飞机CAN总线线缆测试系统设计*

宋志蛟，张 安，王 强

（西北工业大学电子信息学院，西安 710129）

飞机CAN总线线缆测试系统设计*

宋志蛟，张 安，王 强

（西北工业大学电子信息学院，西安 710129）

为实现飞机CAN总线线缆的多种性能测试，研制了一种基于便携式工控机、VC++和Access数据库的新型的线缆综合测试系统，详细介绍了系统的硬件结构、软件设计方法；该测试系统硬件设计采用电路模块化设计技术并集成于工控机上,实现了飞机电缆的短路测试、接地测试、断路测试、交叉测试以及总线传输阻抗与信号衰减的测量，同时实现了总线通信的测试;软件通过接口完成数据库查询、数据分析以及结果显示、存储、报表和打印功能。系统检测速度快、可靠性高,实现了飞机线缆的集成化、自动化、可视化测试。

CAN总线，线缆测试，Access数据库，通信测试

0 引言

随着计算机技术、控制技术、电子技术的飞速发展，航空电子综合化系统以其迅猛发展之势越来越为世人瞩目。航空电子系统的支撑技术是总线技术，航空总线在航空电子综合化系统中的重要地位使得航空总线的可靠性、稳定性变得尤为重要［1］。

针对目前多种航空总线在现代飞机中的大量使用，如何高效、准确地对复杂航空总线线缆进行综合测试，如何准确、实时地记载与发送飞机飞行参数及其相关信息，如何快速、有效地利用航空总线传输分发数据，日益成为航空领域研究的热点。

飞机航空总线线缆检测维护是保证飞机安全飞行的重要内容，提高飞机线缆测试技术有着非常重要的意义。飞机总线线缆检查常用两种方法：万用表和专用测量仪器，但是两者均存在缺点［2］。因此，有必要设计一种便携式的CAN总线线缆测试系统，以便对飞机CAN总线线缆进行测试与分析，实现对机上总线线缆故障快速准确的检测。

1 系统组成

1.1 CAN总线拓扑结构

航空总线是航空电子综合化系统的核心部分，是航空电子系统的中枢，负责将各种航空电子设备互连以达到信息综合的目的，并为信息的重复利用和进一步融合提供了必要条件。按信息传送的方向划分，可以将航空总线分为单工通信、半双工通信、全双工通信3种［3］。

根据CAN总线线缆布线特点，总线线缆每个节点直接连接，各分段线缆可直流导通，总线匹配阻抗120 Ω。CAN总线拓扑结构如图1所示［3］：

图1 CAN总线拓扑结构图

1.2 机上线缆测试设备功能分配

根据测试要求，设备分为主机、辅机两台设备，两台设备协同工作。

主机主要实现以下几项功能：CAN总线线缆的短路测试、接地测试、接收总线通信信号、传输阻抗测试并发送辅机需要的测试信号；

辅机主要实现以下几项功能：接收主机的测试信号，测试CAN总线线缆的断路、交叉状态，发送总线通信信号给主机并测试CAN总线的传输阻抗。

1.3 系统组成

飞机CAN总线线缆测试系统由测试设备（设备硬件、软件）、测试功能模块、继电器阵列、飞机线缆测试接口及待测线缆成。系统总体连接如图2所示。

图2 系统总体连接图

2 系统硬件设计

2.1 系统硬件结构

整个测试系统采用了从部分到整体的测控模式，工控计算机选用模块化的PCI板卡分别完成相应的测试功能，系统硬件结构见图3所示。线缆检查设备主机和辅机分别由主控计算机和PCI板卡1和板卡2组成。板卡1和板卡2嵌入在主控计算机PCI插槽内，主控计算机通过PCI总线操控板卡，完成数据采集及线缆测试，并将测试结果显示和保存。CAN总线线缆检测信号经机箱上的各自2个航插接口（A、B口）内部转接到PCI板卡，PCI板卡1完成CAN总线信息接收检测，PCI板卡2完成线缆传输信号性能指标检测［4］。设备校准接口由PCI板卡1和PCI板卡2分别对外引出。

2.2 系统测试模块

CAN总线线缆测试模块原理图如图4所示。CAN总线线缆测试原理图中CHS1、CS2、CS3对应为三组继电器，通过继电器组合切换到设备背部CAN_A或CAN_B通道。通过切换继电器同时可实现控制通道选择与读通道数据［5］。

图4 CAN总线线缆测试原理图

2.3 系统测试功能

本系统采用主、辅机两台操作设备协同工作机制，线缆短路与接地测试是为了确保电缆布线系统中所有的端接点有正确的连接关系。通过导通电压测试可以检测出短路、接地等故障，并可以给出具有错误连接关系的线缆端子。测试该类故障时，由主机发送直流信号后回采信号加以分析判断。

系统实现的测试功能如下：

（1）CAN总线执行标准符合ARINC825；

（2）测试CAN总线电缆是否短路、接地、断线、交叉；

（3）测试CAN总线通信是否正常；

（4）测试CAN总线电缆的传输阻抗和信号衰减。

2.4 系统工作原理

飞机CAN总线线缆测试系统的功能需求主要包括两方面：要能够检测出航空电缆布线系统的故障类型，包括电缆导通、绝缘性能、短路接地状态、断线交叉情况、是否能正常通信以及传输阻抗性能和信号衰减指标；还需要满足航空电缆布线系统的完整性测试，即测试系统要有足够大的测试容量且方便扩展，并且能自动存储和查询测试结果，方便操作。

CAN总线线缆由两根线芯和屏蔽层组成，首先将组成部分分别命名为 CAN_A+、CAN_A-与CAN_AG。线缆状态的测试可采用电压检测方法和点对点串行数字通信的方法，根据测试方法及测试指标的要求，实现对线缆状态的测试。线缆正常连接状态如图5所示。

图5 CAN总线线缆正常连接图

2.4.1 CAN总线通信测试

被测线缆无短路、接地、断路、交叉等故障时，方可进一步测试线缆通信是否正常。设备线路板设有通信传输通道，由辅机发送通信传输数据包，主辅机同时切换到通信通道后，主机接收通信传输数据，分析判断接收到的传输数据是否完全符合要求，如若接收无误，即可判定通信正常。如果未接收到数据或者接收数据帧有缺失或错位，即可判定通信故障。

2.4.2 CAN总线传输阻抗测量

总线通信测试通过之后，即可测试线缆传输阻抗指标，测试原理如图6所示。测试传输阻抗时，主机切换通道，发送交流源信号，辅机切换通道使两路线缆在辅机侧发生短路，从而形成回路以测传输阻抗。测试CAN总线时只需形成一路回路，计算CAN_A+与CAN_A-间相应的阻抗值。

已知R1=50 Ω，R2=10 Ω，待测线缆传输阻抗为R，U为电源电压，VPP为17通道正常连接时设备所测电压，VPP为17通道断开时设备所测电压。

图6 测试原理图

由上述式子可推出线缆传输阻抗：

2.4.3 CAN总线信号衰减测量

测试线缆信号衰减指标，主辅机程序自动切换AD通道，主机发送标准交流源信号，辅机接收信号进行计算，得出衰减量。为使测试更加精确，计算过程中采用中值滤波原理，每次测试采取接收3组数值，每组数值为接收一万次电压的最大值与最小值，最后选用3个最大值的中间值定为方波波形交流源的峰值，选用3个最小值的中间值定为方波波形交流源的谷值，从而保证测量精准度。峰值与谷值之差即为交流源的压差信号。

U1，U2，U3，…，U10000为随机采样的10 000个电压值，UACmax1、UACmax2、UACmax3分别为3组电压值的最大值。

UACmax为采用中值滤波原理后得出的峰值。

UACmin1为第1组中的最小值，UACmin2为第2组中的最小值，UACmin3为第3组中的最小值，UACmin为采用中值滤波原理后得出的谷值。

得出UACmax、UACmin后，则可计算出信号衰减Dec：

式中Umax-min为交流源信号无衰减时的压差值。

3 系统软件设计

3.1 测试系统软件模块

测试系统最主要的功能是向被测对象提供必要的信号驱动，把被测对象的被测参数采集回来。传统的测试程序，把所有的测试参数、程控指令、测试结果和分析处理结果全部放在程序中，程序的易用性、可靠性、通用性、可维护性、可扩充性、可移植性很差。为了克服这些缺点，把数据和测试流程分开，数据信息包括测试仪器配置参数和测试结果数据，由数据库管理系统管理这些数据，而测试流程的任务为读取配置数据库的数据，配置测试仪器，进行相应地数据采集、分析计算，并把结果写回到测试结果数据库中。根据这样的关系，确定数据库的安全原则，构造配置表，描述一次测试的记录信息。在测试流程中，建立程序与数据库的连接，配置和驱动测试模块，完成测试［6］。

软件采用 Visual C++6.0编程语言设计，在Windows XP环境下调试完成。系统主机软件由9个模块组成，辅机的总体软件由8个模块组成，模块结构框图分别如图7与图8所示。

图7 主机软件结构框图

图8 辅机软件结构框图

3.2 系统软件界面配置

在测试系统中，为了保证数据处理的完整性和可靠性，采用线程来处理数据，软件的设计中包括3个过程。第1个过程负责整个系统消息的循环；第2个过程从总线接口板卡上读出数据，发送/接收数据；第3个过程从总线接口板卡读取出来的数据进行适当的处理，转化成相应的物理量进行显示操作。

根据系统的功能，测试系统主机、辅机测试界面配置如图9所示。

图9 系统软件配置框图

主要的模块的功能介绍如下：

*CAN总线线缆测试

调用相应AD通道测试CAN总线线缆

*测试信息配置

本模块主要完成测试信息的入库与显示，为方便使用，本模块可以将符合规定模板的Excel表格测试信息导入到系统中，并可进行增删查改等修改操作，同时将修改后的测试信息导出，从而实时更新测试信息。

*数据记录模块

本模块功能主要完成系统运行过程中，对接收的数据进行适当的实时存库，并可随时查看测试结果、打印测试记录。

3.3 系统测试流程

测试流程图如图10所示。首先等待辅机进行自检，若辅机自检测无异常，主机启动操作主界面上的CAN总线测试按键，程序启动测试线程。主机首先发送恒压源直流信号，检测线缆的短路、接地状态，当操作员提示不存在短路、接地状态时，发送信号并提示辅机检测线缆的断线、交叉状态。若线缆连接正常，则主机接收辅机发送的通信信号，检测线缆通信是否正常。若线缆可正常通信，则主机计算出总线的传输阻抗并发送信号测试线缆信号衰减。最后主机给出测试结果并存储到数据库中。

图10 CAN总线线缆测试流程

图11为CAN总线线缆测试系统测试界面，主辅机测试界面一致，便于操作。界面左侧为测试信息显示模块与功能切换模块，右侧为测试信息选择模块和测试流程显示模块。

图11 CAN总线线缆测试界面

4 结论

在对研究现状与需求充分分析的基础上，设计并研制了CAN总线线缆测试系统，该系统可以实现测试飞机CAN总线线缆是否短路、接地、断线、交叉，以及测试CAN总线的通信状态是否正常，并精确测量总线的传输阻抗与信号衰减。重要的是实现了测试功能集成，建立了完整的数据库以实现测试信息的导入与测试结果的存储、查询和打印，达到了预期的设计要求，为飞机CAN总线线缆测试提供了很大的帮助。随着电路模块化与电路集成技术的不断的进步，多种总线线缆测试系统必将成为飞机线缆测试未来的需求与研究方向。

［1］李苹慧，林辉.航空电缆故障自动检测集成系统［J］计算机测量与控制，2010，18（4）：789-791.

［2］张宝强，赵转萍.基于CAN总线的分布式柔性电缆测试仪研究［J］计测技术，2010，30（5）：30-34.

［3］田泽.航空专用集成电路-设计理论与工程实践［M］北京：航空工业出版社，2013.9：86-90.

［4］焦敬涛，吴勇，张建东，等.基于CAN的大客飞机航电系统局域网通信设计［J］现代电子技术，2012，35（7）：57-60.

［5］姬希娜，李国杰.基于PCI板卡的PLC测试系统的设计与实现［J］测控技术，2013，32（7）：41-44.

［6］曹娟，纪秀明，黄建民.全机电缆分布式自动测试系统，软件设计［J］电子测量技术，2010，33（12）：106-110.

Design of CAN Bus Cable Testing System on Plane

SONG Zhi-jiao，ZHANG An，WANG Qiang
（School of Electrical Information，Northwestern Polytechnical University，Xi’an 710129，China）

In order to realize testing multi-function of airplane cable of CAN bus，an integrated testing system based on industrial computer，VC++and Access2000 is designed.The hardware structure，design method of software of the system are presented.Modularization design of hardware circuit is used and the advantage of industrial computer is taken to realize short circuit，grounding，turn-on，and cross line test of cable，data transfer，impedance，signal attenuation of data bus is also realized；database query，data processing，display of testing result and saving has also been realized by certain module.The system test rapidly and has high reliability.The system makas aeronautic cable test to be integrative，automatic and visible.

CAN bus，cable testing，Access database，communication testing

TJ306

A

1002-0640（2015）03-0137-05

2014-01-18

2014-03-26

航空科学基金资助项目（2011ZC53024）

宋志蛟（1988- ），男，河北魏县人，硕士研究生。研究方向：航空电子综合化及仿真技术。