CAN总线在飞机配电系统中的应用和故障排查

卿涛

摘 要：本文以某型飞机配电系统为例，结合系统架构和实际系统研制过程对CAN总线相关的设计要素、要点以及验证过程中主要问题进行分析、归纳和总结，为后续相关技术的使用提供参考和借鉴。

关键词：CAN总线;民用飞机

1  概述

现代飞机平台上广泛采用多种数据总线来实现各级别的数据传输和信息共享，典型的总线类型包括1553B，ARINC429、ARINC664和CAN总线等。其中CAN总线得益于相关技术的日趋成熟，以及车载平台与机载平台在某些方面的相似性，其在航空领域的应用逐渐得到重视。随着ARINC825标准的发布，以及CAN总线因其实时性、多主性、灵活性、可靠性和低成本等特点，近年来国外的主要飞机制造商已经开始把CAN总线应用到飞机上，使飞机产品在性能改进的同时具有更高的经济性。

2  CAN总线设计要点

CAN总线网络在飞机上的应用过程中，应重点关注一下方面的设计内容：

2.1物理架构

CAN总线信息采用双绞屏蔽线传输，两根绞线分别连接各设备的CANH接口和CANL接口。CAN网络采用电平差的方式识别数字信号，按照通讯协议解析信号。CANH的电压在高位时为3.5V，在低位时为2.5V;CANL的电压在高位时为2.5V，在低位时为1.5V。差分2V代表逻辑0，差分1V代表逻辑1。根据ARINC825的要求，为保证总线通讯质量，在系统设计时需注意以下几个方面：

2.1.1為防止总线波形反射，在CAN总线应在网络最远端应各设置一个120欧的终端电阻。

2.1.2为达到阻抗匹配，选择的双绞屏蔽线的特征阻抗值应在120欧±10%。

2.1.3每个节点到主干网络的距离不能超过1m，两个节点分支在主干上的距离不能小于0.5m，并且终端电阻到最末端的节点距离应大于1.5m。

2.2传输数据类型及传输速率

CAN总线采用半双工的工作模式，符合ARINC825-2的CAN总线收发数字消息。总线网络上可连接多个节点设备，可实现点对点、一点对多点及全局广播等几种数据传输方式。只要总线处于空闲状态，节点设备就可以主动向其他节点发送信息。如遇总线竞争，根据节点要传送报文的优先级来决定对总线的占用。根据ARINC825，为保证数据的有效传输，总线占有率一般不能超过30%。因此在设计初期就必须对CAN总线的负载率进行估算。确定设备间传递的数据类型，以及每一类数据类型的数据量，通过30%的总线占用率反推出可用的波特率范围。

为提高系统性能，往往希望传输速率越快越好，但是在选择传输速率时还需要考虑信号的衰减问题。波特率越高，频率越高，沿总线传输的损耗也就越大。因此，为保证有效的信号传输，降低信号衰减，在确定总线波特率时还需要考虑总线最远两端的距离，因此CAN总线传输速率和CAN总线长度应符合ARINC825的要求。

3  CAN总线验证过程问题排查与解决

在某型飞机负载分配系统交联试验，发现CAN总线通讯在集成过程存在一些问题，下面对这些问题、原因和解决措施进行详细描述。

3.1终端电阻的设置问题

a）问题描述：

在进行试验时，当所有设备均连接到网络时，整个网络无法通讯。而断开其中部分设备的连接器时，网络通讯正常。

b）原因分析：

通过测量不能通讯的设备CAN总线的电阻值，发现该设备在CANH和CANL之间设置了120欧终端电阻。整个CAN网络存在3个终端电阻并联在一起，并联后阻值减小到40欧。而CAN总线选择的导线特征阻抗为120欧与终端电阻120欧刚好匹配。当增加一个120欧的终端电阻后，等效于总线两端接的是阻值为80欧的终端电阻，不能与导线到达阻抗匹配。

经过后续分析，导致出现这种设计的原因主要有两方面：

1）供应商对标准理解有误，认为所有设备均应设置终端电阻。而且供应商在厂内测试时通常不会在外部设置终端电阻，因此无法提前发现问题。

2）主机在提出技术要求时，并没有明确整个网络的架构，导致供应商不清楚飞机上终端电阻的设置情况。

c）解决措施：

1）去掉该设备内部多余的终端电阻;

2）在以后的设计需求文件中明确整个系统级的网络架构以及终端电阻的设置位置。

3.2CAN总线波形幅值问题

a）问题描述：

在试验过程中，发现部分设备的输出波形幅值较低，达到1.4伏左右。而根据ISO11898-2的定义，显性差分电平参考范围为正常2伏，最小不能低于1.5伏，最大不能大于3伏。信号质量的好坏与信号的幅值（幅值是指顶部值与底部值之间的差值）密切相关，幅值对应的顶部值和底部值需在规定的范围之内，否则可能导致网络中出现错误，甚至无法正常通信。

b）原因分析：

在典型的CAN总线输出电路中，CANH和CANL是由CAN芯片经过滤波器再经过防雷电路后输出。标准的CAN芯片输出的差分信号均为2伏，若出现幅值不满足要求的情况，必然是输出电路问题。通过查看设备内部电路，发现输出幅值较低的设备均在输出端CANH和CANL的线路上串接了限流电阻。目的是限制大电流输入，保护内部电路。由于设置的限流电阻，CAN总线输出的电路与外部通讯线路以及终端电阻构成的回路后，限流电阻将起到分压的作用。试验中存在问题的设备分别在CANH和CANL输出线路上设置了10欧的限流电阻。而外部通讯网络上并联由两个120欧，其等效电路相当于两个10欧电阻与60欧电阻串联。输出的标准差分信号为2伏，经过两个10欧电阻分压后，输出端电压只有2×60/80伏，即1.5伏。因此从测量的输出波形幅值来看，与计算结果吻合。

c）解决措施：

1）首先应去掉CAN总线输出线路上串联的电阻，以避免输出波形幅值过低，导致接收端无法识别信号的问题。

2）为解决防雷和大电流输入的问题，应采用ARINC825推荐的防雷电路。

3.3CAN总线电容问题

a）问题描述：

试验过程中，通过示波器观察设备输出波形，发现所有设备的输出波形的上升沿和下降沿均有一定的变缓。根据ISO11898-2的规定当差分电压低于500毫伏时，系统认为隐性。而CAN芯片是根据软件中设置的波特率以及采集间隔时间来识别信号。被试系统设置的波特率为250kpbs，那么每一个波形大概是4微秒，若设置每个波形第0.5微秒开始识别信号，当下降沿时间较长时，识别到的差分电压多数处于500毫伏至1.5伏之间。这种情况下，系统将无法识别正确的波形，导致错误。

b）原因分析：

而通常方波上升沿和下降沿变缓都是电路中的电容造成的。当波形上升时，CAN总线输出向电路中电容充电，而在下降沿时电容则向外放电，电容越大充放电时间越长。根据ARINC825的规定，因CAN总线输出端设置有防雷电路，必然会增加输出端的电容值。为保证CAN总线的通信质量，CANH和CANL对地电容不应超过100皮法，线间电容不应该超过50皮法。为验证是否是设备内部电路的电容过大影响网络波形，使用仪器对每个设备的CAN总线输出端的电容值进行测量。发现部分设备电容值达到了2纳法左右，远远超出标准要求。经过查阅设备内部原理图发现，有的设备在CAN总线输出端口增加了电容滤波。而有的设备则是防雷电路选择的TVS管电容值过大。

c）解决方案：

1）去掉超标设备CAN总线输出线路上的电容，采用共模电感进行滤波。

2）合理选择TVS管，并严格按照ARINC825推荐的电路进行防雷设计。

4  总结

本文对CAN总线在系统层级设计和试验验证过程中的要点和问题进行研究和总结。从实际应用可以发现影响CAN总线通讯的因素包括波形幅值，波形斜率以及外界扰动三个方面，需要在通讯电路设计以及设备组网时重点关注和考虑。

（中航通飞华南飞机工业有限公司，广东 珠海 519040）