基于CAN總線的航空電纜測試系統分布機淺析

　　航空電纜是飛機的神經系統，連接著飛機電氣、航電、火控、操縱等各系統，為飛機各部件提供動力電源、控制信號和數據信息。受飛機機身空間的限制，電纜系統布線一般都集中于狹小的機壁內，飛機機壁內幾乎遍布導線，因此航空電纜系統要求高可靠、高集成、高輕便;由于導線種類繁多，各類電源線、高低頻信號線、數據線混雜在一起，長度可達數百公里，電氣環境十分復雜，從而使其潛在故障增多，許多空難事故和飛行器故障都直接或間接與電纜系統故障有關，因此，航空電纜的“健康”是飛機安全運行的重要保障，電纜安全問題尤為重要。但是國內對于航空全機電纜測試技術的研發比較欠缺，遠落后于國外已處于常規應用的現狀。

　　根據飛機全機電纜分布距離長(近百米)、點數多(3萬點以上)的測試要求，本文提出一種基于CAN總線的分布式柔性電纜測試系統。該系統具有測試點數可擴展性、基于電纜智能識別的測試柔性、分布式測試端多點激勵性等優點，可滿足大客、大運等飛機總裝和維修部門的檢測需求。

　　1 基于CAN總線的測試系統結構

　　CAN總線是一種有效支持分布式控制的串行通信總線，結構簡單，可靠性和數據傳輸速率高，網絡內的結點個數在理論上不受限制，各節點之間可以實現自由通信。

　　圖1所示為基于CAN總線的分布式電纜測試系統，由主機、CAN總線適配卡，CAN總線和分布機組成。

　　主機根據數據庫的電纜連接信息和接插件信息生成測試程序，發布信息并監控各個分布機的工作情況、通過測試軟件提供人機交互的界面。主機構成原理圖如圖2所示。主機通過CAN總線適配卡與CAN總線通訊，CAN總線適配卡采用RS 232-CAN接口，由MAX232電平轉換芯片、AT 89S52單片機、CAN總線控制芯片SJA1000和收發器TJA1050等組成。SJA1000是一款獨立的控制器，用于汽車和一般工業環境中的控制器局域網絡。TJA1050是CAN協議控制器和物理總線之間的接口，是一種標準的高速CAN收發器，可以為總線提供差動發送功能。總線適配卡的基本工作原理是：主機通過RS 232將數據發送至單片機，由單片機按照特定的CAN應用協議通過CAN總線控制器SJA1000和CAN發送器TJA1050轉發到CAN總線。分布機通過CAN總線實現分布機與主機以及分布機與分布機之間的通信，完成電纜的通斷、電阻、絕緣耐壓以及電容測試和故障定位等功能，在主機的統一調配下可進行電纜自動識別和非冗余多點激勵測試，從而提高測試速度。

　　

　　2 分布機的硬件結構

　　該系統以模塊化設計為基礎，每個分布機都具有相同的轉接接插件和測試功能，由于系統設計了電纜特征自動識別電路，并建立了相應的數據信息，可以實現轉接電纜盲插功能，所以可滿足大距離分布測點的分布機互換性。分布機的硬件結構如圖3所示。

　　它由ARM微控制器模塊、CPLD模塊、繼電器矩陣開關模塊和測試模塊構成。每個分布機的測試點容量為3 000點，測試點選擇電路由復雜可編程器件(CPLD)控制的大規模繼電器矩陣開關組成，可以在同一時間實現多路通道之間的電纜檢測。

　　2.1 ARM微控制器

　　分布機選用LPC2290ARM芯片作為主控制器，LPC2290片上資源豐富，可以滿足該系統對于測試電路的控制需求，并且可以減少系統硬件設計的復雜度，支持JTAG實時仿真，開發調試方便。同時LPC2290內部集成2路CAN控制器又可使其作為CAN總線的節點，省去了CAN控制器外圍電路的設計，減少干擾。其內置的CAN控制器符合CAN 2.0B，ISO11898—1總線規范，總線的數據波特率可達1 Mb/s，可訪問32位的寄存器和RAM，全局驗收過濾器可識別幾乎所有總線的11和29位R標識符，驗收過濾器為可選擇的標準標識符提供了FullCAN—style自動接收。CAN控制器的驅動電路依然選擇收發器TJA1050，并在ARM和收發器之間加入DC-DC電源隔離模塊和2路高速光耦器6N137組成的隔離電路，確保在CAN總線遭受嚴重干擾時控制器能夠正常工作。

　　2.2 測試電路模塊

　　測試電路模塊由高精度萬用表板卡完成通斷測試、絕緣測試、電容測試和故障定位等相關電纜測試的功能，分布機的主控制器LPC2290根據測試命令通過控制開關切換系統將測試電路加載到所需激勵電纜測試端口，并采集響應端口的信息。

　　2.3 地址選通控制CPLD模塊設計

　　可編程邏輯器件已得到廣泛的應用，為數字系統的設計帶來極大的靈活性，可以通過軟件編程對其硬件結構和工作方式進行重構，從而使硬件設計如同軟件設計那樣方便快捷。CPLD內部有大量的門電路，適于實現復雜的組合邏輯。

　　2.3.1 CPLD功能實現

　　分布機利用CPLD實現主控制器LPC2290 I/O口擴展，主控制器只需把待測電纜地址通過串行接口SPI發送給CPID，由CPLD控制繼電器矩陣開關進行選通。CPLD采甩Altera公司的MAXⅡ系列的EPM570ZM256C6，具有160個通用I/O口。開發工具采用Altera公司推出的綜合性PLD開發軟件QuartusⅡ。根據分布機測點容量需求，CPLD設計成一個150位串入并出的移位寄存器和一個150位的輸出鎖存器，寄存器與輸出鎖存器的控制相互獨立，綜合后的功能模塊如圖4所示。其中，CLK為移位寄存器的時鐘輸入，數據在上升沿時讀入;SI是串行輸入口;SO為串行輸出，用于進行級聯;LAT是輸出鎖存器控制信號，數據在其上升沿時輸出;EN為使能端，高電平使能輸出，低電平則使輸出為高阻態。20片CPLD級聯可以使分布機實現3 000點的測試容量。

　　　2.3.2 LPC2290對CPLD的控制

　　LPC2290通過SPI接口控制CPLD，連接原理圖如圖5所示。

　　該系統中SPI總線操作的流程圖如圖6所示。LPC2290的SPI接口數據傳輸格式的設置要與CPLD數據傳輸格式相符合，即SPCR=0x30，SPI接口每次發送一個字節的數據，在本系統中需要做375次循環，可實現3 000位數據的串入并出。

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　　關鍵程序代碼如下所示：

　　2.4 繼電器矩陣開關設計

　　矩陣開關的主要作用是實現對測試點的導通選擇以及將測試電路切換到相應的通道。與CPLD相對應，矩陣開關以150個點為單位。

　　繼電器作為測點通斷的執行元件，其可靠性和反應速度直接影響整個系統的性能，選擇具有高可靠性、高信號隔離度和性能穩定等特點的12 V繼電器EC2—12作為切換控制繼電器。EC2—12是單線圈自鎖繼電器，當輸入+12 V激勵時繼電器閉合，并且狀態會一直保持，直到-12 V激勵到來時繼電器才會打開。選擇L298N組成繼電器驅動電路，該驅動電路能將TTL邏輯電平信號轉換為本系統所需的±12 V電壓，實現繼電器的置位和復位。利用每一EC2—12的2個常開點(K1和K2是繼電器1和繼電器2常開點)控制2個(例如0和1)測點，每一對繼電器控制兩個測點位置(繼電器1控制輸出端，繼電器2控制輸入端)，其原理圖如圖7所示。測試電路經切換開關接到輸入和輸出端，實現對待測電纜的測試。

　　3 結語

　　該系統在確定CAN總線工作模式的基礎上，分布機硬件采用模塊化設計;針對大規模矩陣開關模塊的控制方式，提出了基于CPLD的設計方案，給出硬件實現方法和部分通信程序流程。系統可以根據待測對象實現測試容量的擴充，使用方便，能夠在主機統一調配下實現多點激勵，提高測試速度和測試柔性，可應用在航空電纜等具有復雜電纜網絡的大型設備場合。