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(Co-ntroller Area Network)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(Electronic Flight Instrument System，EFIS)，飞机电子中央监控(Electronic Centralized Aircraft Monito-ring，ECAM)，分别由3台触摸屏显示器显示，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，每二模块为一节点。整体架构如图1所示。

    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FLASH，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／TX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。C8051F04O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MCU(Micro Control Unit)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370μA)，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之闻加入光耦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。

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。

    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(Component Number)、部件类别(Component Sort)、部件状态值(整数部分和小数部分)和小数标志位(Dot)。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．O～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、电位器、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．O～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CAN0_PAGE；
    (2)将CAN0CN寄存器中的INIT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CANODATH赋值，再对CANODATL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。

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。