冗余CAN总线在机电管理系统中的应用研究

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1、第40卷第2期2010年3月航空计算技术AeronauticalComputingTechniqueV01．40No．2Mar．2010冗余CAN总线在机电管理系统中的应用研究李军，李林，张晓艳(中国航空计算技术研究所，陕西西安710068)摘要：CAN总线作为现场总线的一种，已在多个军用和民用领域得到了广泛的应用和推广。针对机电管理系统的实时数据采集、实时控制及综合化的设计需求，设计和实现基于冗余CAN总线的分布式机电管理系统的系统构型，重点阐述了系统的容错管理、机电CAN总线的容错及总线调度策

2、略。关键词：CAN总线；机电管理系统；冗余；调度中图分类号：TP336文献标识码：A文章编号：1671．654X(2010)02．0105-03引言飞机机电系统是指作为支持飞机正常、安全飞行的航空机载设备。随着机电系统管理高度综合化的设计需求，机电管理系统与机电子系统之间需要交互的信息量越来越大，飞机对于机载设备资源利用的性价比和费效比也提出了更高的要求，因此基于总线实现系统的综合管理成为一种趋势。CAN总线作为工业现场总线的一种，因其具有较高的位速率和极高的抗电磁干扰能力，能侦测和处理产生的任何

3、总线错误，并且具有高可靠性、实时性和灵活性，因此被广泛地应用环境监测、电力系统监测、野外考察及日常生活中。本文提出了一种基于冗余CAN总线的分布式机电综合管理系统构型和设计方法。1机电管理系统组成机载机电管理系统是一个多任务分布式实时控制系统，其中主要包括机载环境控制系统、刹车系统、电源系统、燃油管理系统及液压系统等执行飞机保障功能的子系统。机电系统总线的网络拓扑可设计为非对称型主从式网络结构，机电管理系统以机电管理控制处理器节点(以下简称控制器节点)为核心，统一管理和监控各机电子系统，保证飞机安

4、全飞行。在系统功能上，控制器节点主要负责调度机电系统的数据采集和控制输出，并进行系统高度综合管理及机电数据融合，实时向飞机航电系统和飞行员报告各机电子系统的运行状态。各机电子系统则称为子节点，各子节点周期接收控制器的数据请求指令，实时进行机电数据的采集，实时响应机电管理的输出控制命令。在传统的集中式系统构架中，当控制器出现故障时，整个系统通讯和机电数据综合中断，系统出现瘫痪现象。由于机电管理系统出现硬件故障的可能性较高，因此需要采取硬件容错技术以确保其稳定性。硬件容错最有效的途径就是增加系统的硬件

5、资源，即冗余技术。因此系统通过两种途径来实现系统的可靠性：第一，各个子节点和控制器之间设置两条CAN总线实现机电系统的开放式互联，以保证通讯畅通和稳定。第二，通过冗余控制器(主、备控制器)保证整个系统在出现故障的情况的下仍能坚持工作。机电管理系统的组成如图l所示，机电管理系统的控制器为冗余设计，系统中机电总线A和B互为冗余，各节点通过双通道CAN接口与冗余CAN总线A和B相连接。系统在正常状态下，只有一个主控制器和一条CAN总线在工作，当一个控制器故障时备控制器接管系统管理工作，或者当一个CAN总

6、线故障时，控制器启动备用CAN总线完成对整个系统的控制。2冗余CAN总线设计2．1总线接口设计为避免单一失效引起的系统全部功能丧失，系统采用了冗余CAN总线网络，基本设计思路就是在各功能模块之间布下两条基于CAN总线协议的系统总线，每个模块的硬件采用两个完全独立的CAN通道，两个通道的收发控制完全独立，冗余管理由软件来实现。冗余CAN总线的结构如图2所示。收稿日期：2009—09—21作者简介：李军(1977一)男，陕西彬县人，工程师，研究方向为计算机及应用。航空计算技术第40卷第2期处理器飞行座

7、舱显示接口1．▲‘J主控制器l备控制器。一IlCANllCAN2ll(：ANlCAN2．鼍．吖．■■L1J．T二T上·T·T-·上T一^工^’L^工^工一rLl工llCANllIcAN2IlCAN1l

8、CAN2IICANlIICAN2IICANl

9、JCAN2lJCANllIcAN2

10、环控系统子节点燃油系统子节点刹车系统子节点液压系统子节点电源系统子节点控制器】

11、HI光藕电路H收发器兰竺墨!H查塑皇兰H些奎兰图2双冗余CAN接口结构图1机电管理系统组成在每个子节点和主、备控制器中设计两路CAN通讯通

12、道，每路CAN通道配置一个CAN总线收发器和一个CAN控制器。两个CAN控制器通过“通道切换逻辑机制”进行通道间切换，通过“总线切换逻辑机制”进行总线问切换。系统正常工作时只有一路CAN通道和一路CAN总线承担数据传输的作用，当总线出现通讯故障时，处理器根据CAN总线的错误类型选择切换到另一CAN通道或是另一CAN总线。2．2通讯容错和故障处理系统在启动之后首先对总线进行初始化，使得两条总线都具有通信能力。CAN总线的通信可选择双工或主备工作模式(类似1553B总线的工作模式)。当