CAN總線在飛機配電系統中的應用和故障排查

卿濤

摘 要：本文以某型飛機配電系統為例，結合系統架構和實際系統研制過程對CAN總線相關的設計要素、要點以及驗證過程中主要問題進行分析、歸納和總結，為后續相關技術的使用提供參考和借鑒。

關鍵詞：CAN總線;民用飛機

1 ?概述

現代飛機平臺上廣泛采用多種數據總線來實現各級別的數據傳輸和信息共享，典型的總線類型包括1553B，ARINC429、ARINC664和CAN總線等。其中CAN總線得益于相關技術的日趨成熟，以及車載平臺與機載平臺在某些方面的相似性，其在航空領域的應用逐漸得到重視。隨著ARINC825標準的發布，以及CAN總線因其實時性、多主性、靈活性、可靠性和低成本等特點，近年來國外的主要飛機制造商已經開始把CAN總線應用到飛機上，使飛機產品在性能改進的同時具有更高的經濟性。

2 ?CAN總線設計要點

CAN總線網絡在飛機上的應用過程中，應重點關注一下方面的設計內容：

2.1物理架構

CAN總線信息采用雙絞屏蔽線傳輸，兩根絞線分別連接各設備的CANH接口和CANL接口。CAN網絡采用電平差的方式識別數字信號，按照通訊協議解析信號。CANH的電壓在高位時為3.5V，在低位時為2.5V;CANL的電壓在高位時為2.5V，在低位時為1.5V。差分2V代表邏輯0，差分1V代表邏輯1。根據ARINC825的要求，為保證總線通訊質量，在系統設計時需注意以下幾個方面：

2.1.1為防止總線波形反射，在CAN總線應在網絡最遠端應各設置一個120歐的終端電阻。

2.1.2為達到阻抗匹配，選擇的雙絞屏蔽線的特征阻抗值應在120歐±10%。

2.1.3每個節點到主干網絡的距離不能超過1m，兩個節點分支在主干上的距離不能小于0.5m，并且終端電阻到最末端的節點距離應大于1.5m。

2.2傳輸數據類型及傳輸速率

CAN總線采用半雙工的工作模式，符合ARINC825-2的CAN總線收發數字消息。總線網絡上可連接多個節點設備，可實現點對點、一點對多點及全局廣播等幾種數據傳輸方式。只要總線處于空閑狀態，節點設備就可以主動向其他節點發送信息。如遇總線競爭，根據節點要傳送報文的優先級來決定對總線的占用。根據ARINC825，為保證數據的有效傳輸，總線占有率一般不能超過30%。因此在設計初期就必須對CAN總線的負載率進行估算。確定設備間傳遞的數據類型，以及每一類數據類型的數據量，通過30%的總線占用率反推出可用的波特率范圍。

為提高系統性能，往往希望傳輸速率越快越好，但是在選擇傳輸速率時還需要考慮信號的衰減問題。波特率越高，頻率越高，沿總線傳輸的損耗也就越大。因此，為保證有效的信號傳輸，降低信號衰減，在確定總線波特率時還需要考慮總線最遠兩端的距離，因此CAN總線傳輸速率和CAN總線長度應符合ARINC825的要求。

3 ?CAN總線驗證過程問題排查與解決

在某型飛機負載分配系統交聯試驗，發現CAN總線通訊在集成過程存在一些問題，下面對這些問題、原因和解決措施進行詳細描述。

3.1終端電阻的設置問題

a）問題描述：

在進行試驗時，當所有設備均連接到網絡時，整個網絡無法通訊。而斷開其中部分設備的連接器時，網絡通訊正常。

b）原因分析：

通過測量不能通訊的設備CAN總線的電阻值，發現該設備在CANH和CANL之間設置了120歐終端電阻。整個CAN網絡存在3個終端電阻并聯在一起，并聯后阻值減小到40歐。而CAN總線選擇的導線特征阻抗為120歐與終端電阻120歐剛好匹配。當增加一個120歐的終端電阻后，等效于總線兩端接的是阻值為80歐的終端電阻，不能與導線到達阻抗匹配。

經過后續分析，導致出現這種設計的原因主要有兩方面：

1）供應商對標準理解有誤，認為所有設備均應設置終端電阻。而且供應商在廠內測試時通常不會在外部設置終端電阻，因此無法提前發現問題。

2）主機在提出技術要求時，并沒有明確整個網絡的架構，導致供應商不清楚飛機上終端電阻的設置情況。

c）解決措施：

1）去掉該設備內部多余的終端電阻;

2）在以后的設計需求文件中明確整個系統級的網絡架構以及終端電阻的設置位置。

3.2CAN總線波形幅值問題

a）問題描述：

在試驗過程中，發現部分設備的輸出波形幅值較低，達到1.4伏左右。而根據ISO11898-2的定義，顯性差分電平參考范圍為正常2伏，最小不能低于1.5伏，最大不能大于3伏。信號質量的好壞與信號的幅值（幅值是指頂部值與底部值之間的差值）密切相關，幅值對應的頂部值和底部值需在規定的范圍之內，否則可能導致網絡中出現錯誤，甚至無法正常通信。

b）原因分析：

在典型的CAN總線輸出電路中，CANH和CANL是由CAN芯片經過濾波器再經過防雷電路后輸出。標準的CAN芯片輸出的差分信號均為2伏，若出現幅值不滿足要求的情況，必然是輸出電路問題。通過查看設備內部電路，發現輸出幅值較低的設備均在輸出端CANH和CANL的線路上串接了限流電阻。目的是限制大電流輸入，保護內部電路。由于設置的限流電阻，CAN總線輸出的電路與外部通訊線路以及終端電阻構成的回路后，限流電阻將起到分壓的作用。試驗中存在問題的設備分別在CANH和CANL輸出線路上設置了10歐的限流電阻。而外部通訊網絡上并聯由兩個120歐，其等效電路相當于兩個10歐電阻與60歐電阻串聯。輸出的標準差分信號為2伏，經過兩個10歐電阻分壓后，輸出端電壓只有2×60/80伏，即1.5伏。因此從測量的輸出波形幅值來看，與計算結果吻合。

c）解決措施：

1）首先應去掉CAN總線輸出線路上串聯的電阻，以避免輸出波形幅值過低，導致接收端無法識別信號的問題。

2）為解決防雷和大電流輸入的問題，應采用ARINC825推薦的防雷電路。

3.3CAN總線電容問題

a）問題描述：

試驗過程中，通過示波器觀察設備輸出波形，發現所有設備的輸出波形的上升沿和下降沿均有一定的變緩。根據ISO11898-2的規定當差分電壓低于500毫伏時，系統認為隱性。而CAN芯片是根據軟件中設置的波特率以及采集間隔時間來識別信號。被試系統設置的波特率為250kpbs，那么每一個波形大概是4微秒，若設置每個波形第0.5微秒開始識別信號，當下降沿時間較長時，識別到的差分電壓多數處于500毫伏至1.5伏之間。這種情況下，系統將無法識別正確的波形，導致錯誤。

b）原因分析：

而通常方波上升沿和下降沿變緩都是電路中的電容造成的。當波形上升時，CAN總線輸出向電路中電容充電，而在下降沿時電容則向外放電，電容越大充放電時間越長。根據ARINC825的規定，因CAN總線輸出端設置有防雷電路，必然會增加輸出端的電容值。為保證CAN總線的通信質量，CANH和CANL對地電容不應超過100皮法，線間電容不應該超過50皮法。為驗證是否是設備內部電路的電容過大影響網絡波形，使用儀器對每個設備的CAN總線輸出端的電容值進行測量。發現部分設備電容值達到了2納法左右，遠遠超出標準要求。經過查閱設備內部原理圖發現，有的設備在CAN總線輸出端口增加了電容濾波。而有的設備則是防雷電路選擇的TVS管電容值過大。

c）解決方案：

1）去掉超標設備CAN總線輸出線路上的電容，采用共模電感進行濾波。

2）合理選擇TVS管，并嚴格按照ARINC825推薦的電路進行防雷設計。

4 ?總結

本文對CAN總線在系統層級設計和試驗驗證過程中的要點和問題進行研究和總結。從實際應用可以發現影響CAN總線通訊的因素包括波形幅值，波形斜率以及外界擾動三個方面，需要在通訊電路設計以及設備組網時重點關注和考慮。

（中航通飛華南飛機工業有限公司，廣東 珠海 519040）