CN107040287B - 一种基于电力线宽带载波通信的飞行器电气系统 - Google Patents

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Abstract

一种基于电力线宽带载波通信的飞行器电气系统,基于电力线宽带载波通信的飞行器电气系统的各个设备之间没有专用的通信电缆，所有的通信的信号都通过28V供电电缆(电力线)传输。飞行器电气系统的通信总线采用共享的总线型的拓扑结构，通信在不能替代的供电线路上实现，不需要专用的通信电缆，减小飞行器和地面的布线难度，减轻飞行器的飞行重量，增加有效载荷重量，提高飞行器电气系统可靠性，设计工作主要分为硬件设计和通信协议设计。

Description

一种基于电力线宽带载波通信的飞行器电气系统
技术领域
本发明涉及一种基于电力线宽带载波通信的飞行器电气系统，属于飞行器电气系统领域。
背景技术
电力线宽带载波通信是利用电力线作为介质，进行载波传输的一种通信方式。在智能电网抄表系统和智能家居等民用领域得到已经广泛应用的成熟技术。
随着我国飞行器的迅猛发展，飞行器的电气系统通信电缆及其电连接器的数量和重量也逐步增加，已经影响了飞行器的有效载荷，同时也使电气系统的可靠性有所降低，需要采取措施减少飞行器电气系统的电缆重量。
电力线通信是利用电力线作为介质，进行载波传输的一种通信方式。早在20世纪20年代，该技术就已被提出，但在其初期阶段，该技术仅仅用于远程自动抄表、家电自动控制等对数据传输速率要求不高的领域。随着21世纪的到来，国际互联网技术和通讯技术已有了突飞猛进的发展，促进了该技术的飞跃式发展。目前，已经出现传输速率在200Mbit/s的该技术，该技术可以在现有的电力线网络上进行应用，并有望实现传输数据、语音、影像、电力于一网的“四网合一”，这是一项极具活力和开发潜力的前沿技术。
发明内容
本发明的目的在于：克服现有技术的上述缺陷，提供一种基于电力线宽带载波通信的飞行器电气系统，将电力线宽带载波通信技术应用到飞行器电气系统中，在飞行器电气系统的电源线上进行通信，实现电气系统中各个设备的供电和通信一体化，增加飞行器的有效载荷，促进飞行器的发展。
本发明采用的技术方案为：
一种基于电力线宽带载波通信的飞行器电气系统，包括飞行器上的中心控制器、配电装置、电池、舵机、惯组、遥测系统以及设置在地面的测发控系统；中心控制器、配电装置、舵机、惯组、遥测系统和测发控系统中均配置有接口卡；
中心控制器、配电装置、舵机、惯组、遥测系统以及设置在地面的测发控系统之间通过接口卡和供电电缆连接，实现供电和通信；配电装置控制电池给舵机供电，用于驱动舵机工作。
所述接口卡包括物理层、链路层和传输层三层结构，其中物理层为冗余设计。
所述接口卡的物理层包括滤波器、耦合器和调制解调模块；耦合器连接所述供电电缆，对于输入信号，依次通过耦合器与滤波器，滤波后的信号通过调制解调模块进行解调，生成比特流进入链路层；对于输出信号，调制解调模块对链路层输出的比特流进行调制，生成模拟信号再依次通过滤波器与耦合器输出。
所述接口卡包括物理层、链路层、传输层三层结构以及二次电源模块。
所述接口卡的物理层包括滤波器、耦合器和调制解调模块；所述供电电缆连接到耦合器以及二次电源模块，通过物理层、链路层和传输层实现通信的同时，还通过二次电源模块实现二次电源供电；
对于输入信号，依次通过耦合器与滤波器，滤波后的信号通过调制解调模块进行解调，生成比特流进入链路层；对于输出信号，调制解调模块对链路层输出的比特流进行调制，生成模拟信号再依次通过滤波器与耦合器输出。
所述耦合器包括电容C4、C5、耦合变压器以及电感L3；所述供电电缆的正信号通过电感L3和电容C5连接到耦合变压器初级线圈的输入正端，供电电缆的地连接到耦合变压器初级线圈的输入负端；耦合变压器次级线圈输出正端通过电容C4输出到滤波器，耦合变压器次级线圈输出负端接地。
所述滤波器包括电容C1、C2、C3、电感L1、L2、电阻R1和R2；
耦合器输出的信号依次通过电阻R1、电容C1、电感L1和电容C3之后输出，且经过C3之后的输出信号即为滤波器的输出信号；在电感L1和电容C3之间，还通过电阻R2、电容C2和电感L2组成的LC滤波电路接地。
中心控制器、配电装置、舵机、惯组、遥测系统以及设置在地面的测发控系统之间的通信，包括从中心控制器到其他设备的通信、从其他设备到中心控制器的通信以及其他设备之间的通信三类，所述其他设备即为从设备。
从中心控制器到其他设备的通信具体为：中心控制器发出一个接收控制码及规定数目的数据码到从设备，从设备在接收到该帧之后，返回一个状态码给中心控制器，控制码和数据码为连续形式，之间没有码间间隔。
从其他设备到中心控制器的通信具体为：中心控制器向从设备发出一个发送数据控制码，该从设备在校验该控制码有效后后，发回一个状态码给中心控制设备，然后以按控制码规定数目的发送数据码到中心控制设备，状态码和数据码之间为连续形式，没有码间间隔。
当从设备A需要向从设备B发送数据时，中心控制器首先向从设备B发出一个接收控制码，然后向从设备A发出一个发送控制码，从设备A在校验发送控制码有效之后，发送一个状态码，然后发送按照中心控制器控制码规定数目的数据码；状态码和数据码为连续形式，之间没有码间间隔；从设备B在接收到规定数目的数据码之后，从设备B发出状态码。
所述控制码包括从设备地址字段、T/R位、数据码计数及奇偶校验位；从设备地址段：每个从设备被指定为一个专有地址，总线上最多可以负载128个从设备；在从设备地址后的一位是T/R位，即发送/接收位，表示要求从设备的操作，逻辑0表示从设备做接收操作，逻辑1表示从设备做发送操作；在T/R位后的8位，用来表示从设备发送或接收的数据码的个数，数据长度最多为256，最后一位是前16位的奇偶校验。
数据码包括16bit的数据字段和1bit的校验位，一帧数据最多有256个数据码组成。
状态码包括从设备地址字段、帧差错位、服务请求位、备用位及奇偶校验位；
从设备通过发送状态码给中心控制器反馈自身状态，当收到中心控制器的控制码或者数据码有错误发生时将帧差错位置1，当从设备需要服务将请求服务位置为1，要求中心控制器启动与本从设备有关的预定操作，最后一位是奇偶校验。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
(1)、有效减少电缆数量和重量，不必增加专用的物理通信电缆，在电力线上实现通信，可以增加飞行器的有效载荷；
(2)、与其他通信方式相比，电力线宽带载波通信对物理电缆和电连接器的性能要求不高，可以有效地减少通信电缆和电连接器，从而提供电气系统的可靠性，；
(3)、电力线宽带载波通信在物理层采用OFDM调制解调方式，抗衰减能力强。OFDM通过多个子载波传输用户信息，对脉冲噪声(Impulse Noise)和信道快衰落的抵抗力很强。同时，通过子载波的联合编码，OFDM实现了子信道间的频率分集作用，也增强了对脉冲噪声和信道快衰落的抵抗力，使整个通信系统具有良好的抗干扰性能；
(4)、基于电力线宽带载波通信的电气系统是一个开放的电气系统，最多可以有128从设备，具有良好系统扩展性；
(5)、电气系统均有电源系统，所有的电气系统均可以采用电力线宽带载波通信方式，通信信号的均可以移植到基于电力线宽带载波通信系统中。
附图说明
图1基于电力线宽带载波通信的电气系统组成示意图；
图2双冗余接口卡组成示意图；
图3电源接口卡组成示意图
图4耦合器组成示意图；
图5滤波器组成示意图；
图6电力线宽带载波通信协议模型示意图；
图7控制码格式；
图8数据码格式；
图9状态码格式；
图10中心控制设备到从设备数据传送示意图；
图11从设备到中心控制设备数据传送示意图；
图12从设备间数据传送示意图；
图13基于电力线宽带载波通信的电气系统组成示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的描述：
如图1所示，本发明提出了一种基于电力线宽带载波通信的飞行器电气系统，包括飞行器上的中心控制器、配电装置、电池、舵机、惯组、遥测系统以及设置在地面的测发控系统；中心控制器、配电装置、舵机、惯组、遥测系统和测发控系统中均配置有接口卡，基于电力线宽带载波通信的飞行器电气系统的各个设备之间没有专用的通信电缆。
中心控制器、配电装置、舵机、惯组、遥测系统以及设置在地面的测发控系统之间通过接口卡和供电电缆连接，实现供电和在中心控制器的控制下实现各个设备之间的通信；配电装置控制电池给舵机供电，用于驱动舵机工作。
如图2所示，所述接口卡包括物理层、链路层和传输层三层结构，其中物理层为冗余设计。
接口卡的物理层包括滤波器、耦合器和调制解调模块；耦合器连接所述供电电缆，对于输入信号，依次通过耦合器与滤波器，滤波后的信号通过调制解调模块进行解调，生成比特流进入链路层；对于输出信号，调制解调模块对链路层输出的比特流进行调制，生成模拟信号再依次通过滤波器与耦合器输出。
如图3所示，本发明中的接口卡可以有另一种实现形式：包括物理层、链路层、传输层三层结构以及二次电源模块。接口卡的物理层包括滤波器、耦合器和调制解调模块；所述供电电缆连接到耦合器以及二次电源模块，通过物理层、链路层和传输层实现通信的同时，还通过二次电源模块实现二次电源供电；
对于输入信号，依次通过耦合器与滤波器，滤波后的信号通过调制解调模块进行解调，生成比特流进入链路层；对于输出信号，调制解调模块对链路层输出的比特流进行调制，生成模拟信号再依次通过滤波器与耦合器输出。
如图4所示，本发明中的耦合器包括电容C4、C5、耦合变压器以及电感L3；所述供电电缆的正信号通过电感L3和电容C5连接到耦合变压器初级线圈的输入正端，供电电缆的地连接到耦合变压器初级线圈的输入负端；耦合变压器次级线圈输出正端通过电容C4输出到滤波器，耦合变压器次级线圈输出负端接地。
如图5所示，本发明中的滤波器包括电容C1、C2、C3、电感L1、L2、电阻R1和R2；
耦合器输出的信号依次通过电阻R1、电容C1、电感L1和电容C3之后输出，且经过C3之后的输出信号即为滤波器的输出信号；在电感L1和电容C3之间，还通过电阻R2、电容C2和电感L2组成的LC滤波电路接地。
本发明中，中心控制器、配电装置、舵机、惯组、遥测系统以及设置在地面的测发控系统之间的通信，包括从中心控制器到其他设备的通信、从其他设备到中心控制器的通信以及其他设备之间的通信三类，所述其他设备即为从设备。
如图10所示，从中心控制器到其他设备的通信具体为：中心控制器发出一个接收控制码及规定数目的数据码到从设备，从设备在接收到该帧之后，返回一个状态码给中心控制器，控制码和数据码为连续形式，之间没有码间间隔。
如图11所示，从其他设备到中心控制器的通信具体为：中心控制器向从设备发出一个发送数据控制码，该从设备在校验该控制码有效后后，发回一个状态码给中心控制设备，然后以按控制码规定数目的发送数据码到中心控制设备，状态码和数据码之间为连续形式，没有码间间隔。
如图12所示，其他设备之间的通信具体为：当从设备A需要向从设备B发送数据时，中心控制器首先向从设备B发出一个接收控制码，然后向从设备A发出一个发送控制码，从设备A在校验发送控制码有效之后，发送一个状态码，然后发送按照中心控制器控制码规定数目的数据码；状态码和数据码为连续形式，之间没有码间间隔；从设备B在接收到规定数目的数据码之后，从设备B发出状态码。
如图6、7、8、9所示，所述控制码包括从设备地址字段、T/R位、数据码计数及奇偶校验位；从设备地址段：每个从设备被指定为一个专有地址，总线上最多可以负载128个从设备；在从设备地址后的一位是T/R位，即发送/接收位，表示要求从设备的操作，逻辑0表示从设备做接收操作，逻辑1表示从设备做发送操作；在T/R位后的8位，用来表示从设备发送或接收的数据码的个数，数据长度最多为256，最后一位是前16位的奇偶校验。
数据码包括16bit的数据字段和1bit的校验位，一帧数据最多有256个数据码组成。
状态码包括从设备地址字段、帧差错位、服务请求位、备用位及奇偶校验位；从设备通过发送状态码给中心控制器反馈自身状态，当收到中心控制器的控制码或者数据码有错误发生时将帧差错位置1，当从设备需要服务将请求服务位置为1，要求中心控制器启动与本从设备有关的预定操作，最后一位是奇偶校验。
如图13所示，基于电力线通信的电气系统是一个开放的电气系统，最多可以有128从设备，即128个子系统，完全能过满足目前和未来飞行器电气系统的需要，一个最全面的基于电力线通信的电气系统组成，飞行器电气系统的控制系统、遥测系统、导航系统、目标识别系统等分系统都通过电力线宽带载波通信总线实现通信。
实施例：
a)电气系统上电，中心控制器自检；
b)中心控制器处于查询状态；
c)中心控制器查询从设备1(测发控系统)中有无新的地面指令，从设备1(测发控系统)向飞中心控制器发送“参数装订指令”，中心控制器将结果返回从设备1(测发控系统)，完成后中心控制器处于查询状态；
d)中心控制器查询从设备1(测发控系统)中有无新的地面指令，从设备1(测发控系统)向中心控制器发送“从设备2(舵机)自检指令”，中心控制器将结果返回从设备1(测发控系统)，完成后中心控制器处于查询状态；
e)中心控制器查询从设备1(测发控系统)中有无新的地面指令，从设备1(测发控系统)向中心控制器发送“a检查指令”，中心控制器将结果返回从设备1(测发控系统)，完成后中心控制器处于查询状态；
f)中心控制器查询从设备1(测发控系统)中有无新的地面指令，从设备1(测发控系统)向中心控制器发送“b检查指令”，中心控制器将结果返回从设备1(测发控系统)，完成后飞中心控制器处于查询状态；
g)中心控制器查询从设备1(测发控系统)中有无新的地面指令，从设备1(测发控系统)向中心控制器发送“IMU输出检查”，中心控制器将结果返回从设备1(测发控系统)，完成后中心控制器处于查询状态；
h)中心控制器查询从设备1(测发控系统)中有无新的地面指令，从设备1(测发控系统)向中心控制器发送＇c输出检查＇，中心控制器将结果返回从设备1(测发控系统)，完成后中心控制器处于查询状态；
i)中心控制器查询从设备1(测发控系统)中有无新的地面指令，从设备1(测发控系统)向中心控制器发送“输出检查指令”，中心控制器将结果返回从设备1(测发控系统)，完成后中心控制器处于查询状态；
j)中心控制器查询从设备1(测发控系统)中有无新的地面指令，从设备1(测发控系统)向中心控制器发送“飞行器设备自检指令”，飞行器检查完成后，中心控制器将结果返回从设备1(测发控系统)，完成后中心控制器处于查询状态；
k)中心控制器查询从设备1(测发控系统)中有无新的地面指令，从设备1(测发控系统)向中心控制器发送“准备起飞指令”，中心控制器将结果返回从设备1(测发控系统)，完成后中心控制器处于查询状态；
l)中心控制器查询从设备1(测发控系统)中有无新的地面指令，从设备1(测发控系统)向中心控制器发送“飞行器计算机参数指令”，中心控制器将结果返回从设备1(测发控系统)；
m)从设备1(测发控系统)向中心控制器发送＇起飞检查指令＇，飞控机组件将结果返回从设备1(测发控系统)；
开始进入飞行程序。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (12)

1.一种基于电力线宽带载波通信的飞行器电气系统，其特征在于：包括飞行器上的中心控制器、配电装置、电池、舵机、惯组、遥测系统以及设置在地面的测发控系统；中心控制器、配电装置、舵机、惯组、遥测系统和测发控系统中均配置有接口卡；
中心控制器、配电装置、舵机、惯组、遥测系统以及设置在地面的测发控系统之间通过接口卡和供电电缆连接，实现供电和通信；配电装置控制电池给舵机供电，用于驱动舵机工作；
所述接口卡包括物理层、链路层和传输层三层结构，其中物理层为冗余设计；
所述接口卡的物理层包括滤波器、耦合器和调制解调模块；耦合器连接所述供电电缆，对于输入信号，依次通过耦合器与滤波器，滤波后的信号通过调制解调模块进行解调，生成比特流进入链路层；对于输出信号，调制解调模块对链路层输出的比特流进行调制，生成模拟信号再依次通过滤波器与耦合器输出。
2.根据权利要求1所述的一种基于电力线宽带载波通信的飞行器电气系统，其特征在于：所述接口卡包括物理层、链路层、传输层三层结构以及二次电源模块。
3.根据权利要求2所述的一种基于电力线宽带载波通信的飞行器电气系统，其特征在于：所述接口卡的物理层包括滤波器、耦合器和调制解调模块；所述供电电缆连接到耦合器以及二次电源模块，通过物理层、链路层和传输层实现通信的同时，还通过二次电源模块实现二次电源供电；
对于输入信号，依次通过耦合器与滤波器，滤波后的信号通过调制解调模块进行解调，生成比特流进入链路层；对于输出信号，调制解调模块对链路层输出的比特流进行调制，生成模拟信号再依次通过滤波器与耦合器输出。
4.根据权利要求1或3所述的一种基于电力线宽带载波通信的飞行器电气系统，其特征在于：所述耦合器包括电容C4、C5、耦合变压器以及电感L3；所述供电电缆的正信号通过电感L3和电容C5连接到耦合变压器初级线圈的输入正端，供电电缆的地连接到耦合变压器初级线圈的输入负端；耦合变压器次级线圈输出正端通过电容C4输出到滤波器，耦合变压器次级线圈输出负端接地。
5.根据权利要求1或3所述的一种基于电力线宽带载波通信的飞行器电气系统，其特征在于：所述滤波器包括电容C1、C2、C3、电感L1、L2、电阻R1和R2；
耦合器输出的信号依次通过电阻R1、电容C1、电感L1和电容C3之后输出，且经过C3之后的输出信号即为滤波器的输出信号；在电感L1和电容C3之间，还通过电阻R2、电容C2和电感L2组成的LC滤波电路接地。
6.根据权利要求1所述的一种基于电力线宽带载波通信的飞行器电气系统，其特征在于：中心控制器、配电装置、舵机、惯组、遥测系统以及设置在地面的测发控系统之间的通信，包括从中心控制器到其他设备的通信、从其他设备到中心控制器的通信以及其他设备之间的通信三类，所述其他设备即为从设备。
7.根据权利要求6所述的一种基于电力线宽带载波通信的飞行器电气系统，其特征在于：从中心控制器到其他设备的通信具体为：中心控制器发出一个接收控制码及规定数目的数据码到从设备，从设备在接收到之后，返回一个状态码给中心控制器，控制码和数据码为连续形式，之间没有码间间隔。
8.根据权利要求6所述的一种基于电力线宽带载波通信的飞行器电气系统，其特征在于：从其他设备到中心控制器的通信具体为：中心控制器向从设备发出一个发送数据控制码，该从设备在校验该控制码有效后，发回一个状态码给中心控制设备，然后以按控制码规定数目的发送数据码到中心控制设备，状态码和数据码之间为连续形式，没有码间间隔。
9.根据权利要求6所述的一种基于电力线宽带载波通信的飞行器电气系统，其特征在于：其他设备之间的通信具体为：当从设备A需要向从设备B发送数据时，中心控制器首先向从设备B发出一个接收控制码，然后向从设备A发出一个发送控制码，从设备A在校验发送控制码有效之后，发送一个状态码，然后发送按照中心控制器控制码规定数目的数据码；状态码和数据码为连续形式，之间没有码间间隔；从设备B在接收到规定数目的数据码之后，从设备B发出状态码。
10.根据权利要求7、8或9所述的一种基于电力线宽带载波通信的飞行器电气系统，其特征在于：所述控制码包括从设备地址字段、T/R位、数据码计数及奇偶校验位；从设备地址段：每个从设备被指定为一个专有地址，总线上最多可以负载128个从设备；在从设备地址后的一位是T/R位，即发送/接收位，表示要求从设备的操作，逻辑0表示从设备做接收操作，逻辑1表示从设备做发送操作；在T/R位后的8位，用来表示从设备发送或接收的数据码的个数，数据长度最多为256，最后一位是前16位的奇偶校验。
11.根据权利要求7、8或9所述的一种基于电力线宽带载波通信的飞行器电气系统，其特征在于：数据码包括16bit的数据字段和1bit的校验位，一帧数据最多有256个数据码组成。
12.根据权利要求7、8或9所述的一种基于电力线宽带载波通信的飞行器电气系统，其特征在于：状态码包括从设备地址字段、帧差错位、服务请求位、备用位及奇偶校验位；
从设备通过发送状态码给中心控制器反馈自身状态，当收到中心控制器的控制码或者数据码有错误发生时将帧差错位置1，当从设备需要服务将请求服务位置为1，要求中心控制器启动与本从设备有关的预定操作，最后一位是奇偶校验。
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