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基于CAN總線的分布式柔性電纜測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)
發(fā)布時(shí)間:2016-10-10 14:12:13瀏覽:次
航空電纜是飛機(jī)的神經(jīng)系統(tǒng),連接著飛機(jī)電氣、航電、火控、操縱等各系統(tǒng),為飛機(jī)各部件提供動(dòng)力電源、控制信號(hào)和數(shù)據(jù)信息。
  受飛機(jī)機(jī)身空間的限制,電纜系統(tǒng)布線一般都集中于狹小的機(jī)壁內(nèi),飛機(jī)機(jī)壁內(nèi)幾乎遍布導(dǎo)線,因此航空電纜系統(tǒng)要求高可靠、高集成、高輕便;
 
  由于導(dǎo)線種類繁多,各類電源線、高低頻信號(hào)線、數(shù)據(jù)線混雜在一起,長(zhǎng)度可達(dá)數(shù)百公里,電氣環(huán)境十分復(fù)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(tǒng)故障有關(guān),因此,航空電纜的“健康”是飛機(jī)安全運(yùn)行的重要保障,電纜安全問(wèn)題尤為重要。但是國(guó)內(nèi)對(duì)于航空全機(jī)電纜測(cè)試技術(shù)的研發(fā)比較欠缺,遠(yuǎn)落后于國(guó)外已處于常規(guī)應(yīng)用的現(xiàn)狀。
 
  根據(jù)飛機(jī)全機(jī)電纜分布距離長(zhǎng)(近百米)、點(diǎn)數(shù)多(3萬(wàn)點(diǎn)以上)的測(cè)試要求,本文提出一種基于CAN總線的分布式柔性電纜測(cè)試系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有測(cè)試點(diǎn)數(shù)可擴(kuò)展性、基于電纜智能識(shí)別的測(cè)試柔性、分布式測(cè)試端多點(diǎn)激勵(lì)性等優(yōu)點(diǎn),可滿足大客、大運(yùn)等飛機(jī)總裝和維修部門(mén)的檢測(cè)需求。
 
  1 基于CAN總線的測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
 
  CAN總線是一種有效支持分布式控制的串行通信總線,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,可靠性和數(shù)據(jù)傳輸速率高,網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的結(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)在理論上不受限制,各節(jié)點(diǎn)之間可以實(shí)現(xiàn)自由通信。
 
  圖1所示為基于CAN總線的分布式電纜測(cè)試系統(tǒng),由主機(jī)、CAN總線適配卡,CAN總線和分布機(jī)組成。
 
 
 
  2 分布機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)
 
  該系統(tǒng)以模塊化設(shè)計(jì)為基礎(chǔ),每個(gè)分布機(jī)都具有相同的轉(zhuǎn)接接插件和測(cè)試功能,由于系統(tǒng)設(shè)計(jì)了電纜特征自動(dòng)識(shí)別電路,并建立了相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息,可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)接電纜盲插功能,所以可滿足大距離分布測(cè)點(diǎn)的分布機(jī)互換性。分布機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。
 
  它由arm微控制器模塊、CPLD模塊、繼電器矩陣開(kāi)關(guān)模塊和測(cè)試模塊構(gòu)成。每個(gè)分布機(jī)的測(cè)試點(diǎn)容量為3 000點(diǎn),測(cè)試點(diǎn)選擇電路由復(fù)雜可編程器件(CPLD)控制的大規(guī)模繼電器矩陣開(kāi)關(guān)組成,可以在同一時(shí)間實(shí)現(xiàn)多路通道之間的電纜檢測(cè)。
 
  2.1 arm微控制器
 
  分布機(jī)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(tǒng)對(duì)于測(cè)試電路的控制需求,并且可以減少系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的復(fù)雜度,支持JTAG實(shí)時(shí)仿真,開(kāi)發(fā)調(diào)試方便。同時(shí)LPC2290內(nèi)部集成2路CAN控制器又可使其作為CAN總線的節(jié)點(diǎn),省去了CAN控制器外圍電路的設(shè)計(jì),減少干擾。其內(nèi)置的CAN控制器符合CAN 2.0B,ISO11898—1總線規(guī)范,總線的數(shù)據(jù)波特率可達(dá)1 Mb/s,可訪問(wèn)32位的寄存器和RAM,全局驗(yàn)收過(guò)濾器可識(shí)別幾乎所有總線的11和29位R標(biāo)識(shí)符,驗(yàn)收過(guò)濾器為可選擇的標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)識(shí)符提供了FullCAN—style自動(dòng)接收。
 
  CAN控制器的驅(qū)動(dòng)電路依然選擇收發(fā)器TJA1050,并在arm和收發(fā)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?chē)?yán)重干擾時(shí)控制器能夠正常工作。
 
  2.2 測(cè)試電路模塊
 
  測(cè)試電路模塊由高精度萬(wàn)用表板卡完成通斷測(cè)試、絕緣測(cè)試、電容測(cè)試和故障定位等相關(guān)電纜測(cè)試的功能,分布機(jī)的主控制器LPC2290根據(jù)測(cè)試命令通過(guò)控制開(kāi)關(guān)切換系統(tǒng)將測(cè)試電路加載到所需激勵(lì)電纜測(cè)試端口,并采集響應(yīng)端口的信息。
 
  2.3 地址選通控制CPLD模塊設(shè)計(jì)
 
  可編程邏輯器件已得到廣泛的應(yīng)用,為數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來(lái)極大的靈活性,可以通過(guò)軟件編程對(duì)其硬件結(jié)構(gòu)和工作方式進(jìn)行重構(gòu),從而使硬件設(shè)計(jì)如同軟件設(shè)計(jì)那樣方便快捷。CPLD內(nèi)部有大量的門(mén)電路,適于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的組合邏輯。
 
  2.3.1 CPLD功能實(shí)現(xiàn)
 
  分布機(jī)利用CPLD實(shí)現(xiàn)主控制器LPC2290 I/O口擴(kuò)展,主控制器只需把待測(cè)電纜地址通過(guò)串行接口SPI發(fā)送給CPID,由CPLD控制繼電器矩陣開(kāi)關(guān)進(jìn)行選通。CPLD采甩Altera公司的MAXⅡ系列的EPM570ZM256C6,具有160個(gè)通用I/O口。開(kāi)發(fā)工具采用Altera公司推出的綜合性PLD開(kāi)發(fā)軟件QuartusⅡ。
 
  根據(jù)分布機(jī)測(cè)點(diǎn)容量需求,CPLD設(shè)計(jì)成一個(gè)150位串入并出的移位寄存器和一個(gè)150位的輸出鎖存器,寄存器與輸出鎖存器的控制相互獨(dú)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(shí)鐘輸入,數(shù)據(jù)在上升沿時(shí)讀入;SI是串行輸入口;SO為串行輸出,用于進(jìn)行級(jí)聯(lián);
 
  LAT是輸出鎖存器控制信號(hào),數(shù)據(jù)在其上升沿時(shí)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(tài)。20片CPLD級(jí)聯(lián)可以使分布機(jī)實(shí)現(xiàn)3 000點(diǎn)的測(cè)試容量。
 
  2.3.2 LPC2290對(duì)CPLD的控制
 
  LPC2290通過(guò)SPI接口控制CPLD,連接原理圖如圖5所示。
 
  該系統(tǒng)中SPI總線操作的流程圖如圖6所示。LPC2290的SPI接口數(shù)據(jù)傳輸格式的設(shè)置要與CPLD數(shù)據(jù)傳輸格式相符合,即SPCR=0x30,SPI接口每次發(fā)送一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù),在本系統(tǒng)中需要做375次循環(huán),可實(shí)現(xiàn)3 000位數(shù)據(jù)的串入并出。
 
  關(guān)鍵程序代碼如下所示:
 
  2.4 繼電器矩陣開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)
 
  矩陣開(kāi)關(guān)的主要作用是實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)試點(diǎn)的導(dǎo)通選擇以及將測(cè)試電路切換到相應(yīng)的通道。與CPLD相對(duì)應(yīng),矩陣開(kāi)關(guān)以150個(gè)點(diǎn)為單位。
 
  繼電器作為測(cè)點(diǎn)通斷的執(zhí)行元件,其可靠性和反應(yīng)速度直接影響整個(gè)系統(tǒng)的性能,選擇具有高可靠性、高信號(hào)隔離度和性能穩(wěn)定等特點(diǎn)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(dāng)輸入+12 V激勵(lì)時(shí)繼電器閉合,并且狀態(tài)會(huì)一直保持,直到-12 V激勵(lì)到來(lái)時(shí)繼電器才會(huì)打開(kāi)。
 
  選擇L298N組成繼電器驅(qū)動(dòng)電路,該驅(qū)動(dòng)電路能將TTL邏輯電平信號(hào)轉(zhuǎn)換為本系統(tǒng)所需的±12 V電壓,實(shí)現(xiàn)繼電器的置位和復(fù)位。利用每一EC2—12的2個(gè)常開(kāi)點(diǎn)(K1和K2是繼電器1和繼電器2常開(kāi)點(diǎn))控制2個(gè)(例如0和1)測(cè)點(diǎn),每一對(duì)繼電器控制兩個(gè)測(cè)點(diǎn)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(cè)試電路經(jīng)切換開(kāi)關(guān)接到輸入和輸出端,實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)電纜的測(cè)試。
 
  3 小結(jié)
 
  該系統(tǒng)在確定CAN總線工作模式的基礎(chǔ)上,分布機(jī)硬件采用模塊化設(shè)計(jì);針對(duì)大規(guī)模矩陣開(kāi)關(guān)模塊的控制方式,提出了基于CPLD的設(shè)計(jì)方案,給出硬件實(shí)現(xiàn)方法和部分通信程序流程。
 
  系統(tǒng)可以根據(jù)待測(cè)對(duì)象實(shí)現(xiàn)測(cè)試容量的擴(kuò)充,使用方便,能夠在主機(jī)統(tǒng)一調(diào)配下實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)激勵(lì),提高測(cè)試速度和測(cè)試柔性,可應(yīng)用在航空電纜等具有復(fù)雜電纜網(wǎng)絡(luò)的大型設(shè)備場(chǎng)合。
 
  主機(jī)根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)的電纜連接信息和接插件信息生成測(cè)試程序,發(fā)布信息并監(jiān)控各個(gè)分布機(jī)的工作情況、通過(guò)測(cè)試軟件提供人機(jī)交互的界面。主機(jī)構(gòu)成原理圖如圖2所示。
 
  主機(jī)通過(guò)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(zhuǎn)換芯片、AT 89S52單片機(jī)、CAN總線控制芯片SJA1000和收發(fā)器TJA1050等組成。SJA1000是一款獨(dú)立的控制器,用于汽車(chē)和一般工業(yè)環(huán)境中的控制器局域網(wǎng)絡(luò)。
 
  TJA1050是CAN協(xié)議控制器和物理總線之間的接口,是一種標(biāo)準(zhǔn)的高速CAN收發(fā)器,可以為總線提供差動(dòng)發(fā)送功能??偩€適配卡的基本工作原理是:主機(jī)通過(guò)RS 232將數(shù)據(jù)發(fā)送至單片機(jī),由單片機(jī)按照特定的CAN應(yīng)用協(xié)議通過(guò)CAN總線控制器SJA1000和CAN發(fā)送器TJA1050轉(zhuǎn)發(fā)到CAN總線。
 
  分布機(jī)通過(guò)CAN總線實(shí)現(xiàn)分布機(jī)與主機(jī)以及分布機(jī)與分布機(jī)之間的通信,完成電纜的通斷、電阻、絕緣耐壓以及電容測(cè)試和故障定位等功能,在主機(jī)的統(tǒng)一調(diào)配下可進(jìn)行電纜自動(dòng)識(shí)別和非冗余多點(diǎn)激勵(lì)測(cè)試,從而提高測(cè)試速度。
 
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