解析多處理器模式下RS485總線(xiàn)在飛機配電系統中的應用

引言

飛機配電系統的功能是實(shí)現飛機電能的輸送、分配及保護控制。隨著(zhù)航空、電子以及計算機技術(shù)的高速發(fā)展，機載設備的數量大幅增加，供電系統容量迅速增長(cháng)[1]，飛機配電系統逐步向著(zhù)以通信總線(xiàn)為基礎的自動(dòng)配電系統發(fā)展。RS485 總線(xiàn)以其協(xié)議簡(jiǎn)單、配置靈活等特點(diǎn)，常作為一種余度總線(xiàn)，用于含有多種數據總線(xiàn)的飛機自動(dòng)配電系統中[2]。本文主要探討多處理器模式下 RS485 總線(xiàn)在飛機配電系統中的應用。

2 .飛機配電系統的結構及通信要求

飛機自動(dòng)配電系統包括一次配電系統和二次配電系統，其中，一次配電系統的核心控制部件是匯流條功率控制器 BPCU(Bus Power Control Unit);二次配電系統的控制部件是二次配電控制單元 RPDU(RemotePower Distribution Unit)。 本文所涉及的飛機配電系統通信網(wǎng)絡(luò )如圖 1 所示。其中，BPCU 通過(guò) 1553B 總線(xiàn)與上位機通信，向上位機傳遞飛機配電系統的運行狀況;BPCU 與 RPDU 及發(fā)電機控制器 GCU(GeneratorControl Unit)之間通過(guò) RS485 總線(xiàn)及其它通信總線(xiàn) (如CAN 總線(xiàn)或 429 總線(xiàn)等)進(jìn)行通信。BPCU 根據 GCU和 RPDU 反饋的信息對配電系統進(jìn)行監控和管理，實(shí)現匯流條切換、大功率負載的自動(dòng)管理，完成飛機電能的分配。

由圖 1 可知，飛機電網(wǎng)結構較復雜，飛機一次配電系統中共有2個(gè)BPCU同時(shí)工作， 分別為左(L)BPCU和右(R)BPCU。因此，該配電系統構成了一個(gè)含有多處理器的 RS485 總線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )。該通信網(wǎng)絡(luò )需實(shí)現的功能如下：2 個(gè) BPCU 之間需定時(shí)通信，交換數據并監控對方是否正常運轉;2 個(gè) BPCU 需定時(shí)與所有GCU 和 RPDU 通信，監控電網(wǎng)運行狀態(tài);正常情況下GCU、RPDU 之間則不需通信。

3.R S 4 8 5 總線(xiàn)及其總線(xiàn)沖突問(wèn)題

RS485 總線(xiàn)標準是美國電氣工業(yè)聯(lián)合會(huì )制定的以雙絞線(xiàn)作傳輸線(xiàn)的通信標準，采用平衡發(fā)送和差分接收，允許雙絞線(xiàn)上一個(gè)發(fā)送器驅動(dòng) 32 個(gè)負載設備[3]。RS485 以半雙工方式通信，用于多站互連時(shí)，便于組建可靠性高及分布范圍較廣的總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )[4]。然而，由于 RS485 總線(xiàn)的通信方式是半雙工，即同一時(shí)刻總線(xiàn)上只能有一個(gè)節點(diǎn)成為主節點(diǎn)，如果同時(shí)有兩個(gè)或以上的節點(diǎn)處于發(fā)送狀態(tài)，將導致所有發(fā)送方的數據發(fā)送失敗，這就是總線(xiàn)沖突[5]。當通信網(wǎng)絡(luò )中存在 2 個(gè)以上的節點(diǎn)時(shí)，解決其總線(xiàn)沖突問(wèn)題就成了提高其工作可靠性、穩定性的關(guān)鍵和前提[6]。

4 .總線(xiàn)沖突的解決方法

在圖 1 所示的通信網(wǎng)絡(luò )中共有 2 個(gè) BPCU 和多個(gè)RPDU 及 GCU 進(jìn)行通信， 構成了一個(gè)含有多處理器的RS485 通信網(wǎng)絡(luò )， 由于數據的交流和傳輸均是雙向的，因此存在總線(xiàn)沖突問(wèn)題。解決總線(xiàn)沖突最常見(jiàn)的方法是主從通信協(xié)議法。主從協(xié)議的原理如圖 2 所示，該方法將通信網(wǎng)絡(luò )中某一終端定為主處理器，主處理器依次向各從處理器發(fā)出指令(Cmd) ，從處理器根據指令將數據(Data)發(fā)送至主處理器。 該方法的缺點(diǎn)是若從處理器個(gè)數較多，系統的實(shí)時(shí)性會(huì )降低，且若主處理器出現故障，則整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò )無(wú)法正常工作。文獻[7]以主從通信協(xié)議為基礎，提出了如圖 3 所示的從處理器傳遞數據法，該方式節省了主處理器詢(xún)問(wèn)從處理器的時(shí)間，提高了通信的實(shí)時(shí)性。文獻[8]提出了按從處理器優(yōu)先級發(fā)送數據的方法，其原理如圖 4 所示。該方法由主處理器發(fā)出優(yōu)先級上報指令(Cmdp)，從處理器逐個(gè)上報優(yōu)先級(PRI)，掃描完一輪優(yōu)先級后，主處理器向優(yōu)先級最高的從處理器 k 發(fā)出指(Cmdk)詢(xún)問(wèn)數據。優(yōu)先級法數據量小，系統的實(shí)時(shí)性得到了提高，然而該方法中從處理器計算優(yōu)先級的算法較復雜，且整個(gè)系統中仍然只能有一個(gè)主處理器，無(wú)法實(shí)現 RS485 的多主處理器通信。

除采用主從通信協(xié)議的方法解決總線(xiàn)沖突問(wèn)題外，還有總線(xiàn)監聽(tīng)的方式。文獻[9]介紹了一種利用硬件電路監聽(tīng)總線(xiàn)的方法，該方法實(shí)現了 RS485 總線(xiàn)的多主通信，缺點(diǎn)是額外增加的硬件電路會(huì )對 RS485 總線(xiàn)阻抗造成影響。 文獻[10]提出了一種由軟件實(shí)現總線(xiàn)偵聽(tīng)、差別延時(shí)來(lái)解決 RS485 總線(xiàn)沖突的方法。該方法中每個(gè)節點(diǎn)由于偵聽(tīng)時(shí)間的不同而具有不同的優(yōu)先級，因而能夠很好的實(shí)現 RS485 總線(xiàn)多主通信，但由于優(yōu)先級的限制，某些時(shí)刻對個(gè)別緊急數據的處理實(shí)時(shí)性較差。

本文所涉及的RS485通信網(wǎng)絡(luò )中， 共由2個(gè)BPCU同時(shí)對飛機配電系統進(jìn)行控制，形成了一個(gè)存在 2 個(gè)主處理器和多個(gè)從處理器的通信網(wǎng)絡(luò )。2 個(gè)主處理器的存在使整個(gè)網(wǎng)絡(luò )無(wú)法依靠主從協(xié)議避免總線(xiàn)沖突;而偵聽(tīng)總線(xiàn)的方式則會(huì )使只需做應答的從處理器GCU 和 RPDU 的通信算法復雜化。針對該網(wǎng)絡(luò )含有 2個(gè)主處理器及多個(gè)從處理器的特點(diǎn)，本文提出一種融合了主從通信原理和時(shí)差偵聽(tīng)的方式來(lái)解決總線(xiàn)沖突。其原理如下：根據主從協(xié)議適合詢(xún)問(wèn)-應答模式的特點(diǎn)，將每個(gè) GCU 及 RPDU 作為從處理器，等待命令進(jìn)行響應;根據時(shí)差偵聽(tīng)法不受 RS485 主處理器個(gè)數限制的特點(diǎn)， 將通信網(wǎng)絡(luò )中的 LBPCU 及 RBPCU 作為主處理器，由時(shí)差偵聽(tīng)法來(lái)確定由哪一個(gè) BPCU 來(lái)占用總線(xiàn)。

本文首先在文獻[8]提出的基于主從通信協(xié)議的優(yōu)先級上報法的基礎上進(jìn)行改進(jìn)。由于從處理器優(yōu)先級算法復雜，本文中主處理器僅詢(xún)問(wèn)從處理器是否有數據上報，即詢(xún)問(wèn)從處理器的 Y/N 狀態(tài)，從處理器上報完一輪 Y/N 狀態(tài)后，由主處理器確定向哪些從處理器詢(xún)問(wèn)數據，無(wú)論哪個(gè) BPCU 發(fā)送 Y/N 狀態(tài)詢(xún)問(wèn)指令或數據詢(xún)問(wèn)指令，2 個(gè) BPCU 均能收到所有從處理器Y/N 狀態(tài)或數據反饋。

針對通信網(wǎng)絡(luò )中共有 2 個(gè)主處理器的特點(diǎn)，本文采取時(shí)差偵聽(tīng)總線(xiàn)的方式來(lái)實(shí)現確定以哪一個(gè) BPCU為主處理器。其原理是給 2 個(gè) BPCU 設置不同的優(yōu)先級，具有較高優(yōu)先級的 BPCU 能夠搶占到總線(xiàn)的控制權。具體方法如下：首先假定 LBPCU 有最高的優(yōu)先級，需要發(fā)送數據時(shí)需先偵聽(tīng)總線(xiàn)，若發(fā)現總線(xiàn)空閑，則開(kāi)始進(jìn)行延時(shí)偵聽(tīng)，由于優(yōu)先級最高，LBPCU 延時(shí)偵聽(tīng)需要的時(shí)間比 RBPCU 短，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間若總線(xiàn)始終保持空閑狀態(tài)，則 LBPCU 可以發(fā)送數據或指令，發(fā)送完成后，LBPCU 優(yōu)先級降低，同時(shí) RBPCU 優(yōu)先級提高，RBPCU 占有最高的優(yōu)先級。