針對飛機模擬器硬件仿真時系統(tǒng)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(chǎn)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(wǎng)絡， 實現(xiàn)駕駛艙功能仿真。闡述系統(tǒng)的總體結構， 設計了整個駕駛艙的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議， 結合實際應用， 給出了節(jié)點中數(shù)據(jù)收發(fā)模塊的硬件設計結構和數(shù)據(jù)傳輸軟件實現(xiàn)方法。實際測試結果表明， 該設計布線簡潔， 數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定可靠， 達到預期目標。
根據(jù)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?？紤]到各種機型的駕駛艙功能的共性， 即系統(tǒng)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(chǎn)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(tǒng)模塊的操作信息， 通過上位機完成邏輯運算， 實現(xiàn)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(wǎng)絡應具備一定的容錯能力， 在數(shù)據(jù)傳輸過程中若產(chǎn)生沖突競爭， 則應有一種機制解決沖突， 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實時控制的串行通信網(wǎng)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(wǎng)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(tǒng)總體設計、CAN 節(jié)點通信接口硬件設計和數(shù)據(jù)傳輸軟件設計3 個方面詳細闡述該方案。
2 系統(tǒng)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(tǒng)( 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(tǒng)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(xiàn)， 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(wǎng)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(shù)據(jù)。上位機作為其中一個節(jié)點， 通過CAN 總線智能適配卡與網(wǎng)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(jù)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(shù)據(jù)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(wǎng)絡中數(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(xié)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(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(wǎng)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(shù)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(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 進行電氣隔離， 由于通信信號傳輸?shù)綄Ь€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(tǒng)可靠性。如圖2 所示。
圖2 CAN 節(jié)點通信接口原理圖
