一种飞机电源系统通信架构[发明专利]

(12)发明专利申请

(10)申请公布号 CN 111294376 A(43)申请公布日 2020.06.16

(21)申请号 201811498022.X(22)申请日 2018.12.07

(71)申请人 上海航空电器有限公司

地址 201101 上海市闵行区中春路6629号(72)发明人 万波　

(74)专利代理机构 上海世圆知识产权代理有限

公司 31320

代理人 顾俊超(51)Int.Cl.

H04L 29/08(2006.01)H04L 12/40(2006.01)

权利要求书1页 说明书6页 附图9页

(54)发明名称

一种飞机电源系统通信架构(57)摘要

本发明公开一种飞机电源系统通信架构，其特征在于，基于AFDX和CAN的两级通信网络。本发明的优点在于：减少硬件的开销，降低产品复杂度，提供可靠性，同时也减少产品的体积和重量。

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权　利　要　求　书

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1.一种飞机电源系统通信架构，其特征在于，基于AFDX和CAN的两级通信网络。2.一种飞机电源系统通信架构，其特征在于，基于AFDX、ARINC429和CAN的二级通信网络。

3.一种飞机电源系统通信架构，其特征在于，基于AFDX和CAN的两级通信网络。

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一种飞机电源系统通信架构

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技术领域

[0001]本发明涉及一种飞机电源系统通信架构。

背景技术

[0002]传统飞机（包括B787等多电飞机）电源系统的通信架构中，多采用了TTP/C通信协议。TTP/C是时间触发协议，它可以在通信节点之间做到时钟的同步，让各个节点在预定的时间槽内发送消息，从而有效的避免了多个节点竞争总线时而产生的访问冲突，从而提高了响应的实时性及通信的确定性。[0003]B787的电源系统通信架构设计

波音787电源系统的通信架构如图1所示，系统中的设备包括GCU（发电机控制器），AGCU（APU发电机控制器），SPDU（二级配电单元），ELCU C（电气负载控制单元，通信）， ELCU P（电气负载控制单元，保护），BPCU（汇流条功率控制器），CCR（公共计算资源），此外还有RPDU（远程配电单元）。显示器也是系统的一部分，以将系统状态以图形化的形式显示出来。[0004]从图1中可以看出，TTP/C是电源系统通信架构中的一个子网络。GCU，SPDU，AGCU，ELCU C，以及 BPCU彼此之间通过TTP/C 总线通信。BPCU作为TTP/C总线与ARINC6总线（AFDX）之间的网关，实现TTP/C总线数据和ARINC6总线数据的双向转换。BPCU与CCR（公共计算资源）通过ARINC6总线互联，CCR有一个CDN（通信数据网络）交换机，即ARINC6交换机，二级配电系统的网关RPDU也与之互联。在CCR中还驻留了一个EPS（电源系统）应用程序，以实现电气负载管理和EPS系统状态显示功能。

[0005]TTP/C和ARINC6构成了电源系统的主干通信网，图1中还有一个分支通信网络，即ELCU C和ELCU P之间的CAN通信网络。[0006]B787电源系统的通信架构中，采用了TTP/C通信协议。TTP/C是时间触发协议，它可以在通信节点之间做到时钟的同步，让各个节点在预定的时间槽内发送消息，从而有效的避免了多个节点竞争总线时而产生的访问冲突，从而提高了响应的实时性及通信的确定性。

[0007]但TTP/C网络有两个比较大的缺陷，即：

a)成本比较高，降低了系统的经济性；b)TTP/C节点需要购置相应的TTP/C板卡，这样做增加了硬件的开销，提高了产品复杂度，降低了可靠性，同时也增加了产品的体积和重量。发明内容

[0008]本发明的目的在于克服现有技术中TTP/C通信协议的不足，提出一种新型的飞机电源系统通信架构。

[0009]为了实现这一目的，本发明的技术方案如下：

基于AFDX和CAN的两级通信网络，电源系统内部分割成几个相对的通信子网，子网之间采用AFDX通信，分别由BPCU（汇流条功率控制器）和RPDU（远程配电单元）作为通信的网

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关。而在子网内部，则采用CAN通信。为达到和TTP/C相同的实时性和确定性，在每个子网内部，从网关设备到每个节点单独拉出了一根CAN总线，从而有效的避免了多个设备共享总线时的访问冲突，达到了和TTP/C总线相同的实时性和确定性效果。而系统的经济性则大幅提升，因为一般处理器都自带CAN控制器，没有额外的硬件开销。[0010]基于AFDX、ARINC429和CAN的二级通信网络，即用ARINC429和CAN总线来取代传统电源系统通信网络中的TTP/C总线。一般处理器都自带CAN总线，因此，采用CAN总线没有额外的硬件开销，节省了成本，也缩小了产品体积和重量。ARINC429的开发也仅有少量的硬件开销，同时，它还可以满足多主通信及良好的通信实时性要求。[0011]同时，为达到和TTP/C的实时性效果，本专利将电源系统划分为几个相对的子网，每个子网设置一个网关，网关设备通过AFDX与外部设备通信。而在各个子网内部，从网关设备为每个子网设备配备了专用的ARINC429和CAN总线。由于此时每个设备以独占的方式使用CAN总线，设备与网关之间是点对点通信，因此可以有效避免总线连接CAN总线而导致的访问冲突，达到了通信实时性和确定性的要求。而ARINC429总线原本就是以独占方式使用的，因而没有访问冲突的问题。

[0012]基于AFDX和CAN的两级通信网络，电源系统内部以G RPDU（Gateway RPDU）为中心分割成4个相对的通信子网，各子网通过AFDX通信与航电交联。这是电源系统唯一与航电的交联接口。而在子网内部，采用CAN通信。为达到和TTP/C相同的实时性和确定性，在RPDU子网内部，从网关设备G RPDU到每个S RPDU（Satellite RPDU）和SPDU单独拉出了一根CAN总线，从而有效的避免了多个设备共享总线时的访问冲突，达到了和TTP/C总线相同的实时性和确定性效果。在BPCU与GCU之间，由于设备之间传输的数据量不大，因此可以用一根CAN总线将设备互联。而系统的经济性则大幅提升，因为一般处理器都自带CAN控制器，没有额外的硬件开销。这种设计将整个电源系统都归结到G RPDU子网内部，避免了在电源系统内部通信ICD修改时，将改动传播到航电数据网络，降低电源系统与航电系统的数据藕合，降低了协议改动所带来的开发成本。[0013]基于AFDX和CAN的两级通信网络，电源系统内部分割成几个相对的通信子网，子网之间采用AFDX通信，分别由BPCU（汇流条功率控制器）和RPDU（远程配电单元）作为通信的网关。而在子网内部，则采用CAN通信。为达到和TTP/C相同的实时性和确定性，在RPDU子网内部，从网关设备到每个节点单独拉出了一根CAN总线，从而有效的避免了多个设备共享总线时的访问冲突，达到了和TTP/C总线相同的实时性和确定性效果。在BPCU子网内部，由于设备之间传输的数据量不大，因此可以用一根CAN总线将设备互联，从而可以实现GCU之间的直接通信。而系统的经济性则大幅提升，因为一般处理器都自带CAN控制器，没有额外的硬件开销。

附图说明

[0014]图1为B787的电源系统通信架构设计结构。

[0015]图2为本专利提出的基于AFDX和CAN的两级通信系统架构设计结构。[0016]图3为RPDU子网内部的通信架构设计结构。[0017]图4为本专利提出的基于AFDX、ARINC429和CAN的两级通信系统架构设计结构。[0018]图5为RPDU子网内部的通信架构设计结构。

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图6为BPCU子网内部的通信架构设计结构。

[0020]图7为本专利提出的基于AFDX和CAN的两级通信系统架构设计结构。[0021]图8为不带SPDU的RPDU子网内部的通信架构设计结构。[0022]图9为带SPDU的RPDU子网内部的通信架构设计结构。

[0023]图10为本专利提出的基于AFDX和CAN的两级通信系统架构设计，它支持GCU之间直接通信。

[0024]图11为RPDU子网内部的通信架构设计结构。

具体实施方式

[0025]下面通过具体的实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。[0026]实施例1：

基于AFDX和CAN的两级通信系统架构设计

图2为本专利提出的基于AFDX和CAN的两级通信系统架构设计，其中涉及到的设备有：-2台BPCU（汇流条功率控制器），左右各1台-4台GCU（发电机控制器），左右各2台；-1台A GCU，划分到左侧网络-1台RAT GCU，划分到右侧网络-2台SPDU（二次配电单元），左右各1台-4台G RPDU（远程配电单元），左右各2台，作为RPDU子网的网关-12台S RPDU，左右各6台，作为RPDU子网的设备本专利将上述设备划分为6个子网，分别是：-子网1：L BPCU，L1 GCU，L2 GCU，A GCU和L SPDU，其中L BPCU作为该子网的网关，通过AFDX与外部总线通信，子网内部设置了4条CAN总线，CAN1~CAN4，分别从L BPCU连接到子网内的4台设备；

-子网2：R BPCU，R1 GCU，R2 GCU，RAT GCU和R SPDU，其中R BPCU作为该子网的网关，通过AFDX与外部总线通信，子网内部设置了4条CAN总线，CAN1~CAN4，分别从R BPCU连接到子网内的4台设备；

-子网3：L1 G RPDU，L1 S RPDU1，L1 S RPDU2，L1 S RPDU3，其中L1 G RPDU作为该子网的网关，通过AFDX与外部总线通信，子网内部设置了3条CAN总线，CAN1~CAN3，分别从L1 S RPDU1连接到子网内的3台设备；

-子网4、5、6的通信架构设计与子网3类似

子网1~6的外部总线都统一连接到飞机的数据网络（Central Data Network，CDN），总线接口为AFDX。

[0027]上述通信架构取消了TTP/C，提高了经济性，降低了硬件开销，同时也没有丧失通信的实时性。[0028]3、RPDU子网内部的通信架构设计

图3为RPDU子网内部的通信架构设计。其中有4台设备，有1台G RPDU和3台S RPDU，即RPDU1~3. G RPDU的外部出口总线为AFDX，到RPDU1~3的总线为CAN，均采用双余度架构，即RPDU1~3的SSPC（固态功率控制器）都分别经过两路CAN总线连接到G RPDU的通信板（COM1和

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COM2），这种双冗余的架构，在满足实时性的要求下，进一步提高了通信的可靠性。[0029]实施例2：

本专利提出的基于AFDX和CAN的两级通信系统架构设计

图4为本专利提出的基于AFDX和CAN的两级通信系统架构设计，其中涉及到的设备有：-2台BPCU（汇流条功率控制器），左右各1台-4台GCU（发电机控制器），左右各2台；-1台A GCU，划分到左侧网络-1台RAT GCU，划分到右侧网络-2台SPDU（二次配电单元），左右各1台-4台G RPDU（远程配电单元），左右各2台，作为RPDU子网的网关-12台S RPDU，左右各6台，作为RPDU子网的设备本专利将上述设备划分为6个子网，分别是：-子网1：L BPCU，L1 GCU，L2 GCU，A GCU和L SPDU，其中L BPCU作为该子网的网关，通过AFDX与外部总线通信，子网内部设置了ARINC429网络，用于连接L1 GCU、L2 GCU、A GCU以及L BPCU，这种连接可以保证在网关L BPCU失效的情况下，其它几个节点之间仍然能够正常通信；L BPCU与L SPDU之间直接用点对点CAN通信，因为SPDU与GCU之间没有直接信息交联。[0030]-子网2：R BPCU，R1 GCU，R2 GCU，RAT GCU和R SPDU，其中R BPCU作为该子网的网关，通过AFDX与外部总线通信，子网内部设置了ARINC429网络，用于连接R1 GCU、R2 GCU、RAT GCU以及R BPCU，这种连接可以保证在网关R BPCU失效的情况下，其它几个节点之间仍然能够正常通信；R BPCU与R SPDU之间直接用点对点CAN通信，因为SPDU与GCU之间没有直接信息交联。

[0031]-子网3：L1 G RPDU，L1 S RPDU1，L1 S RPDU2，L1 S RPDU3，其中L1 G RPDU作为该子网的网关，通过AFDX与外部总线通信，子网内部设置了3条CAN总线，CAN1~CAN3，分别从L1 S RPDU1连接到子网内的3台设备；

-子网4、5、6的通信架构设计与子网3类似

子网1~6的外部总线都统一连接到飞机的数据网络（Central Data Network，CDN），总线接口为AFDX。

[0032]上述通信架构取消了TTP/C，提高了经济性，降低了硬件开销，同时也没有丧失通信的实时性。[0033]3、RPDU子网内部的通信架构设计

图5为RPDU子网内部的通信架构设计。其中有4台设备，有1台G RPDU和3台S RPDU，即RPDU1~3. G RPDU的外部出口总线为AFDX，到RPDU1~3的总线为CAN，均采用双余度架构，即RPDU1~3的SSPC（固态功率控制器）都分别经过两路CAN总线连接到G RPDU的通信板（COM1和COM2），这种双冗余的架构，在满足实时性的要求下，进一步提高了通信的可靠性。[0034]4.BPCU子网内部的通信架构设计

图6为BPCU子网内部的通信架构设计，其中包括ARINC429网络和CAN网络。其中CAN网络为BPCU与SPDU直连，ARINC429网络是一个多对多的连接，网络上的每个设备分别向另外3个设备发送ARINC 429消息，同时也接收来自其它3个设备的ARINC 429消息。即每个设备都有3发3收的ARINC 429连接。

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实施例3：2、本专利提出的基于AFDX和CAN的两级通信系统架构设计

图7为本专利提出的基于AFDX和CAN的两级通信系统架构设计，其中涉及到的设备有：- 2台BPCU（汇流条功率控制器），左右各1台- 4台GCU（发电机控制器），左右各2台；- 1台A GCU，划分到左侧网络- 1台RAT GCU，划分到右侧网络- 2台SPDU（二次配电单元），左右各1台- 4台G RPDU（远程配电单元），左右各2台，作为RPDU子网的网关- 12台S RPDU，左右各6台，作为RPDU子网的设备本专利将上述设备以G RPDU为中心划分为4个子网，分别是：- 带SPDU的子网L1 G RPDU和R2 G RPDU：L1 G RPDU分别通过一条单独的CAN总线（CAN1~CAN4）与3个S RPDU（1~3）和L SPDU通信，R2 G RPDU分别通过一条单独的CAN总线（CAN1~CAN4）与3个S RPDU（1~3）和R SPDU通信，L1 G RPDU和R2 G RPDU通过AFDX与航电总线通信；

- 不带SPDU的子网L2 G RPDU和R1 G RPDU：L2 G RPDU分别通过一条单独的CAN总线（CAN1~CAN3）与3个S RPDU（1~3）通信，R1 G RPDU分别通过一条单独的CAN总线（CAN1~CAN3）与3个S RPDU（1~3）通信，L2 G RPDU和R1 G RPDU通过AFDX与航电总线通信；

上述4个网络的外部总线都统一连接到飞机的数据网络（Central Data Network，CDN），总线接口为AFDX。

[0036]上述通信架构取消了TTP/C，提高了经济性，降低了硬件开销，同时也没有丧失通信的实时性。

[0037]余下的几个设备，L1 GCU、L2 GCU、A GCU、L1 GCU、L2 GCU、RAT GCU，L BPCU，R BPCU和4台G RPDU（L1 G RPDU、L2 G RPDU、R1 G RPDU和R2 G RPDU）之间由于传输的数据量不大，所以采用1条双余度的CAN总线直接相连。这样既保证了BPCU和GCU之间，以及GCU彼此之间的相互直接通信，又节省了飞机电缆重量。[0038]3、为不带SPDU的RPDU子网内部的通信架构设计

图8为不带SPDU的RPDU子网内部的通信架构设计。其中有4台设备，有1台G RPDU和3台S RPDU，即RPDU1~3. G RPDU的外部出口总线为AFDX，到RPDU1~3的总线为CAN，均采用双余度架构，即RPDU1~3的SSPC（固态功率控制器）都分别经过两路CAN总线连接到G RPDU的通信板（COM1和COM2），这种双冗余的架构，在满足实时性的要求下，进一步提高了通信的可靠性。[0039]4.带SPDU的RPDU子网内部的通信架构设计

图9为带SPDU的RPDU子网内部的通信架构设计，它与不带SPDU的RPDU子网的区别在于子网内多了一台SPDU，因此从G RPDU又单独拉出了双余度的CAN总线与SPDU进行通信。[0040]实施例4：

本专利提出的基于AFDX和CAN的两级通信系统架构设计，它支持GCU之间直接通信图10为本专利提出的基于AFDX和CAN的两级通信系统架构设计，其中涉及到的设备有：- 2台BPCU（汇流条功率控制器），左右各1台- 4台GCU（发电机控制器），左右各2台；

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- 1台A GCU，划分到左侧网络- 1台RAT GCU，划分到右侧网络- 2台SPDU（二次配电单元），左右各1台- 4台G RPDU（远程配电单元），左右各2台，作为RPDU子网的网关- 12台S RPDU，左右各6台，作为RPDU子网的设备本专利将上述设备划分为6个子网，分别是：- 子网1：L BPCU，L1 GCU，L2 GCU，A GCU和L SPDU，其中L BPCU作为该子网的网关，通过AFDX与外部总线通信，子网内部设置了2条CAN总线，其中一条CAN总线用于连接L SPDU与L BPCU，另一条CAN总线用于将L BPCU，L1 GCU，L2 GCU，A GCU，R BPCU，R1 GCU，R2 GCU，RAT GCU连接在一个CAN网络内，使他们彼此之间可以直接相互通信，不用经过L BPCU转发；

- 子网2：R BPCU，R1 GCU，R2 GCU，RAT GCU和R SPDU，其中R BPCU作为该子网的网关，通过AFDX与外部总线通信，子网内部设置了2条CAN总线，其中一条CAN总线用于连接R SPDU与R BPCU，另一条CAN总线用于将L BPCU，L1 GCU，L2 GCU，A GCU，R BPCU，R1 GCU，R2 GCU，RAT GCU连接在一个CAN网络内，使他们彼此之间可以直接相互通信，不用经过R BPCU转发；

- 子网3：L1 G RPDU，L1 S RPDU1，L1 S RPDU2，L1 S RPDU3，其中L1 G RPDU作为该子网的网关，通过AFDX与外部总线通信，子网内部设置了3条CAN总线，CAN1~CAN3，分别从L1 S RPDU1连接到子网内的3台设备；

- 子网4、5、6的通信架构设计与子网3类似

子网1~6的外部总线都统一连接到飞机的数据网络（Central Data Network，CDN），总线接口为AFDX。

[0041]上述通信架构取消了TTP/C，提高了经济性，降低了硬件开销，同时也没有丧失通信的实时性。[0042]另外，图中画出的CAN总线均为双余度总线，图中画出的是单线示意图。[0043]3、RPDU子网内部的通信架构设计

图11为RPDU子网内部的通信架构设计。其中有4台设备，有1台G RPDU和3台S RPDU，即RPDU1~3. G RPDU的外部出口总线为AFDX，到RPDU1~3的总线为CAN，均采用双余度架构，即RPDU1~3的SSPC（固态功率控制器）都分别经过两路CAN总线连接到G RPDU的通信板（COM1和COM2），这种双冗余的架构，在满足实时性的要求下，进一步提高了通信的可靠性。[0044]以上仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但且不能因此而理解为对发明专利范围的。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

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