根據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規模成為必然趨勢。考慮到各種機型的駕駛艙功能的共性，即系統模塊多、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模塊的操作信息，通過上位機完成邏輯運算，實現駕駛艙功能仿真。駕駛艙仿真設計的原則是穩定，即整個駕駛艙網絡應具備一定的容錯能力，在數據傳輸過程中若產生沖突競爭，則應有一種機制解決沖突，且不丟失數據，而CAN（Co-ntroller Area Network）是一種有效支持分布式控制或實時控制的串行通信網絡，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，以下即從系統總體設計、CAN節點通信接口硬件設計和數據傳輸軟件設計3個方面詳細闡述該方案。

2 系統總體設計

飛機駕駛艙中的顯示部分主要有電子飛行儀表系統（Electronic Flight Instrument System，EFIS），飛機電子中央監控（Electronic Centralized Aircraft Monito-ring，ECAM），分別由3臺觸摸屏顯示器顯示，其顯示邏輯統一由上位機控制。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，基于區域劃分的原則將其進行模塊劃分，每二模塊為一節點。整體架構如圖1所示。

由于各節點間存在邏輯控制關系，所以采用多主方式通信，CAN總線網絡上任一節點均可作為主節點向其他節點發送數據。上位機作為其中一個節點，通過CAN總線智能適配卡與網絡上的各節點進行通信，負責主要的邏輯運算和駕駛艙顯示功能的控制，其他節點不僅完成操作動作的采集，還根據邏輯要求互相控制。

3 CAN節點通信接口硬件電路設計

由于駕駛艙各節點間的控制邏輯復雜，數據量大，通信頻繁，故對各節點主控芯片的存儲容量有較高的要求，且對CAN總線網絡中數據傳輸的穩定性也有較高要求。選取C80C51F040作主控芯片，因其擁有4352B RAM以及64KB的FLASH，滿足程序應用需要。它內部集成CAN控制器，它兼容CAN技術規范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協議控制器和負責報文收發的串行/并行轉換RX/TX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，所有的數據傳輸和接收濾波都是由CAN控制器完成，而不是由CIP51完成。C8051F04O所具備的完善的CAN總線控制器和獨立的CAN信息緩沖區，可以解決MCU（Micro Control Unit）與CAN總線之間串/并轉換、不同節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總線網絡具有較高穩定性提供了可靠的保障。

CAN總線的收發器選用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熱量小（典型數值為370μA），而且其優化的驅動器設計使得信號質量得到進一步改善；為進一步提高系統抗干擾能力，在主控芯片C80C51F040和收發器SN65HVD230之聞加入光耦6N137進行電氣隔離，由于通信信號傳輸到導線的端點時會發生反射，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，提高了系統可靠性。如圖2所示。

4 數據傳輸軟件設計

在CAN總線上發送的每一條報文都具有惟一的一個11位或29位數字ID，當發生沖突時，仲裁器就根據ID值的大小決定優先級最高的ID發送，其他的退出總線。CAN總線狀態取決于二進制數0而不是1，即信號是線“與”關系：當一個節點發送1，另一個節點發送0時，其他節點接收到的是信號0。所以ID值越小，該保報文擁有的優先權越高。

4.1 CAN通信協議設計

通信協議設計主要包括兩部分，確定報文ID和定義報文所含8位數據的每位具體含義。由于報文ID決定其優先級，所以需要根據實際邏輯確定每一報文的優先級，鑒于駕駛艙操作部分部件少于1000件，所以采用標準格式幀，11位的標識符可以表達211-1等于2047種報文，滿足實際需求。每個報文含有8字節數據，由于上位機負責主要邏輯運算，所以上位機應能根據每一個報文內容精確定位駕駛艙被操作部件，定義其格式如圖3所示。

協議采用Data0～Data4五個字節承載所有信息，信息內容包括板號（Penal Number）、件號（Component Number）、部件類別（Component Sort）、部件狀態值（整數部分和小數部分）和小數標志位（Dot）。經過整合，共有32塊面板，所以使用5位二進制表示面板號，板號（PN0～PN4）對應Data3.3～Data3.7；每塊面板上的部件數均少于128，跳開關面板上部件最多，為125個，所以采用7位二進制表示件號，件號（CN0～CN6）對應Data4.O～Data4.6；根據部件輸出狀態將其分為5類，分別是按鈕、波段開關、電位器、顯示屏和跳開關，所以用3位二進制表示件類別，部件類別（CS0～CS2）對應Data3.O～Data3.2；部件狀態值整數部分（Int0～Int15）對應Data1.0～Data1.7和Data2.0～Data2.7，狀態值小數部分（Dec0～Dec7）對應Data0.0～Data0.7，小數標志位（Dot）對應data4.7。

4.2 通信實現

CAN總線節點數據傳輸的實現主要分為三部分，分別是初始化設置、發送數據和接收數據。初始化CAN控制器的一般步驟如下：

（1）將SFRPAGE寄存器設置為CAN0_PAGE；

（2）將CAN0CN寄存器中的INIT和CCE位設置為1；

（3）設置位定時寄存器和BRP擴展寄存器中的時序參數；

（4）初始化每個消息對象或將其MsgVal位設置為無效；

（5）將INIT位清零。接收數據有查詢和中斷兩種方式，本文在設計時采用中斷方式。接收數據程序流程圖如圖4所示。

當總線上有數據傳入時程序進入中斷，讀取中斷寄存器的值，該值對應32個消息對象中的其中一個消息號，將該消息號寫入IFx命令請求寄存器，讀取IFx報文控制寄存器，查看標志位NewData，值為1表示有新數據，值為0表示沒有新數據，讀取完當前數據后查看數據塊結束標識位Eob，值為1表示數據塊結束，當前數據接收完成；值為0，表示數據塊沒有結束，將消息號增一，繼續接收下一個消息對象中的數據，直至接收完成。發送數據時需配置寄存器，設定報文ID，此外還需在將數據寫入數據寄存器的時候，先寫高位后寫低位，即先對CANODATH賦值，再對CANODATL賦值，最后將消息號寫入IFx命令請求寄存器即啟動數據傳送。

5 結語

實際測試表明，模塊間通信穩定，抗干擾性強，且布線簡潔。該方案已經應用于機載電子系統故障診斷模擬機，雖然該模擬機是針對A320機型，但是該方案也可擴展應用到其他機型的模擬機，具有廣闊的應用前景。