(yīng)用的一次新的嘗試。
    文中采用CAN總線仿真大客飛機航電系統(tǒng)局域網(wǎng)通信，是以CAN總線為傳輸總線，以工控機作為子系統(tǒng)仿真機的通信系統(tǒng)，采用總線型拓撲結(jié)構(gòu)。其目的在于仿真飛機某些子系統(tǒng)的功能、總線通信情況，測試整個仿真系統(tǒng)的工作情況，重點檢驗系統(tǒng)工作狀態(tài)和邏輯時序的正確性，為CAN總線在航空領(lǐng)域的應(yīng)用提供案例。

1 仿真系統(tǒng)的功能
    CAN總線通信仿真系統(tǒng)分為六個子系統(tǒng)，仿真系統(tǒng)需要實現(xiàn)子系統(tǒng)之間實時準確的數(shù)據(jù)傳輸，根據(jù)用戶需求設(shè)置系統(tǒng)的通信參數(shù)，如通信速率、通信方式、發(fā)送方式等，顯示系統(tǒng)參數(shù)、本機參數(shù)、通信參數(shù)，實時顯示系統(tǒng)接收的最新數(shù)據(jù)，保存通信記錄。
    CAN總線通信仿真系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成。硬件主要包括PCI_CAN通信接口板、仿真計算機、總線分線盒及CAN總線等，采用總線型拓撲結(jié)構(gòu)。軟件主要任務(wù)是根據(jù)相應(yīng)工作狀態(tài)對數(shù)據(jù)進行傳輸、處理以及顯示。CAN總線通信仿真系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 仿真系統(tǒng)的硬件設(shè)計
    CAN總線通信卡是硬件設(shè)計的關(guān)鍵部分，主要由CAN總線接口部分、通信控制部分和PCI總線接口部分三大部分組成。電路設(shè)計原理框圖如圖2所示。

    PCI協(xié)議芯片采用PCI9052，采用64 MB雙口RAM緩存，用復(fù)雜可編程邏輯器件CPLD和單片機89C51來控制數(shù)據(jù)的讀寫，以保證數(shù)據(jù)的完整性和時序性；CPLD采用EPM7128；CAN控制器采用SJA1000；收發(fā)器采用82C250；6N137用作光耦隔離。
2．1 CAN總線接口部分
    CAN總線通信卡總線接口電路如圖3所示。

    CAN總線通信控制部分主要由CAN總線控制器SJA1000、高速光耦6N137和CAN驅(qū)動器PCA82C250組成。為了增強CAN總線節(jié)點的抗干擾能力，CAN控制器SJA1000的通信引腳TX0和RX0并不是直接與PCA82C250的TXD和RXD相連，而是在中間加入一級高速光耦6N137，這樣能很好地實現(xiàn)總線上各個CAN節(jié)點之問的電氣隔離，增強了抗干擾能力。光耦電路用的2個電源VCC和VDD必須隔離。電源的完全隔離可采用小功率電源隔離模塊實現(xiàn)。這雖然增加了接口電路的復(fù)雜性，但卻提高了節(jié)點的穩(wěn)定性和安全性。PCA82C250的RS腳上接一個斜率電阻。電阻大小可以根據(jù)總線通信速度適當調(diào)整，一般在16～140 kΩ之間。SJA1000的初始化由單片機來完成，單片機通過控制SJA1000實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送等通信功能。AD0～AD7連接到單片機的P0口，CS連接到單片機的P2．7口，P2．7為0時，單片機CPU的片外存儲器地址可選中SJA1000，CPU通過這些地址可對SJA1000執(zhí)行相應(yīng)的讀／寫操作。SJA1000的RD，WR，ALE分別與單片機的相應(yīng)引腳相連，SJA1000的INT接單片機的INT0，單片機也可通過中斷方式訪問SJA1000。
2．2 通信控制部分
    CAN總線通信控制部分如圖4所示，主要由CAN總線控制器SJA1000、單片機AT89S52和雙口RAMIDT7006組成，負責整個CAN總線通信控制以及和PCI局部總線的互連。雙口RAM作為CAN總線和PCI局部總線交換數(shù)據(jù)時的一個緩沖存儲區(qū)。單片機AT89S52是該通信卡通信控制的核心，它負責與雙口RAM以及CAN控制器SJA1000之間的通信。

    將雙口RAM的INTR和單片機的外部中斷引腳INT1相連，當PCI9052向雙口RAM傳輸完數(shù)據(jù)后，觸發(fā)雙口RAM中斷引腳INTR，進而觸發(fā)單片機中斷，單片機執(zhí)行中斷服務(wù)程序，讀取雙口RAM中的數(shù)據(jù)。為了使SJA1000和AT89S52時鐘同步，將SJA1000的CLKOUT引腳接至AT89S52的時鐘輸入端，作為AT89S52的外部時鐘輸入。SJA1000接收到新的數(shù)據(jù)后，給出中斷信號INT，通過觸發(fā)中斷信號INT0讓單片機實時處理這些數(shù)據(jù)，單片機把這些數(shù)據(jù)處理完成后，寫入雙口RAM指定的存儲單元后，再向雙口RAM的1FFEH單元寫入任意數(shù)據(jù)，即可觸發(fā)雙口RAM左端中斷，使計算機接收數(shù)據(jù)。由于SJA1000的地址數(shù)據(jù)復(fù)用，AD0～AD7可直接將其接到單片機的P0口。雙口RAM地址和數(shù)據(jù)是分開的，通過74LS373和單片機P1口相連。
2．3 PCI總線接口部分
    CAN總線通信卡PCI總線接口連接如圖5所示。
    PCI總線接口電路主要是PCI總線和雙口RAM的連接電路。雙口RAM是PCI總線和CAN總線數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹修D(zhuǎn)站，由于CAN總線相對于PCI總線而言傳輸速度較慢，為了充分利用PCI通道的高速特性，一般要將單片機處理后的CAN總線數(shù)據(jù)暫時緩存在外部存儲器中，當存儲器寫滿時再利用PCI總線的突發(fā)、快速的特性，將存儲器數(shù)據(jù)一次性讀出。這樣，既充分利用了PCI接口的高性能，CPU又能空出時間來進行數(shù)據(jù)處理和顯示等其他操作，從而增強數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性。
    PCI9052本質(zhì)上是一個橋設(shè)備，它把PCI總線對某一段PCI總線地址空間的各種操作(包括讀、寫等)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的局部總線上的操作。把數(shù)據(jù)寫入E2PROM完成后，當板卡上電，PCI9052從E2PROM中讀取數(shù)據(jù)并寫入PCI9052中的PCI寄存器和局部配置寄存器中。PC機(PCI主控設(shè)備)通過讀這些寄存器，得知系統(tǒng)中有多少存儲器以及I／O控制器要求分配相應(yīng)的地址空間，將相應(yīng)的基地址寫入PCI基址寄存器中。假設(shè)本設(shè)計中計算機給PCI9052分配的基地址為0x8400，由局部配置寄存器的值可知，本設(shè)計采用的是I／O映射，且空間大小為FFH，則計算機對I／O空間0x8400H～0x84FFH的訪問，就會通過PCI9052映射到局部空間0x00H～0xFFH。

3 仿真系統(tǒng)的軟件設(shè)計
    系統(tǒng)軟件設(shè)計是在Windows XP環(huán)境下，用VisualC++6．0開發(fā)，采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計方法。軟件主要包括主模塊、初始化模塊、控制模塊、數(shù)據(jù)管理模塊、通信模塊、顯示模塊和通信接口驅(qū)動軟件等。軟件可以通過友好界面為用戶提供通過CAN總線進行通信的雙方的設(shè)備號、端口號、波特率、數(shù)據(jù)等，可以初始化芯片，可以進行復(fù)位操作，可以設(shè)置波特率。向用戶展示CAN總線的通信過程和結(jié)果，體現(xiàn)CAN線協(xié)議的功能。軟件流程圖如圖6所示。

3．1 主模塊
    主模塊通過調(diào)用適當?shù)墓δ苣K，控制系統(tǒng)初始化及整個系統(tǒng)軟件的流程。
3．2 初始化模塊
    初始化模塊通過調(diào)用API函數(shù)進行硬件初始化和軟件初始化。主要完成各子系統(tǒng)之間通信所需要的通道選擇、波特率、幀格式、工作方式、發(fā)送數(shù)據(jù)方式、發(fā)送數(shù)據(jù)周期等初始化設(shè)置。
3．3 控制模塊
    控制模塊主要完成對系統(tǒng)狀態(tài)、通信以及顯示的控制，根據(jù)操作人員的操作及其他系統(tǒng)節(jié)點的相應(yīng)狀態(tài)，確定系統(tǒng)運行狀態(tài)與工作方式的控制與切換、有關(guān)數(shù)據(jù)通信的控制等。
3．4 數(shù)據(jù)管理模塊
    本模塊主要完成系統(tǒng)運行過程中，對將要發(fā)送的數(shù)據(jù)進行實時的編碼，對接收到的有關(guān)數(shù)據(jù)塊進行實時解碼。數(shù)據(jù)處理的主要功能是根據(jù)接口控制文件(ICD)文件數(shù)據(jù)塊的大小，配合發(fā)送、接收模塊完成數(shù)據(jù)幀的封裝和解析。ICD用C++的結(jié)構(gòu)類來表示，并且每個子系統(tǒng)對應(yīng)一個惟一的ICD文件，ICD文件里面存放有多個數(shù)據(jù)，形成數(shù)據(jù)塊。數(shù)據(jù)發(fā)送時通過調(diào)用軟件發(fā)送函數(shù)，將ICD文件中的參數(shù)通過編碼組成對應(yīng)的CAN總線信息幀數(shù)據(jù)場并以字節(jié)的形式進行發(fā)送。
3．5 數(shù)據(jù)通信模塊
    通信模塊通過調(diào)用通信卡上底層的API函數(shù)，配合數(shù)據(jù)發(fā)送和數(shù)據(jù)接收等模塊完成對各個子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收功能。
    CAN協(xié)議規(guī)定數(shù)據(jù)幀每幀最多攜帶8個字節(jié)的數(shù)據(jù)。如果數(shù)據(jù)塊的總字節(jié)數(shù)大于8，那么需要分成多幀傳送，并且準確標示數(shù)據(jù)幀序列號，分辨出幀數(shù)據(jù)場中的數(shù)據(jù)對應(yīng)數(shù)據(jù)塊中的第幾個數(shù)據(jù)。比如在封裝時有可能遇到封裝某一兩字節(jié)數(shù)據(jù)時，本幀目前只能放下一個字節(jié)數(shù)據(jù)，那么本幀將封裝低字節(jié)，而高字節(jié)則被封裝進下一幀。程序中設(shè)計int型變量ordernum標示這種情況的封裝。接收時按封裝的反過程解析數(shù)據(jù)。
3．6 顯示模塊
    顯示界面如圖7所示。

    圖7中左端顯示各子系統(tǒng)ICD文件節(jié)點名稱，右上方顯示該子系統(tǒng)從其他子系統(tǒng)接收到的最新數(shù)據(jù)，右下方顯示收到最新數(shù)據(jù)的物理值及在ICD文件中的屬性。狀態(tài)欄顯示系統(tǒng)狀態(tài)。
3．7 應(yīng)用層協(xié)議
    應(yīng)用層協(xié)議并不屬于軟件編程的范疇，但是CAN 2．0協(xié)議只規(guī)定物理層和鏈路層的標準，沒有規(guī)定應(yīng)用層通信協(xié)議，而數(shù)據(jù)的通信必須按照應(yīng)用層協(xié)議來封裝幀、解析幀。目前有很多成熟的工業(yè)協(xié)議可以選擇，但不完全符合本系統(tǒng)的要求，為此，專門制定了針對本系統(tǒng)的應(yīng)用層協(xié)議。
    本軟件采用擴展格式的數(shù)據(jù)幀進行通信，擴展幀的29位標識符結(jié)構(gòu)設(shè)計如表1所示，應(yīng)用層信息幀格式如表2所示。

    利用本應(yīng)用層協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)，可以從信息幀中獲取數(shù)據(jù)來源、順序、是否為最后一幀等信息，完全滿足了仿真系統(tǒng)通信的需要，較好地完成了各個子系統(tǒng)之間的通信。

4 結(jié)論
    CAN總線具有很好的應(yīng)用前景，它采用非破壞基于優(yōu)先權(quán)仲裁技術(shù)，可實現(xiàn)多主工作方式，傳輸時間短，受干擾概率低，系統(tǒng)靈活、可擴展性強，報文摒除了傳統(tǒng)的源地址、目標地址的概念，僅用標識符來指示功能信息、優(yōu)先級信息，安裝簡單，易于維護，經(jīng)濟性好。該仿真系統(tǒng)已交付使用。使用結(jié)果表明，CAN總線局域網(wǎng)通信卡工作良好，系統(tǒng)工作正常，實現(xiàn)了各子系統(tǒng)之間的通信，人機界面友好，為大客飛機航電綜合控制系統(tǒng)不斷發(fā)展做好技術(shù)和物質(zhì)準備。