基于總線架構(gòu)的民機(jī)駕駛艙控制面板通訊架構(gòu)研究

薛戰(zhàn)東 左澤軒

（上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，中國(guó) 上海 201210）

0 引言

飛機(jī)自身重量和載重能力是民用飛機(jī)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要指標(biāo)，在保證民用飛機(jī)安全性、可靠性的前提條件下，如何通過減小飛機(jī)自身重量，以增加飛機(jī)載重能力，從而提高飛機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和競(jìng)爭(zhēng)力始終是民用飛機(jī)設(shè)計(jì)的考慮因素。

目前國(guó)內(nèi)研制的民機(jī)駕駛艙控制面板與絕大部分機(jī)載系統(tǒng)之間采用硬線配線連接通訊。而隨著總線技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等的不斷發(fā)展，總線技術(shù)以及綜合模塊化結(jié)構(gòu)航電系統(tǒng)（IMA）在民用飛機(jī)上的應(yīng)用逐漸成為趨勢(shì)，同時(shí)飛機(jī)上大部分機(jī)載系統(tǒng)都采用總線的方式與航電系統(tǒng)通訊?；谶@些特點(diǎn)，在保證飛機(jī)安全和可靠性的前提下，本文提出駕駛艙控制面板與飛機(jī)各機(jī)載系統(tǒng)主要控制器之間基于總線通訊的架構(gòu)，可以在一定程度上減少國(guó)產(chǎn)飛機(jī)駕駛艙控制面板與各系統(tǒng)主要單元之間相互連接的配線，減輕民用飛機(jī)自身的重量。

1 基于總線的駕駛艙面板與機(jī)載系統(tǒng)通訊架構(gòu)

結(jié)合目前國(guó)外先進(jìn)民用大型飛機(jī)具體項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，并依據(jù)許多研究學(xué)者的技術(shù)跟蹤，未來民用飛機(jī)發(fā)展航電系統(tǒng)、照明系統(tǒng)以及機(jī)載系統(tǒng)交聯(lián)方式的主流趨勢(shì)大致如下：

1）航電系統(tǒng)采用綜合化、集成化或分布式的IMA。其具有以下幾個(gè)特點(diǎn)[1-5]：

a）采用較多的分布于整個(gè)飛機(jī)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)集中采集單元（Remote Data Concentrator：簡(jiǎn)稱為RDC）的IMA模塊。便于絕大部分的飛機(jī)機(jī)載系統(tǒng)主單元或控制器采用各種各樣的總線與就近的RDU連接，通過航電系統(tǒng)獲取飛機(jī)及其他相關(guān)系統(tǒng)相關(guān)信息，這能夠在一定程度上減少飛機(jī)布線數(shù)量和長(zhǎng)度。若飛機(jī)機(jī)載系統(tǒng)主單元或控制器采用的數(shù)據(jù)總線與IMA全局?jǐn)?shù)據(jù)總線兼容，則可以直接接入全局?jǐn)?shù)據(jù)總線。

b）綜合程度越來越高。一些最新的國(guó)外飛機(jī)IMA除了綜合了傳統(tǒng)意義的航電系統(tǒng)的外，還綜合了一些非傳統(tǒng)航電系統(tǒng)的處理和控制功能。盡管IMA綜合集成程度越來越高，但一些非常重要的非航電機(jī)載系統(tǒng)，甚至部分航電系統(tǒng)，依然采用傳統(tǒng)的聯(lián)合式結(jié)構(gòu)以分立設(shè)備的形式存在，這些分立機(jī)載系統(tǒng)控制器也采用總線數(shù)據(jù)與航電系統(tǒng)通訊。

c）采用先進(jìn)的高速數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)總線進(jìn)行信號(hào)傳輸，數(shù)據(jù)傳輸速率、實(shí)時(shí)性相對(duì)更高，且由于IMA架構(gòu)采用了相關(guān)冗余備份和容錯(cuò)設(shè)計(jì)，可靠性更高。

d）IMA模塊支持層和操作系統(tǒng)層機(jī)載軟件以及硬件平臺(tái)按照高研發(fā)等級(jí)DAL開發(fā)，且操作系統(tǒng)能夠進(jìn)行相應(yīng)的隔離措施和分區(qū)機(jī)制，保證數(shù)據(jù)的安全處理和傳輸。

2）隨著數(shù)據(jù)總線技術(shù)的不斷發(fā)展以及告警維護(hù)信息的綜合顯示，絕大部分民機(jī)機(jī)載系統(tǒng)與航電系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)總線傳輸數(shù)據(jù)已經(jīng)非常普遍，即機(jī)載系統(tǒng)控制器與航電系統(tǒng)之間總線通訊架構(gòu)已經(jīng)存在[5-8]。

3）飛機(jī)駕駛艙各系統(tǒng)控制開關(guān)、信號(hào)指示燈和導(dǎo)光板等趨向集成為獨(dú)立的航線可更換單元駕駛艙控制組件CPA （Control Panel Assemblies），控制板組件內(nèi)集成了微處理器/單元以進(jìn)行調(diào)光、開關(guān)信號(hào)控制和燈驅(qū)動(dòng)等，特別是為了導(dǎo)光板調(diào)光等另設(shè)置有專門的控制器DCP（Dimming Control Power），DCP與CPA之間以及DCP與航電系統(tǒng)等外部機(jī)載系統(tǒng)之間通過總線通訊[9-11]。

目前，國(guó)內(nèi)研制新舟600（MA600）、ARJ21-700和C919民用飛機(jī)無一例外也采用IMA，但這些飛機(jī)項(xiàng)目上，絕大部分機(jī)械系統(tǒng)的控制器與相關(guān)的駕駛艙控制面板依然采用傳統(tǒng)的硬線配線連接和通訊，以獲取飛行員相關(guān)操作信息。由于飛機(jī)上擁有大量駕駛艙面板，采用這種傳統(tǒng)的通訊架構(gòu)，必然需要大量的配線；同時(shí)，盡管絕大部分機(jī)載系統(tǒng)控制器位于飛機(jī)前電子設(shè)備艙，但由于需系統(tǒng)地考慮飛機(jī)結(jié)構(gòu)、設(shè)備布置和飛機(jī)布線等，因此所需配線較長(zhǎng)，相關(guān)配線重量較重。

結(jié)合如上所述國(guó)外民機(jī)的主流發(fā)展趨勢(shì)以及部分學(xué)者逐步提高國(guó)產(chǎn)民機(jī)綜合集成化程度的建議[1]，在保證民機(jī)飛機(jī)安全性和可靠性前提下，本文提出在國(guó)內(nèi)民機(jī)項(xiàng)目上主要采用總線架構(gòu)實(shí)現(xiàn)駕駛艙控制面板與機(jī)載系統(tǒng)通訊的架構(gòu)方案（見圖1），以期減少飛機(jī)配線數(shù)量和重量，并在一定程度上減輕飛機(jī)重量機(jī)降低飛機(jī)布線難度。

圖1 駕駛駕面板與機(jī)載系統(tǒng)總線通訊架構(gòu)

安全性和可靠性是民用飛機(jī)進(jìn)入市場(chǎng)的前提，該方案的具體確定必須依據(jù)飛機(jī)以及系統(tǒng)安全性分析。通過分析，確定可以采用總線通訊架構(gòu)的駕駛艙控制控面板與機(jī)載系統(tǒng)，若單獨(dú)采用總線架構(gòu)不能滿足相關(guān)要求，則必須同時(shí)采用傳統(tǒng)的硬線配線連接方式冗余備份。

2 總線通訊架構(gòu)分析

2.1 重量分析

下面以國(guó)內(nèi)目前研制的某民用飛機(jī)空氣管理系統(tǒng)AMS（含引氣系統(tǒng)、機(jī)翼防冰系統(tǒng)、客艙壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)和空調(diào)系統(tǒng)）為具體實(shí)例，對(duì)比分析采用總線架構(gòu)與傳統(tǒng)方式的所需配線重量差異。該飛機(jī)駕駛艙面板到空氣管理系統(tǒng)控制器IASC之間實(shí)際所需配線長(zhǎng)度大約為8米，經(jīng)安全性分析，除發(fā)動(dòng)機(jī)引氣、機(jī)翼防冰開關(guān)、應(yīng)急泄壓和應(yīng)急通風(fēng)開關(guān)需要單獨(dú)的硬線配線備份外，其它開關(guān)全部采用總線通訊方式。該用該總線通訊架構(gòu)，將減少較多的硬線配線，減小了飛機(jī)線纜的重量（見表1），同時(shí)也可降低飛機(jī)布線難度。經(jīng)過分析，飛機(jī)駕駛艙空氣管理系統(tǒng)面板與IASC之間主要采用總線傳輸架構(gòu)，可以節(jié)省重量約6kg。

表1 AMS面板總線傳輸架構(gòu)重量節(jié)省分析

2.2 信號(hào)的可靠性和實(shí)時(shí)性分析

與傳統(tǒng)硬線配線傳輸相比，采用總線架構(gòu)傳輸會(huì)有一定的延遲，但隨著目前總線和IMA技術(shù)的發(fā)展，總線信號(hào)的實(shí)時(shí)性有了很大的提高。在國(guó)外其他民機(jī)項(xiàng)目上，在使用的先進(jìn)總線已能夠支持10～100Mb/s的傳輸速率,并且有增長(zhǎng)至1Gb/s的潛力[1-2]；此外考慮駕駛員依據(jù)EICAS告警信息采取開關(guān)操作動(dòng)作本身就需要人為響應(yīng)時(shí)間，駕駛艙開關(guān)與相關(guān)機(jī)載系統(tǒng)控制器之間信號(hào)延遲性要求不高，因此采用該總線架構(gòu)的信號(hào)實(shí)時(shí)性完全可以滿足要求。同時(shí)，由于整個(gè)總線架構(gòu)會(huì)采用冗余備份等容錯(cuò)技術(shù)，開關(guān)信號(hào)的可靠性也可得到滿足。此外，由于采用數(shù)據(jù)總線，會(huì)在一定程度提高信號(hào)抗干擾能力[2-3]。

2.3 集成和交聯(lián)驗(yàn)證試驗(yàn)

相對(duì)于傳統(tǒng)硬線配線連接通訊，采用總線通訊架構(gòu)在一定程度上增加了系統(tǒng)之間的交聯(lián)，需要額外的系統(tǒng)級(jí)交聯(lián)或集成試驗(yàn)。但相對(duì)民用飛機(jī)采用IMA需要解決的復(fù)雜IMA集成和交聯(lián)試驗(yàn)技術(shù)和方法[8]，采用該架構(gòu)只需要相對(duì)增加一些簡(jiǎn)單的面板信號(hào)處理和傳輸，相應(yīng)的交聯(lián)和集成驗(yàn)證試驗(yàn)工作量相對(duì)較小且難度小。

3 總結(jié)

本文從目前國(guó)產(chǎn)民機(jī)駕駛艙控制面板與絕大部分機(jī)載系統(tǒng)之間采用硬線配線連接通訊的方式出發(fā)，通過對(duì)比研究航電系統(tǒng)、照明系統(tǒng)以及飛機(jī)機(jī)載系統(tǒng)交聯(lián)方式的發(fā)展趨勢(shì)，提出了主要基于總線的駕駛艙面板通訊架構(gòu)，以空氣管理系統(tǒng)駕駛艙為例，重點(diǎn)詳細(xì)分析了采用該架構(gòu)所節(jié)省的配線重量，定性說明了該架構(gòu)可靠性、實(shí)時(shí)性和驗(yàn)證試驗(yàn)的可行性。

［1］尤海峰,劉煜.大型民用飛機(jī) IMA系統(tǒng)應(yīng)用分析及發(fā)展建議[J].電訊技術(shù),2013,1.53(1).

［2］孫歡慶.民用飛機(jī)綜合航電系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展研究[J].航空科學(xué)技術(shù),2010,2.

［3］唐寧,常青.航空數(shù)據(jù)總線技術(shù)分析研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2014,2,37(4).

［4］周燁斐,劉艷濤.民用飛機(jī)綜合模塊化航電系統(tǒng)分區(qū)和資源分配的研究[J].民用飛機(jī)設(shè)計(jì)與研究.

［5］孫振華.CAN總線技術(shù)在民用飛機(jī)中的應(yīng)用[J].科技信息,2013(7).

［6］黨曉民.現(xiàn)代大型飛機(jī)環(huán)境控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究[J].中國(guó)航空學(xué)會(huì)2007年學(xué)術(shù)年會(huì),機(jī)載、航電專題70.

［7］趙紅軍,蔡志勇,程海峰.現(xiàn)代飛機(jī)航電系統(tǒng)集成驗(yàn)證方法研究[J].第五屆中國(guó)航空學(xué)會(huì)青年科技論壇,2012,10,8.

［8］李德慶,段春.民用飛機(jī)環(huán)控系統(tǒng)試驗(yàn)用航電系統(tǒng)仿真器設(shè)計(jì)[J].科技視界,2012,10,8.

［9］徐滔.淺談駕駛艙控制組件應(yīng)用[J]科技與創(chuàng)新,2015(8).

［10］萬翀.采用總線的民用飛機(jī)客艙照明系統(tǒng)[J].光電與控制,2015,3,22(3).

［11］吳春澤.基于CAN總線的民用飛機(jī)導(dǎo)光板調(diào)光技術(shù)[J].技術(shù)研發(fā),2012,19.