基于CAN总线的航空电缆测试系统分布机研究

摘要：针对航空电缆数量多，类型和结构复杂，电缆接头多样化等特点，提出一种基于CAN总线的分布式柔性电缆测试系统，详细介绍分布机中的关键模块基于CPLD的大规模矩阵开关板的设计方案，给出硬件实现方法和部分通信程序流程。该系统扩展方便，测试速度快，在以航空电缆为代表的复杂电缆测试中具有广泛的应用前景。
关键词：电缆测试系统；分布机；CPLD；CAN总线

0 引言
    航空电缆是飞机的神经系统，连接着飞机电气、航电、火控、操纵等各系统，为飞机各部件提供动力电源、控制信号和数据信息。受飞机机身空间的限制，电缆系统布线一般都集中于狭小的机壁内，飞机机壁内几乎遍布导线，因此航空电缆系统要求高可靠、高集成、高轻便；由于导线种类繁多，各类电源线、高低频信号线、数据线混杂在一起，长度可达数百公里，电气环境十分复杂，从而使其潜在故障增多，许多空难事故和飞行器故障都直接或间接与电缆系统故障有关，因此，航空电缆的“健康”是飞机安全运行的重要保障，电缆安全问题尤为重要。但是国内对于航空全机电缆测试技术的研发比较欠缺，远落后于国外已处于常规应用的现状。
    根据飞机全机电缆分布距离长(近百米)、点数多(3万点以上)的测试要求，本文提出一种基于CAN总线的分布式柔性电缆测试系统。该系统具有测试点数可扩展性、基于电缆智能识别的测试柔性、分布式测试端多点激励性等优点，可满足大客、大运等飞机总装和维修部门的检测需求。

1 基于CAN总线的测试系统结构
    CAN总线是一种有效支持分布式控制的串行通信总线，结构简单，可靠性和数据传输速率高，网络内的结点个数在理论上不受限制，各节点之间可以实现自由通信。
    图1所示为基于CAN总线的分布式电缆测试系统，由主机、CAN总线适配卡，CAN总线和分布机组成。

    主机根据数据库的电缆连接信息和接插件信息生成测试程序，发布信息并监控各个分布机的工作情况、通过测试软件提供人机交互的界面。主机构成原理图如图2所示。主机通过CAN总线适配卡与CAN总线通讯，CAN总线适配卡采用RS 232-CAN接口，由MAX232电平转换芯片、AT 89S52单片机、CAN总线控制芯片SJA1000和收发器TJA1050等组成。SJA1000是一款独立的控制器，用于汽车和一般工业环境中的控制器局域网络。TJA1050是CAN协议控制器和物理总线之间的接口，是一种标准的高速CAN收发器，可以为总线提供差动发送功能。总线适配卡的基本工作原理是：主机通过RS 232将数据发送至单片机，由单片机按照特定的CAN应用协议通过CAN总线控制器SJA1000和CAN发送器TJA1050转发到CAN总线。分布机通过CAN总线实现分布机与主机以及分布机与分布机之间的通信，完成电缆的通断、电阻、绝缘耐压以及电容测试和故障定位等功能，在主机的统一调配下可进行电缆自动识别和非冗余多点激励测试，从而提高测试速度。

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2 分布机的硬件结构
    该系统以模块化设计为基础，每个分布机都具有相同的转接接插件和测试功能，由于系统设计了电缆特征自动识别电路，并建立了相应的数据信息，可以实现转接电缆盲插功能，所以可满足大距离分布测点的分布机互换性。分布机的硬件结构如图3所示。

    它由ARM微控制器模块、CPLD模块、继电器矩阵开关模块和测试模块构成。每个分布机的测试点容量为3 000点，测试点选择电路由复杂可编程器件(CPLD)控制的大规模继电器矩阵开关组成，可以在同一时间实现多路通道之间的电缆检测。
2．1 ARM微控制器
    分布机选用LPC2290ARM芯片作为主控制器，LPC2290片上资源丰富，可以满足该系统对于测试电路的控制需求，并且可以减少系统硬件设计的复杂度，支持JTAG实时仿真，开发调试方便。同时LPC2290内部集成2路CAN控制器又可使其作为CAN总线的节点，省去了CAN控制器外围电路的设计，减少干扰。其内置的CAN控制器符合CAN 2．0B，ISO11898—1总线规范，总线的数据波特率可达1 Mb／s，可访问32位的寄存器和RAM，全局验收过滤器可识别几乎所有总线的11和29位R标识符，验收过滤器为可选择的标准标识符提供了FullCAN—style自动接收。CAN控制器的驱动电路依然选择收发器TJA1050，并在ARM和收发器之间加入DC-DC电源隔离模块和2路高速光耦器6N137组成的隔离电路，确保在CAN总线遭受严重干扰时控制器能够正常工作。
2．2 测试电路模块
    测试电路模块由高精度万用表板卡完成通断测试、绝缘测试、电容测试和故障定位等相关电缆测试的功能，分布机的主控制器LPC2290根据测试命令通过控制开关切换系统将测试电路加载到所需激励电缆测试端口，并采集响应端口的信息。
2．3 地址选通控制CPLD模块设计
    可编程逻辑器件已得到广泛的应用，为数字系统的设计带来极大的灵活性，可以通过软件编程对其硬件结构和工作方式进行重构，从而使硬件设计如同软件设计那样方便快捷。CPLD内部有大量的门电路，适于实现复杂的组合逻辑。
2．3．1 CPLD功能实现
    分布机利用CPLD实现主控制器LPC2290 I／O口扩展，主控制器只需把待测电缆地址通过串行接口SPI发送给CPID，由CPLD控制继电器矩阵开关进行选通。CPLD采甩Altera公司的MAXⅡ系列的EPM570ZM256C6，具有160个通用I／O口。开发工具采用Altera公司推出的综合性PLD开发软件QuartusⅡ。根据分布机测点容量需求，CPLD设计成一个150位串入并出的移位寄存器和一个150位的输出锁存器，寄存器与输出锁存器的控制相互独立，综合后的功能模块如图4所示。其中，CLK为移位寄存器的时钟输入，数据在上升沿时读入；SI是串行输入口；SO为串行输出，用于进行级联；LAT是输出锁存器控制信号，数据在其上升沿时输出；EN为使能端，高电平使能输出，低电平则使输出为高阻态。20片CPLD级联可以使分布机实现3 000点的测试容量。

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2．3．2 LPC2290对CPLD的控制
    LPC2290通过SPI接口控制CPLD，连接原理图如图5所示。
    该系统中SPI总线操作的流程图如图6所示。LPC2290的SPI接口数据传输格式的设置要与CPLD数据传输格式相符合，即SPCR=0x30，SPI接口每次发送一个字节的数据，在本系统中需要做375次循环，可实现3 000位数据的串入并出。

    关键程序代码如下所示：
   
2．4 继电器矩阵开关设计
    矩阵开关的主要作用是实现对测试点的导通选择以及将测试电路切换到相应的通道。与CPLD相对应，矩阵开关以150个点为单位。
    继电器作为测点通断的执行元件，其可靠性和反应速度直接影响整个系统的性能，选择具有高可靠性、高信号隔离度和性能稳定等特点的12 V继电器EC2—12作为切换控制继电器。EC2—12是单线圈自锁继电器，当输入+12 V激励时继电器闭合，并且状态会一直保持，直到-12 V激励到来时继电器才会打开。选择L298N组成继电器驱动电路，该驱动电路能将TTL逻辑电平信号转换为本系统所需的±12 V电压，实现继电器的置位和复位。利用每一EC2—12的2个常开点(K1和K2是继电器1和继电器2常开点)控制2个(例如0和1)测点，每一对继电器控制两个测点位置(继电器1控制输出端，继电器2控制输入端)，其原理图如图7所示。测试电路经切换开关接到输入和输出端，实现对待测电缆的测试。

3 结语
    该系统在确定CAN总线工作模式的基础上，分布机硬件采用模块化设计；针对大规模矩阵开关模块的控制方式，提出了基于CPLD的设计方案，给出硬件实现方法和部分通信程序流程。系统可以根据待测对象实现测试容量的扩充，使用方便，能够在主机统一调配下实现多点激励，提高测试速度和测试柔性，可应用在航空电缆等具有复杂电缆网络的大型设备场合。