吳一坤

(中國電子科技集團公司第二十研究所，陜西 西安 710068)

0 引 言

當(dāng)前，數(shù)據(jù)總線技術(shù)被廣泛應(yīng)用在飛控系統(tǒng)中，提升了整個系統(tǒng)的可靠性、靈活性及擴展性。CAN作為標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)總線之一，具有獨特的設(shè)計思想、優(yōu)良的性能，經(jīng)過多年發(fā)展已日趨成熟，在眾多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。實現(xiàn)CAN總線系統(tǒng)通信需要依托標(biāo)準(zhǔn)的CAN協(xié)議規(guī)范，就像用戶使用互聯(lián)網(wǎng)需要依托TCP/IP協(xié)議一樣[1]。CAN總線提出的CAN2.0 A/CAN2.0B協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，使它具有物理層和數(shù)據(jù)鏈路層功能。在此基礎(chǔ)上，CAN應(yīng)用層協(xié)議往往需要用戶自行設(shè)計制定，或采用國際組織已發(fā)布的成熟應(yīng)用層協(xié)議進行剪裁移植。

CANaerospace由德國Stock航空系統(tǒng)公司制定，是目前應(yīng)用在航空領(lǐng)域較為主流的CAN應(yīng)用層協(xié)議之一，適用于飛行器機載設(shè)備之間進行總線通信。探究其協(xié)議特點、報文結(jié)構(gòu)、總線調(diào)度機制等核心技術(shù)規(guī)范，并對其剪裁移植、優(yōu)化設(shè)計，以實現(xiàn)應(yīng)用驗證，是本文研究的重點。

1 CANaerospace協(xié)議探究

1.1 協(xié)議特點

CANaerospace規(guī)范了航空機載設(shè)備間總線通信的協(xié)議接口，其主要特點如下[2]：

(1) 總線型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，如圖1所示。支持3種數(shù)據(jù)傳輸方式：點對點、多主以及廣播。無需系統(tǒng)啟動過程，不會出現(xiàn)因為主站失敗而引發(fā)的危險情況。

(2) 針對應(yīng)用場景高可靠性要求，支持系統(tǒng)冗余。

(3) 總線網(wǎng)絡(luò)可在一定范圍內(nèi)動態(tài)調(diào)度，支持節(jié)點熱插拔。

(4) 協(xié)議規(guī)范公開，用戶可自定義協(xié)議內(nèi)容及報文類型等，便于擴展應(yīng)用。

圖1 CANaerospace總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1.2 報文類型和消息格式

1.2.1 報文類型

CANaerospace協(xié)議定義了7種基本報文類型，每種類型都具有特定的功能作用和使用規(guī)范，如表1所示。同時，對每種報文類型分配了固定的CAN標(biāo)識符范圍，用來定義它們的優(yōu)先級，而范圍內(nèi)的標(biāo)識符可由用戶自行制定分配。

表1 CANaerospace報文類型及說明

該協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)保證了總線上所有消息報文都具有唯一的CAN標(biāo)識符，即每條報文具有唯一的優(yōu)先級。當(dāng)總線多節(jié)點同時發(fā)送報文時，高優(yōu)先級信息先被傳輸，較低優(yōu)先級信息停止發(fā)送，并等總線空閑時再次嘗試。

1.2.2 消息格式

CANaerospace協(xié)議規(guī)定采取“大端模式”，基本信息格式如圖2所示，所有報文數(shù)據(jù)域分為兩部分(共8字節(jié))，用來表示報文的標(biāo)題和報文有效數(shù)據(jù)信息[3]。

圖2 CANaerospace消息數(shù)據(jù)域格式

節(jié)點編號主要用于標(biāo)識總線數(shù)據(jù)傳輸中的不同節(jié)點，表示范圍為1～255，編號0表示所有節(jié)點。

數(shù)據(jù)類型標(biāo)明總線報文的數(shù)據(jù)特征。CANaerospace規(guī)定每條報文都支持多種數(shù)據(jù)類型(FLOAT、LONG、SHORT、CHAR等)，用戶也可在特定標(biāo)識符范圍內(nèi)自行定義需要的數(shù)據(jù)類型。

服務(wù)代碼即節(jié)點服務(wù)協(xié)議代碼。對于正常操作數(shù)據(jù)，它用來表征此刻總線數(shù)據(jù)的狀態(tài)，使得在任何時間，都對節(jié)點單元接收數(shù)據(jù)的有效性已知。

報文編號按照總線上報文傳輸?shù)臄?shù)量增加，超過255后又歸0，并再次進行累加。此編號用于監(jiān)測報文信息傳輸進程和正確順序，以驗證總線節(jié)點是否正常工作。

1.3 定時觸發(fā)總線調(diào)度

CANaerospace協(xié)議規(guī)定數(shù)據(jù)傳輸基于時間觸發(fā)方式進行，正常工作狀態(tài)下，各類報文信息會按照協(xié)議預(yù)先分配的周期時間進行傳輸，同時也在特定情況下接收中斷，傳輸非周期信息。以CANaerospace基準(zhǔn)系統(tǒng)為例，如表2所示，設(shè)定系統(tǒng)信息傳輸頻率為80 Hz，即傳輸周期為12.5 ms，這里將12.5 ms的傳輸時間稱為最小傳輸間隔。在實際控制系統(tǒng)應(yīng)用中，并不是所有設(shè)備報文信息都需要以如此短的周期傳輸，可以根據(jù)設(shè)備信息的具體情況，對最小傳輸間隔進行不同組合，以滿足各類報文信息的傳輸需求，使總線上能傳輸更多參數(shù)[4]。

表2 基準(zhǔn)系統(tǒng)報文定時發(fā)送頻率

2 協(xié)議制定

基于對CANaerospace協(xié)議的詳細(xì)探究，本章將對其進行剪裁移植，優(yōu)化設(shè)計出運行在實驗室飛控系統(tǒng)原理樣機的CAN總線應(yīng)用層協(xié)議。

2.1 通信情況

飛控系統(tǒng)原理樣機中，飛控計算機通過總線與伺服舵機進行數(shù)據(jù)交互，作為系統(tǒng)的主控節(jié)點，它以80 ms為周期向伺服舵機發(fā)送控制指令，伺服舵機收到指令后立即響應(yīng)，并以20 ms為周期回報自身舵面角度和舵機狀態(tài)信息?？偩€上可能傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀主要分為2類：飛控計算機發(fā)送的控制指令幀和伺服舵機回報信息幀，控制指令幀優(yōu)先級高于回報信息幀。

CAN總線飛控系統(tǒng)通信模型主要為生產(chǎn)者/消費者模型。該通信模型下，在總線非破壞性仲裁中，競爭獲勝的節(jié)點，成為發(fā)送信息的“生產(chǎn)者”，其余節(jié)點成為接收信息的“消費者”。設(shè)置總線通信波特率為500 kbps。數(shù)字舵機節(jié)點傳輸?shù)膱笪男畔⒎N類有限，數(shù)據(jù)量較少，正常工作模式下，協(xié)議中不考慮多幀傳輸?shù)那闆r。

2.2 報文結(jié)構(gòu)

CANaerospace支持CAN2.0B協(xié)議，兼容CAN2.0 A?？紤]原理樣機系統(tǒng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)種類少、總線系統(tǒng)節(jié)點個數(shù)少以及減小信息延時等方面的原因，本協(xié)議制定使用11位標(biāo)識符,并規(guī)定節(jié)點之間數(shù)據(jù)交換只使用數(shù)據(jù)幀，不使用遠(yuǎn)程幀傳輸。

采用標(biāo)識符靜態(tài)分配方式，將總線上可能傳輸?shù)?類數(shù)據(jù)幀ID設(shè)定在CANaerospace協(xié)議正常操作數(shù)據(jù)范圍(CAN-ID為0x12C至0x707)內(nèi)，控制指令和狀態(tài)數(shù)據(jù)根據(jù)傳輸間隔，周期性傳輸或中斷執(zhí)行。

數(shù)據(jù)域中，CANaerospace協(xié)議原理樣機數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)如表3所示。結(jié)合原理樣機在總線上數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶攸c，本協(xié)議制定如下：

D0定義為節(jié)點ID，在飛控系統(tǒng)原理樣機中，存在的節(jié)點包括飛控計算機和多個安裝在不同位置上起不同作用的數(shù)字電動舵機，D0就用來區(qū)分網(wǎng)絡(luò)上所有節(jié)點的位置信息，給每個節(jié)點都標(biāo)識出ID號，當(dāng)節(jié)點ID為0x00時，代表“所有節(jié)點”，表明可能會有廣播幀的發(fā)送；

D1定義為數(shù)據(jù)類型，CANaerospace協(xié)議允許多種數(shù)據(jù)類型在總線上傳輸，并對不同數(shù)據(jù)類型定義了不同標(biāo)識，對于數(shù)據(jù)接收者只要分析信息幀數(shù)據(jù)域D1的內(nèi)容便可根據(jù)協(xié)議得出總線數(shù)據(jù)類型，這里制定發(fā)控指令和回報信息都為SHORT型(0x06)；

D2定義為服務(wù)代碼，對于正常操作數(shù)據(jù)，此字節(jié)顯示當(dāng)下的總線數(shù)據(jù)狀態(tài)，保證了接收數(shù)據(jù)的有效性，CANaerospace協(xié)議已定義節(jié)點服務(wù)有4類，對原理樣機定義為保留狀態(tài)(XXS)，供將來擴展使用；

D3定義為報文編碼，編碼按照數(shù)據(jù)幀發(fā)送數(shù)量而自動增加，最大至255后歸0，再從0開始重新計數(shù)增加，可以通過報文編碼來測定報文的進程和正確的順序，監(jiān)測總線收發(fā)；

D4～D5定義為舵面偏轉(zhuǎn)角信息，最高1位為符號位，說明舵面偏轉(zhuǎn)的正負(fù)方向，低15位為數(shù)據(jù)有效位，表明具體的偏轉(zhuǎn)角度；

D6～D7定義為其他數(shù)據(jù)，例如電動舵機類型等。

表3 CANaerospace協(xié)議原理樣機數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

3 協(xié)議驗證

3.1 原理樣機實驗概述

本實驗CAN總線網(wǎng)絡(luò)上掛接飛控計算機節(jié)點、數(shù)字電動舵機節(jié)點以及PC機節(jié)點，構(gòu)成實驗室飛控系統(tǒng)原理樣機，如圖3所示。實驗方案中，飛控計算機作為主控節(jié)點，周期性向舵機節(jié)點發(fā)送舵面偏轉(zhuǎn)控制指令；電動舵機節(jié)點接收并響應(yīng)飛控指令的同時，周期性向飛控計算機回報自身舵面實時偏轉(zhuǎn)角度；PC機節(jié)點作為總線上的第3個節(jié)點，接收并顯示CAN總線上的實時收發(fā)數(shù)據(jù)。RS-232串行總線連接飛控計算機與PC機，打印飛控計算機節(jié)點數(shù)據(jù)收發(fā)，有利于后續(xù)實驗數(shù)據(jù)的對比分析。

圖3 原理樣機實驗連接原理圖

3.2 數(shù)據(jù)分析

CAN總線飛控系統(tǒng)原理樣機測試實驗中，連接在總線上的PC機節(jié)點通過CANTest軟件平臺記錄所有通信發(fā)生過程中的數(shù)據(jù)信息。信息主要分為2類：飛控計算機每80 ms對電動舵機發(fā)送周期性控制指令，以及電動舵機每20 ms對飛控計算機回報周期性角度信息。

依據(jù)實驗的嚴(yán)謹(jǐn)性，隨機選擇3組由-20°～+20°循環(huán)的實驗數(shù)據(jù)，這3組數(shù)據(jù)在時間上是連續(xù)的，將第1組數(shù)據(jù)的第1幀記為基準(zhǔn)時間0，后續(xù)數(shù)據(jù)按周期時間依次增加，如表4所示，對數(shù)據(jù)匯總解算。

表4 原理樣機發(fā)控與回報角度數(shù)據(jù)

對3組實驗解算數(shù)據(jù)詳細(xì)分析，可得出以下結(jié)論：

(1) 時間連續(xù)的測試中，存在兩處角度“跳躍點”，它的出現(xiàn)是為驗證舵機在指令周期內(nèi)，響應(yīng)大角度偏轉(zhuǎn)而設(shè)計的結(jié)果。在每組測試最后一幀+20°的指令發(fā)送后，依舊等待80 ms，發(fā)送下一組測試的第1幀-20°的指令，相同周期內(nèi)發(fā)控角度跨度由2°變?yōu)?0°，發(fā)生了跳躍，舵面持續(xù)向目標(biāo)角度偏轉(zhuǎn)，但短時間內(nèi)無法到達(dá)，并繼續(xù)以20 ms為周期回報實時角度信息。

(2) 除去角度“跳躍點”所產(chǎn)生的非穩(wěn)定狀態(tài)，計算每指令周期下發(fā)控角度和回報角度的誤差，分析3組數(shù)據(jù)，可得絕對值最大誤差為0.207 5°，最小誤差為0.007 5°，所有誤差絕對值處于0.007 5°～0.207 5°之間，遠(yuǎn)小于±0.5°的誤差范圍，數(shù)據(jù)表現(xiàn)良好穩(wěn)定。

利用MATLAB擬合發(fā)控角度和實時回報角度的數(shù)據(jù)信息，仿真制圖如圖4所示。觀測角度走勢，分析舵機回報角度對飛控計算機發(fā)控角度的跟隨性。

圖4 原理樣機通信數(shù)據(jù)曲線擬合

分析圖4可得出以下結(jié)果：

(1) 3組飛控計算機發(fā)送角度都分別從-20°～20°，爬升斜率一致，出現(xiàn)兩處角度“跳躍點”；

(2) 由結(jié)果走勢可看出，回報曲線斜率基本同發(fā)控曲線斜率一致，每次相應(yīng)的發(fā)控行為與回報行為之間相差一個指令周期，誤差值極小，可得舵機對飛控計算機的跟隨性良好，系統(tǒng)性能優(yōu)良。

4 結(jié)束語

航空領(lǐng)域方面，CANaerospace是當(dāng)今被廣泛應(yīng)用的機載設(shè)備之間通信的應(yīng)用層協(xié)議，本文對它的核心特點、報文類型、總線信息調(diào)度方式等規(guī)范進行了深入探究，并著重應(yīng)用此協(xié)議，進行剪裁移植，優(yōu)化設(shè)計了關(guān)于實驗室飛控原理樣機的應(yīng)用層協(xié)議。規(guī)范了樣機的通信模型和總線數(shù)據(jù)交互類型，以及報文結(jié)構(gòu)內(nèi)每個字節(jié)的具體定義等。通過飛控系統(tǒng)原理樣機的測試實驗，結(jié)果證明CANaerospace應(yīng)用層協(xié)議制定正確、CAN總線無人機飛控系統(tǒng)通信性能良好。