基于CAN总线飞机燃油系统维修培训系统的设计

飞机的燃油系统是飞机安全运行的重要系统之一，保证该系统安全稳定地运行至关重要。作为飞机维护人员培训的核心部分，维修培训装置的设计也非常重要。当前培训系统相对落后，成本高、功能单一、扩展性差。为了解决当前知识增长与系统落后的矛盾，本文综合应用当前流行的新技术手段，设计出一种软硬件有机结合的实验室教学系统。使该系统具有现实飞机燃油系统相同或者更多的一系列功能：燃油电气系统理论培训，包括燃油系统的组成、部附件的安装位置和工作原理以及内部结构和组成;燃油电气系统的操作模拟，包括手自动加油、手自动输油、应急放油等操作过程;燃油电气系统的模拟通电，完成维护规程规定的通电内容，比如左右前泵、左右后泵等通电检查;燃油电气系统部附件维护程序培训，利用虚拟现实或视频完成部附件的培训，燃油比如油泵的拆装和清洗等工作;故障注入和模拟故障排除功能，教员可利用教师机进行故障注入，学员可利用本系统进行模拟故障流程;实时监控和记录学员的培训过程，可供随后的分析和评价。

该实验室系统主要用于实验室内培训，学员通过该系统的使用可以达到掌握并提高排除故障能力的目的。该系统已经投入使用。

1 系统整体结构

作为一种仿真培训装置，该装置以某型号战斗机的燃油系统为设计原型，操控逻辑完全遵循实际操控逻辑进行设计，采用实物操作与软件操作相结合的设计理念，开发过程以硬件搭建与软件开发相结合。该装置采用C#与组态王搭建出人机界面与演示画面，采用PLC技术实现各器件的电气逻辑控制，采用原理仿真技术实现了电路板对物理器件故障的仿真，采用CAN总线实现教员控制台、PLC及其它部件之间的连接通讯，采用故障树的形式将案例库存储在SQL数据库中。

CAN总线是一种支持分布式实时控制的串行现场总线。优点明显，适合实验室系统应用，节点数多，其总线接口节点数可以达到110个;多主总线工作方式，任何一个节点都可以作为主节点;传输速率在短距离内高。

系统整体结构图如图1所示。上位机、PLC、仿真单体及其它设备都通过CAN总线连接在双绞线上。为了方便的接入CAN总线，教员控制台安装了PCI-CAN板卡，PLC安装有CAN转RS-485转换器。使用双绞线传输数据，受外界干扰相同，因此可以利用接收器的高共模抑制特点，提高通信时的抗干扰能力，所以，在双绞线两端使用匹配电阻R来消除双绞线反射所引起的干扰。

进行交互操作的子系统有：供油分系统、输油控制分系统、动力燃油分系统、通气增压分系统、加油分系统、散热分系统、放油及应急放油分系统、油量耗量测量分系统、余油收集分系统、空中受油分系统、伙伴加油分系统。

图 1 系统整体结构

教员控制台是整个试验系统的核心，其功能如下：控制完整的训练过程;设置特定的故障发生;取消故障;监视、记录并评估学员的排除故障操作;查看历史训练记录;对故障案例的数据库进行维护等。

学员控制台是学员进行理论学习与维护操作培训的场所，主要进行原理演示培训、虚拟拆装、排除故障训练、个人信息管理等。

综上，该系统可以实现燃油系统故障的模拟与再现。通过该系统的使用，可以对燃油系统的故障原理进行研究，帮助维修人员制定诊断与维修方案，在最短时间最准确地完成燃油系统的故障分析及诊断处理。

2 硬件组成

硬件系统是实验系统的基础，主要由控制台(学员及教员)、交互式训练面板(座舱设备及地面设备仿真)、仿真单体、数据库服务器组成。该体系基于CAN总线的局域网，实现了横向与纵向信息的快速稳定传输，具有足够带宽及强大扩展性。

2.1控制台

控制台按照使用对象分为两部分，学员控制台与教员控制台。

物理结构包括工控机、数据采集卡、数据处理卡、信号调理卡以及外围设备。工控机安装有PCI-CAN转换卡，方便的连接到CAN总线上。

工控机安装有PCI-CAN转换卡，方便地连接到CAN总线网络中。具有开放性、实时性、人机界面友好及多任务多线程等优点。

PLC采用的西门子S7 300 CPU 317-2 PN/DP，其优点相当明显，编程容易、控制系统施工周期短、系统维护容易。燃油系统故障模拟装置中PLC的使用，实现燃油系统控制关系的仿真及电气故障设置，使响应时间减少，开关量的控制更加准确。

2.2 交互训练面板

交互训练面板主要由座舱设备及地面设备仿真组成。座舱操作仿真面板，是现实飞机座舱内关于飞机燃油系统全部操作的复制。地面监测设备仿真面板，仅仅对外部设备外形做适当改变。其功能是实现燃油系统的功能指令的控制，及各种报警、油量及各种状态参数的显示。

包含全部子系统及其组件的特征图，并且与教员控制台设备相连，实现功能如下：各种参数数据的采集与上传;座舱显示与操作的模拟;各组件的状态控制;各开关指令的传输与控制;接收到教员控制台指令后做出相应故障现象;学员可以通过手动操作实现测试与维修。

2.3 仿真单体

内部硬件仿真体系结构与现实系统一致，并且其对外接口可以与现实装备连接，实现互操作。仿真单体具有软件网络与硬件网络两方面的功能：软件方面，实现了状态信息的接收、处理、执行、发送等任务，为用户提供方面的控制接口;硬件方面互联与实际系统一致，实现故障模拟、接口状态的设置、信息传输、数据处理、信号接收与转换，为操作维护训练提供有效硬件支持。

仿真单体是系统的重要组成部分，同时也是仿真系统的核心。物理上按照飞机实际位置布置在学员控制台上，可以使学员建立有效的空间概念。

图 2 仿真单体结构图

结构如图2所示，其通信模块的硬件电路由AT89C52单片机、SJA1000 CAN总线控制器、82C250 CAN收发器组成。82C250 CAN总线收发器可以增加通信距离，提高瞬间抗干扰能力，降低射频干扰(RFI)，保护总线，实现热防护等。

软件主要实现单片机与CAN总线控制器之间的通信，如初始化、发送、取消发送、接收、测试等。为了方便外部测量设备的使用，设计有测量接口，与现实接口完全相同，可以实现各种参数的直接测量。