基于C80C51的A320模擬器硬件仿真方案研究解析

　　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(shè)計的原則是穩(wěn)定，即整個駕駛艙網(wǎng)絡(luò)應(yīng)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(yīng)有一種機制解決沖突，且不丟失數(shù)據(jù)，而CAN(Co-ntroller Area Network)是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)，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(luò)通信方案。由于飛機駕駛艙結(jié)構(gòu)復(fù)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(shè)計、CAN節(jié)點通信接口硬件設(shè)計和數(shù)據(jù)傳輸軟件設(shè)計3個方面詳細闡述該方案。

　　2 系統(tǒng)總體設(shè)計

　　飛機駕駛艙中的顯示部分主要有電子飛行儀表系統(tǒng)(Electronic Flight Instrument System，EFIS)，飛機電子中央監(jiān)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(tǒng)一由上位機控制。操作部分有頂版、中央操縱

　　臺、遮光板，側(cè)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，每二模塊為一節(jié)點。整體架構(gòu)如圖1所示。

　　由于各節(jié)點間存在邏輯控制關(guān)系，所以采用多主方式通信，CAN總線網(wǎng)絡(luò)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(luò)上的各節(jié)點進行通信，負責(zé)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(shè)計

　　由于駕駛艙各節(jié)點間的控制邏輯復(fù)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(luò)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FLASH，滿足程序應(yīng)用需要。它內(nèi)部集成CAN控制器，它兼容CAN技術(shù)規(guī)范2.0A和2.0B，主要由CAN內(nèi)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(nèi)核由CAN協(xié)議控制器和負責(zé)報文收發(fā)的串行/并行轉(zhuǎn)換RX/TX移位寄存器組成。消息RAM用于存儲報文目標(biāo)和每個目標(biāo)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(biāo)，并且每一個報文目標(biāo)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。C8051F04O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(Micro Control Unit)與CAN總線之間串/并轉(zhuǎn)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(luò)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(shè)計使得芯片的發(fā)熱量小(典型數(shù)值為370μA)，而且其優(yōu)化的驅(qū)動器設(shè)計使得信號質(zhì)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之聞加入光耦6N137進行電氣隔離，由于通信信號傳輸?shù)綄?dǎo)線的端點時會發(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。

　　4 數(shù)據(jù)傳輸軟件設(shè)計

　　在CAN總線上發(fā)送的每一條報文都具有惟一的一個11位或29位數(shù)字ID，當(dāng)發(fā)生沖突時，仲裁器就根據(jù)ID值的大小決定優(yōu)先級最高的ID發(fā)送，其他的退出總線。CAN總線狀態(tài)取決于二進制數(shù)0而不是1，即信號是線“與”關(guān)系：當(dāng)一個節(jié)點發(fā)送1，另一個節(jié)點發(fā)送0時，其他節(jié)點接收到的是信號0。所以ID值越小，該保報文擁有的優(yōu)先權(quán)越高。

　　4.1 CAN通信協(xié)議設(shè)計

　　通信協(xié)議設(shè)計主要包括兩部分，確定報文ID和定義報文所含8位數(shù)據(jù)的每位具體含義。由于報文ID決定其優(yōu)先級，所以需要根據(jù)實際邏輯確定每一報文的優(yōu)先級，鑒于駕駛艙操作部分部件少于1 000件，所以采用標(biāo)準(zhǔn)格式幀，11位的標(biāo)識符可以表達211-1等于2 047種報文，滿足實際需求。每個報文含有8字節(jié)數(shù)據(jù)，由于上位機負責(zé)主要邏輯運算，所以上位機應(yīng)能根據(jù)每一個報文內(nèi)容精確定位駕駛艙被操作部件，定義其格式如圖3所示。

　　協(xié)議采用Data0～Data4五個字節(jié)承載所有信息，信息內(nèi)容包括板號(Penal Number)、件號(Component Number)、部件類別(Component Sort)、部件狀態(tài)值(整數(shù)部分和小數(shù)部分)和小數(shù)標(biāo)志位(Dot)。經(jīng)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(yīng)Data3.3～Data3.7;每塊面板上的部件數(shù)均少于128，跳開關(guān)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(yīng)Data4.O～Data4.6;根據(jù)部件輸出狀態(tài)將其分為5類，分別是按鈕、波段開關(guān)、電位器、顯示屏和跳開關(guān)，所以用3位二進制表示件類別，部件類別(CS0～CS2)對應(yīng)Data3.O～Data3.2;部件狀態(tài)值整數(shù)部分(Int0～Int15)對應(yīng)Data1.0～Data1.7和Data2.0～Data2.7，狀態(tài)值小數(shù)部分(Dec0～Dec7)對應(yīng)Data0.0～Data0.7，小數(shù)標(biāo)志位(Dot)對應(yīng)data4.7。

　　4.2 通信實現(xiàn)

　　CAN總線節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崿F(xiàn)主要分為三部分，分別是初始化設(shè)置、發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)。初始化CAN控制器的一般步驟如下：

　　(1)將SFRPAGE寄存器設(shè)置為CAN0_PAGE;

　　(2)將CAN0CN寄存器中的INIT和CCE位設(shè)置為1;

　　(3)設(shè)置位定時寄存器和BRP擴展寄存器中的時序參數(shù);

　　(4)初始化每個消息對象或?qū)⑵銶sgVal位設(shè)置為無效;

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

　　當(dāng)總線上有數(shù)據(jù)傳入時程序進入中斷，讀取中斷寄存器的值，該值對應(yīng)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(biāo)志位NewData，值為1表示有新數(shù)據(jù)，值為0表示沒有新數(shù)據(jù)，讀取完當(dāng)前數(shù)據(jù)后查看數(shù)據(jù)塊結(jié)束標(biāo)識位Eob，值為1表示數(shù)據(jù)塊結(jié)束，當(dāng)前數(shù)據(jù)接收完成;值為0，表示數(shù)據(jù)塊沒有結(jié)束，將消息號增一，繼續(xù)接收下一個消息對象中的數(shù)據(jù)，直至接收完成。發(fā)送數(shù)據(jù)時需配置寄存器，設(shè)定報文ID，此外還需在將數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)傳送。

　　5 結(jié)語

　　實際測試表明，模塊間通信穩(wěn)定，抗干擾性強，且布線簡潔。該方案已經(jīng)應(yīng)用于機載電子系統(tǒng)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(yīng)用到其他機型的模擬機，具有廣闊的應(yīng)用前景。