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1 前言
機場助航燈光系統是機場飛行安全的重要保障。綜合運用電子、計算機和網絡等先進技術對機場各種助航燈光設備進行監視、控制和管理成為當前機場現代化建設的重要內容。隨著3Ｃ技術（Computer、Control、Communication）的發展和在機場中的應用，機場助航燈光監控系統逐步發展成為現場總線監控系統(FCS)，實現了現場設備的智能化、控制功能分散化、控制系統開放化，使用于自動控制的現場總線網絡與機場運營管理的局域網有機地結合，極大地提高了機場的運行效率和安全性。本文介紹的機場助航燈光監控系統是基于CAN技術的現場總線監控系統，針對 CAN總線論述了其特點、適配卡的設計和在機場燈光綜合監控網絡中的應用。
2 CAN總線的特點
現場總線是連接智能現場設備和自動控制系統的數字式雙向傳輸、多分支結構的通信網絡。控制器局域網CAN總線是德國Bosch公司從20世紀80年代初為解決汽車中眾多控制與測試儀器之間的互連數據通信而開發的一種串行數據通信協議，是國際FF協會推薦的兩種先進的現場總線之一[1]。CAN總線的主要特點可概括如下：
(1) CAN網絡和協議遵從ISO11898標準，廢除了傳統的站地址編碼，而代之以對通訊數據塊進行編碼，使網絡內的節點數在理論上不受限制，增減節點時也不必對任何節點的軟硬件進行修改；
(2) 它是一種多主總線，即每個節點機均可成為主機，且節點機之間也可進行通信；
(3) CAN 網絡上的節點信息具有優先級，可滿足不同的實時要求，高優先級的數據最多可在140µs內得到傳輸；
(4) 數據段長度最多為8個字節。可滿足通常工業領域中控制命令、工作狀態及測試數據的一般要求。同時，8個字節不會占用總線時間過長，從而保證了通信的實時性；
(5) CAN 節點在自身發生嚴重錯誤的情況下具有自動關閉功能，從而保證網絡上其他節點的操作不受影響；
(6) CAN協議采用CRC（循環冗余碼）檢驗并可提供相應的錯誤處理功能，保證了數據通信的可靠性。
CAN總線所具有的卓越性能、極高的可靠性和獨特設計，特別適用于分布式測控系統之間的數據通訊[2]，完全滿足機場助航燈光監控系統對于實時性、可靠性、穩定性的要求。
3 CAN適配卡設計
在基于CAN總線的助航燈光監控系統中，作為現場網絡的CAN總線與PC上位機的通信完全是通過CAN適配卡來完成的，所以適配卡的性能決定著整個網絡的通信質量。下面介紹一種CAN適配卡的制作。
CAN通信適配卡插在PC擴展插槽上，主要由五部分組成：雙口RAM及其控制電路，89C51微控制器，SJA1000CAN控制器電路、中斷申請電路、復位電路，SJA1000CAN控制器與82C250CAN控制器接口電路。其原理框圖如圖1所示：
圖1 適配卡原理框圖
(1) SJA1000是PHILIPS公司生產的獨立CAN通信控制器，它符合CAN2.0協議，完全兼容PCA82C200，支持29位標識符模式，有64Ｂ的接收緩沖區。SJA1000集成了CAN協議的物理層和數據鏈路層功能，能通過驗收屏蔽碼寄存器和驗收碼寄存器對標準幀或擴展幀進行單向/雙向接收濾波；對CAN總線上的每一個錯誤可進行錯誤中斷；可通過檢測具體位來仲裁丟失中斷等特性。PCA82C250是CAN 協議控制器和物理總線的接口，與SJA1000的RX、TX連接，它可以提供總線的差動發送能力和接收能力，高速應用可達1Mbps，最多可掛110個節點。
(2) 為了防止微控制器因為受到外界干擾而不能正確執行指令甚至陷人死循環，在模塊中加入復位芯片X25045。該芯片集成了看門狗計數器、電壓檢測、4K的E2PROM三種功能。看門狗計數器為微控制器提供了一個獨立的保護系統，當系統出現故障時，在可選的超時周期之后，X25045看門狗將以RESET信號做出響應。芯片中的低電壓監測電路在電壓不足的情況下保護系統，并在電源恢復正常時對整個系統進行復位。該芯片還提供了E2PROM，用戶可以根據需要通過串行輸入、輸出向內存讀寫一些配置信息，如模塊地址、通信波特率等信息，可以通過上位PC機方便地修改這些參數。
(3) 為了增強CAN總線節點的抗干擾能力，將SJA1000的TX0和RX0通過高速光耦6N137與82C250相連[3]，如圖2所示，這樣就很好地實現了總線上各CAN節點間的電氣隔離。電源的完全隔離可采用小功率電源隔離模塊或帶5V隔離輸出的開關電源模塊實現，能避免PC機由于環流造成的損壞，增強了系統在現場環境中使用的可靠性，提高了抗干擾能力。
圖2 適配卡接口電路圖
CAN適配卡與PC機之間的數據交換是通過雙端口RAM來實現的。雙端口RAM有兩套數據地址總線，一端接PC機的PCI總線，另一端接適配卡上的微控制器總線。通過CAN適配卡驅動程序，PC機對其自身內存與適配卡上的雙端口RAM統一編址。這樣，通過對適配卡的雙端口RAM的讀寫，PC機實現了與CAN適配卡的數據交換。
CAN適配卡與CAN總線的數據交換是由微處理器通過訪問CAN控制器的接收緩沖區以及發送緩沖區來實現的。當CAN控制器的發送緩沖區為空時，微處理器將待發送的數據填入CAN控制器的發送緩沖區，由CAN控制器負責向CAN總線發送。當CAN控制器的接收緩沖區中有數據時，微處理器將其取走。這樣，實現了CAN網卡與CAN總線的數據交換。
4 基于現場總線的助航燈光監控系統設計
基于CAN現場總線的機場助航燈光監控系統至上而下由三級網絡構成，依次為主干千兆光纖冗余網絡、塔臺及燈光站冗余局域網、燈光站冗余現場網絡及其它設備的通信網絡。主干網絡采用環/總線形混合配置的拓撲結構設計；塔臺及燈光站內冗余局域網采用硬件雙冗余設計，監控計算機、交換機等設備均為冗余配置；燈光站內燈光回路和故障燈定位系統等控制對象采用冗余CAN總線，市電監視、柴油發電機組等采用RS-485總線。系統結構如圖3所示。
圖3 系統結構示意圖
在CAN冗余現場網絡中，燈光站內的控制對象（如恒流調光器CCR、順序閃光燈控制器SFLU、絕緣電阻監測系統IRMU、故障燈監測系統ICMS、停止排燈監控系統等）的接口單元均通過兩根屏蔽雙絞線與現場冗余CAN網絡連接。工作時，任何一個現場網絡故障或某一設備的CAN接口單元故障，通訊將自動轉到備用網絡或接口繼續進行，主/備網絡無擾切換時間小于500ms。
圖4 系統數據采集拓撲圖
由現場各控制對象的智能監控單元完成數據采集、數據處理、控制運算、控制輸出等功能，與上層各操作站的信息交互通過現場總線進行。現場智能監控單元通過現場總線和現場控制計算機內的適配卡實現與上層管理網絡的通訊，傳送所要求的監控數據、系統運行信息和狀態，在上層網絡各操作站的監控計算機中以文字、表格、曲線、圖形和動畫的形式顯示現場數據、工作狀態、變化趨勢和故障情況，為管理人員的操作提供可靠、準確的實時信息；同時接收上層網絡下達的命令，從而實現燈光相關設備的實時監控。
系統的網絡通信采用Winsock技術，使用UDP協議。系統軟件采用了面向對象的管理、分析和設計方法，使用了多線程、COM組件等技術，實現了實時多任務的處理。系統數據采集拓撲圖如圖4所示。系統結構簡潔清晰，具有良好的開放性，支持ODBC、OLE。整個監控軟件基于中文版WINDOWS 2000操作系統和Microsoft Visual Studio.NET企業版開發，數據顯示和操作界面采用VB開發，CAN總線數據收發部分采用VC開發，通過COM、DLL的形式實現與VB的聯合運行。
采用CAN總線技術的助航燈光監控系統具有良好的可靠性、穩定性和實時性，其優點體現在以下幾個方面：
(1) 總線型結構設計，減少了現場布線和調試的工作量，降低了系統成本，增加了系統的可維護性。
(2) 由于各種調光設備與高壓控制柜和低壓控制柜擺放距離較近，工作時會產生電磁干擾，而CAN總線抗干擾能力強，能夠保證通訊的可靠性和數據的準確性。
(3) 機場在改擴建時（尤其是進行Ⅱ類和Ⅲ類建設）往往增加許多設備，使用CAN總線技術在增刪節點時不必對現場節點的軟件和硬件作任何改動。
(4) 由于應用CAN總線的系統具有良好的開放性，不同廠家的設備可以在同一個系統中使用，降低了機場的建設和運營成本。
(5) CAN總線技術與以太網技術有機結合，使塔臺和燈光站的工作人員可以實時看到現場設備的狀態信息，對其進行參數調整和故障診斷，真正實現了助航燈光設備的遠程實時監控，為飛機起降提供快速、準確地引導。
5 結束語
基于CAN總線的機場燈光監控系統，是采用現場總線控制系統的特點，把信息處理過程放到現場進行，而通過操作站集中管理。在國內三十多個機場的實際應用表明，該系統能夠經受住現場的考驗，通信速率高，出錯率極低，運行效果良好，體現了CAN總線高性能、高可靠性的優點。而且，由于CAN協議參考OSI開放系統互聯模型，可由用戶定義應用層協議，通過各種CAN轉接設備，將CAN與計算機相連，使整個機場的助航燈光設備、目視引導設備和地面活動物體引導系統均能納入到機場控制系統的整體管理中，這在機場信息化、現代化的建設中顯得尤為重要。
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號