基于总线架构的民机驾驶舱控制面板通讯架构研究

薛战东 左泽轩

（上海飞机设计研究院，中国 上海 201210）

0 引言

飞机自身重量和载重能力是民用飞机设计的一个重要指标，在保证民用飞机安全性、可靠性的前提条件下，如何通过减小飞机自身重量，以增加飞机载重能力，从而提高飞机的经济性和竞争力始终是民用飞机设计的考虑因素。

目前国内研制的民机驾驶舱控制面板与绝大部分机载系统之间采用硬线配线连接通讯。而随着总线技术、计算机技术等的不断发展，总线技术以及综合模块化结构航电系统（IMA）在民用飞机上的应用逐渐成为趋势，同时飞机上大部分机载系统都采用总线的方式与航电系统通讯。基于这些特点，在保证飞机安全和可靠性的前提下，本文提出驾驶舱控制面板与飞机各机载系统主要控制器之间基于总线通讯的架构，可以在一定程度上减少国产飞机驾驶舱控制面板与各系统主要单元之间相互连接的配线，减轻民用飞机自身的重量。

1 基于总线的驾驶舱面板与机载系统通讯架构

结合目前国外先进民用大型飞机具体项目经验，并依据许多研究学者的技术跟踪，未来民用飞机发展航电系统、照明系统以及机载系统交联方式的主流趋势大致如下：

1）航电系统采用综合化、集成化或分布式的IMA。其具有以下几个特点[1-5]：

a）采用较多的分布于整个飞机的远程数据集中采集单元（Remote Data Concentrator：简称为RDC）的IMA模块。便于绝大部分的飞机机载系统主单元或控制器采用各种各样的总线与就近的RDU连接，通过航电系统获取飞机及其他相关系统相关信息，这能够在一定程度上减少飞机布线数量和长度。若飞机机载系统主单元或控制器采用的数据总线与IMA全局数据总线兼容，则可以直接接入全局数据总线。

b）综合程度越来越高。一些最新的国外飞机IMA除了综合了传统意义的航电系统的外，还综合了一些非传统航电系统的处理和控制功能。尽管IMA综合集成程度越来越高，但一些非常重要的非航电机载系统，甚至部分航电系统，依然采用传统的联合式结构以分立设备的形式存在，这些分立机载系统控制器也采用总线数据与航电系统通讯。

c）采用先进的高速数据通讯网络和数据总线进行信号传输，数据传输速率、实时性相对更高，且由于IMA架构采用了相关冗余备份和容错设计，可靠性更高。

d）IMA模块支持层和操作系统层机载软件以及硬件平台按照高研发等级DAL开发，且操作系统能够进行相应的隔离措施和分区机制，保证数据的安全处理和传输。

2）随着数据总线技术的不断发展以及告警维护信息的综合显示，绝大部分民机机载系统与航电系统采用数据总线传输数据已经非常普遍，即机载系统控制器与航电系统之间总线通讯架构已经存在[5-8]。

3）飞机驾驶舱各系统控制开关、信号指示灯和导光板等趋向集成为独立的航线可更换单元驾驶舱控制组件CPA （Control Panel Assemblies），控制板组件内集成了微处理器/单元以进行调光、开关信号控制和灯驱动等，特别是为了导光板调光等另设置有专门的控制器DCP（Dimming Control Power），DCP与CPA之间以及DCP与航电系统等外部机载系统之间通过总线通讯[9-11]。

目前，国内研制新舟600（MA600）、ARJ21-700和C919民用飞机无一例外也采用IMA，但这些飞机项目上，绝大部分机械系统的控制器与相关的驾驶舱控制面板依然采用传统的硬线配线连接和通讯，以获取飞行员相关操作信息。由于飞机上拥有大量驾驶舱面板，采用这种传统的通讯架构，必然需要大量的配线；同时，尽管绝大部分机载系统控制器位于飞机前电子设备舱，但由于需系统地考虑飞机结构、设备布置和飞机布线等，因此所需配线较长，相关配线重量较重。

结合如上所述国外民机的主流发展趋势以及部分学者逐步提高国产民机综合集成化程度的建议[1]，在保证民机飞机安全性和可靠性前提下，本文提出在国内民机项目上主要采用总线架构实现驾驶舱控制面板与机载系统通讯的架构方案（见图1），以期减少飞机配线数量和重量，并在一定程度上减轻飞机重量机降低飞机布线难度。

图1 驾驶驾面板与机载系统总线通讯架构

安全性和可靠性是民用飞机进入市场的前提，该方案的具体确定必须依据飞机以及系统安全性分析。通过分析，确定可以采用总线通讯架构的驾驶舱控制控面板与机载系统，若单独采用总线架构不能满足相关要求，则必须同时采用传统的硬线配线连接方式冗余备份。

2 总线通讯架构分析

2.1 重量分析

下面以国内目前研制的某民用飞机空气管理系统AMS（含引气系统、机翼防冰系统、客舱压力调节系统和空调系统）为具体实例，对比分析采用总线架构与传统方式的所需配线重量差异。该飞机驾驶舱面板到空气管理系统控制器IASC之间实际所需配线长度大约为8米，经安全性分析，除发动机引气、机翼防冰开关、应急泄压和应急通风开关需要单独的硬线配线备份外，其它开关全部采用总线通讯方式。该用该总线通讯架构，将减少较多的硬线配线，减小了飞机线缆的重量（见表1），同时也可降低飞机布线难度。经过分析，飞机驾驶舱空气管理系统面板与IASC之间主要采用总线传输架构，可以节省重量约6kg。

表1 AMS面板总线传输架构重量节省分析

2.2 信号的可靠性和实时性分析

与传统硬线配线传输相比，采用总线架构传输会有一定的延迟，但随着目前总线和IMA技术的发展，总线信号的实时性有了很大的提高。在国外其他民机项目上，在使用的先进总线已能够支持10～100Mb/s的传输速率,并且有增长至1Gb/s的潜力[1-2]；此外考虑驾驶员依据EICAS告警信息采取开关操作动作本身就需要人为响应时间，驾驶舱开关与相关机载系统控制器之间信号延迟性要求不高，因此采用该总线架构的信号实时性完全可以满足要求。同时，由于整个总线架构会采用冗余备份等容错技术，开关信号的可靠性也可得到满足。此外，由于采用数据总线，会在一定程度提高信号抗干扰能力[2-3]。

2.3 集成和交联验证试验

相对于传统硬线配线连接通讯，采用总线通讯架构在一定程度上增加了系统之间的交联，需要额外的系统级交联或集成试验。但相对民用飞机采用IMA需要解决的复杂IMA集成和交联试验技术和方法[8]，采用该架构只需要相对增加一些简单的面板信号处理和传输，相应的交联和集成验证试验工作量相对较小且难度小。

3 总结

本文从目前国产民机驾驶舱控制面板与绝大部分机载系统之间采用硬线配线连接通讯的方式出发，通过对比研究航电系统、照明系统以及飞机机载系统交联方式的发展趋势，提出了主要基于总线的驾驶舱面板通讯架构，以空气管理系统驾驶舱为例，重点详细分析了采用该架构所节省的配线重量，定性说明了该架构可靠性、实时性和验证试验的可行性。

［1］尤海峰,刘煜.大型民用飞机 IMA系统应用分析及发展建议[J].电讯技术,2013,1.53(1).

［2］孙欢庆.民用飞机综合航电系统技术发展研究[J].航空科学技术,2010,2.

［3］唐宁,常青.航空数据总线技术分析研究[J].现代电子技术,2014,2,37(4).

［4］周烨斐,刘艳涛.民用飞机综合模块化航电系统分区和资源分配的研究[J].民用飞机设计与研究.

［5］孙振华.CAN总线技术在民用飞机中的应用[J].科技信息,2013(7).

［6］党晓民.现代大型飞机环境控制系统关键技术研究[J].中国航空学会2007年学术年会,机载、航电专题70.

［7］赵红军,蔡志勇,程海峰.现代飞机航电系统集成验证方法研究[J].第五届中国航空学会青年科技论坛,2012,10,8.

［8］李德庆,段春.民用飞机环控系统试验用航电系统仿真器设计[J].科技视界,2012,10,8.

［9］徐滔.浅谈驾驶舱控制组件应用[J]科技与创新,2015(8).

［10］万翀.采用总线的民用飞机客舱照明系统[J].光电与控制,2015,3,22(3).

［11］吴春泽.基于CAN总线的民用飞机导光板调光技术[J].技术研发,2012,19.