包括由共用于电力和数据的线连接的控制器和至少一个外围设备的航空电子系统

摘要

根据本发明的第一方面，本发明涉及一种形成中央控制器(C)的装置，该中央控制器通过电力线(L)连接到远程外围设备(P1-PN)，所述装置包括：电力发送器(1)和设置在所述电力发送器和电线之间的低通滤波器(CC_BF)，以及用于发送/接收基带数据的装置(3)和设置在数据发送/接收装置和所述电线之间的高通滤波器(CC_HF)，所述电线的类型为共用于以低频将电力从所述中央控制器发送到所述远程外围设备，以及在所述中央控制器和所述远程外围设备之间以高频同时双向发送基带数据。本发明还涉及一种远程外围设备(P1-PN)和一种系统，所述系统包括中央控制器，该中央控制器通过共用于发送电力和同时发送双向数据的电线连接到一个或多个远程外围设备。

说明书

技术领域

本发明的技术领域为航空电子设备。更具体地，本发明涉及一种航空电子系统，其包括中央控制器和通过电力线连接到所述中央控制器的一个或多个远程外围设备。

背景技术

现今航空电子系统包括越来越智能的传感器或激励器类型的远程外围设备。它们涉及特殊的关键的飞行控制设备，例如电致动器，其不仅由中央控制器控制，还向中央控制器提供报告。

在中央控制器和远程外围设备之间有必要具有同时的双向通信信道(“全双工”)，从而一方面中央控制器能够将其命令和指令发送到远程外围设备，另一方面外围设备可以将其报告反馈给中央控制器。

数据的交换通常为每秒10000个样本的量级，从而需要100k比特(bits)到1M比特量级的通带。将会注意到当外围设备与中央控制器形成伺服环路时对通带的要求尤其更高。

因此希望一方面对远程外围设备供应电力(通常为几kW)，另一方面确保具有1M比特/秒(bits/s)的有用信息的发送速率的与通常远达50m的远程外围设备之间的同时的双向通信信道。

另外，这样的航空电子系统一般用于复合飞机环境，复合飞机环境具有特定的约束，特别是对于机载电子元件的设计方面(符合DO254标准)。

因此，为了确保1500V的绝缘接触闪电约束，需要设置高阻抗路径来抵抗感应电流的通路。而且，电磁兼容(EMC)约束强制指示的EMC至少对于低频元件来说不是针对金属地(metallic earth)。

对于已知的联机载波电流(CPL)的技术，已知其能够共用单根双股线来发送电力和双向数据。根据该技术，数字信息被调制和添加到电信号(electrical signal)从而能够通过电线行进传递。

然而CPL技术在辐射方面非常污染因此不符合飞机环境的EMC约束。此外很难完成对复杂商业元件(COTS元件：商用现货)的DO254合理化。

因此证明CPL技术不适用于航空电子系统。

事实在于，利用航空电子系统的电力线来向外围设备提供电力并且携带在控制器和外围设备之间以同时的双向模式发送的数据，同时还符合该系统要应用于的环境的特殊约束是明智的。

发明内容

本发明的目的在于响应此需要，并为此根据第一方面提供一种形成中央控制器的装置，该中央控制器通过电力线连接到远程外围设备，所述装置包括：电力发送器和设置在所述电力发送器和电线之间的低通滤波器，以及用于发送/接收基带数据的装置和设置在数据发送/接收装置和所述电线之间的高通滤波器，所述电线的类型为共用(mutualized)于将低频电力从所述中央控制器发送到所述远程外围设备，以及在所述中央控制器和所述远程外围设备之间以高频同时双向传送基带数据。

根据第二方面，本发明提供一种形成远程外围设备的装置，该远程外围设备通过电力线连接到中央控制器，所述装置包括：电力接收器和设置在所述电力接收器和电线之间的低通滤波器，以及用于发送/接收基带数据的装置和设置在数据发送/接收装置和所述电线之间的高通滤波器，所述电线的类型为共用于将低频电力从所述中央控制器发送到所述远程外围设备，以及在所述中央控制器和所述远程外围设备之间以高频同时双向发送基带数据。

根据本发明的第一方面和第二方面的装置的某些优选地但是非限制方面如下：

-所述数据发送/接收装置包括差分放大器，该差分放大器能够在所述电线上发送的数据中，区分本地发送的数据和接收的数据。

-所述差分放大器一方面通过变压器接收在所述线上发送的数据，另一方面通过增益衰减器和延迟器(retarder)接收本地发送的数据。

-由所述差分放大器区分的接收的数据流过包括迟滞比较器的接收电路，该迟滞比较器能够重新构建接收的消息的二进制状态。

-所述接收电路还包括用于接收的消息的时钟再生的装置。

-所述本地发送的数据流过包括高频滤波器的发送路径，该高频滤波器接收以二进制信号形式发送的数据，并且适用于确保这些数据的零平均分量。

-此外，所述中央控制器的发送路径包括阻抗，该阻抗的值等于所述电线的特征阻抗。

-此外，所述远程外围设备的发送路径包括电压/电流转换器，该电压/电流转换器具有准无限大的输出阻抗。

-所述发送/接收装置被配置为根据NRZ编码发送基带数据。

-所述发送/接收装置被配置为实现扰频和自校正功能。

-形成中央控制器的装置的所述发送/接收装置被配置为以专用于所述外围设备的时间间隔发送提醒(attention)远程外围设备的数据。

-形成中央控制器的装置的所述发送/接收装置被配置为以与发送提醒所述远程外围设备的数据所专用的时间间隔相同的时间间隔，接收来自中央控制器的数据。

-形成远程外围设备的装置的所述发送/接收装置被配置为以所述中央控制器到所述外围设备所专用的时间间隔，接收来自所述中央控制器的数据。

-形成远程外围设备的所述发送/接收装置被配置为以与接收来自中央控制器的数据所专用的时间间隔相同的时间间隔，发送提醒所述中央控制器的数据。

根据另一方面，本发明涉及一种系统，其包括根据本发明第一方面的形成中央控制器的装置，所述中央控制器通过电力线连接到根据本发明第二方面的形成远程外围设备的一个或多个装置。

附图说明

通过阅读以非限制性实施例并参考附图给出的对本发明优选实施例的以下详细描述，本发明的其他方面、目的和优点将更加清楚，其中附图包括：

-图1图示了根据本发明的中央控制器的可能实施例；

-图2图示了根据本发明的远程外围设备的可能实施例；

-图3表示对应于图1和2中所呈现的不同信号的时序图；

-图4图示了在中央控制器和与之连接的不同外围设备之间的数据交换的可能实施例；

-图5表示在输入和输出数据上实现的高水平处理的可能实施例。

具体实施方式

参照图1，中央控制器C表示为经由通常为双股线的电力线L连接到一个或多个外围设备P₁-P_N。

制造线L的尺寸首先要根据其低频特征以及其承受高压和重要电流的能力。此外布线约束可强制两个导体以双绞线的形式相关联，不需要被屏蔽，实现了值已知的累接阻抗(iterative impedance)，通常在50到300欧姆之间。

更精确地，外围设备P₁-P_N通过连接接口Ir连接到电线L。

中央控制器C包括DC或AC电力发送器1，优选地，其被绝缘以在对闪电效应的抵抗方面符合飞行器构造器建议。

如在后面所详述的，中央控制器C实现：

-向所述线提供例如高水平连续电压(例如±270V)，来将电力发送到远程外围设备；

-高频耦合，用于发送双向二进制信息。

通过C_{C_BF}电容来确保电力供给相对于通信信号的隔离，该电容能够确保到高频信号的低阻抗路径，在该电容上可能会在发送线上加入串联阻抗(针对高频元件的共模(Common Mode，CM)阻抗和差模(Differential Mode，DM)阻抗)，以及针对低频元件的电力发送器1的流电绝缘体。

通信信号相对于供给电压的隔离本身通过高通滤波实现(C_{C_HF}电容)。

中央控制器可以包括共模CM滤波电感，其用于增加线L相对于由线自身发送(通过电力发送器1)或接收的扰动的共模串联阻抗。CM电感可以具有高值，因此具有相当高的产生的阻抗，这有利于满足CEM约束(敏感性和发送)。

中央控制器可以包括差模DM电感，其用于增加线L在差模模式中相对于来自电力发送器1的高频元件的阻抗。除了相对于EMC兼容性的总体改进，最终的目的还在于尽可能的限制在线L上发送的噪声水平，而噪声降低了接收的消息的信噪比并因此有害于通过线发送的比特的良好接收能力。

中央控制器C包括设置在电力发送器1和电线L之间的低通滤波器。

此外，中央控制器C包括用于发送/接收基带数据的装置3，以及设置在该数据发送/接收装置和电线L之间的高通滤波器。

根据图1中表示的本发明的可能实施例，从而通过C_{C_HF}电容形成了高通滤波器(C_{C_HF}电容在低频中作为断开的开关)，而由C_{C_BF}电容形成了低通滤波器(C_{C_BF}电容在高频中作为闭合的开关从而形成了短路)。

在图2中表示了根据本发明的远程外围设备P₁的可能实施例。外围设备P₁包括电力接收器2，电力接收器2优选地被绝缘以在抵抗闪电效应方面符合飞行器构造器建议。

外围设备P₁包括设置在电力接收器2和电线L之间的低通滤波器。

此外，外围设备P₁包括用于发送/接收基带数据的装置4，以及设置在该数据发送/接收装置和电线L之间的高通滤波器。

根据图2中表示的本发明的可能实施例，从而通过C_{C_HF}电容形成了高通滤波器(C_{C_HF}电容在低频中作为断开的开关)，而由C_{C_BF}电容形成了低通滤波器(C_{C_BF}电容在高频中作为闭合的开关从而形成了短路)。

因此，在本发明的范围内，通过无源高通和低通滤波器来分离供给电压和数据。因此电线L共用于将电力从中央控制器发送到一个或多个远程外围设备，以及在中央控制器和远程外围设备之间同时双向发送基带数据。

中央控制器C的用于发送/接收基带数据的装置3以及远程外围设备P₁的用于发送/接收基带数据的装置4每个被配置为发送“数据输入”数据并且接收“数据输出”数据。

因此发送/接收装置3、4能够实现在唯一的电力线上将两个二进制流(与由远程外围设备P₁-P_N发送到中央控制器C的数据相对应的上行流；与由中央控制器C发送到远程外围设备P₁-P_N的数据相对应的下行流)加入到供应电压上。

优选地，发送/接收装置3、4被配置为根据NRZ编码来发送基带数据。

如图1至3中所示，控制器C的发送/接收装置3被配置为发送二进制“NRZ-E”消息，而外围设备P₁的发送/接收装置4被配置为发送二进制“NRZ-Ed”消息。

说明书的剩余部分涉及控制器C的发送/接收装置3的可能实施例。将理解本说明书还应用于远程外围设备P₁的发送/接收装置4。在此方面，相似的元件具有图1和2中的相同附图标记。

数据的发送

数字数据通过发送电路来发送“NRZ-E”流。

优选地，该发送电路包括高通滤波器6，其接收RZ格式二进制信号形式的待发送数据“NRZ-E”，这确保了这些数据零平均分量，并且这发送了NRZ格式的二进制消息的状态。产生的信号在图1和3中以标号“EM”表示。

相似地，外围设备P₁的发送/接收装置4包括高通滤波器6，以图3中表示的“EMd”消息的形式来发送二进制消息“NRZ-Ed”。

返回到中央控制器C的发送/接收装置3的描述，产生的“EM”信号通过值等于电线L的特征阻抗Zc的阻抗8，然后通过变压器13在电线L上发送。

关于远程外围设备的发送/接收装置4，“EMd”信号在电线L上通过具有准无限大输出阻抗以不降低线的适应性的电压/电流转换器14，然后通过变压器13发送。

将记住变压器13能够确保相对于闪电约束的绝缘和稳定性功能。

如图1和2中所示，电线L包括适应性抗谐振电路15。考虑到外围设备不会降低线L的适应性，中央控制器C的抗谐振电路15和阻抗8能够调整电线L在其两端的特征阻抗Zc。

作为中央控制器C的发送/接收装置3中的适应性阻抗8的出现的变体，可想到抗谐振电路可以设置在中央控制器内。

此外，中央控制器C或外围设备P₁的发送电路可以包括，高通滤波器6的下行流、具有非常低的输出阻抗(认为接近零)的发送放大器7。以此方式，输出电压仅包括本地发送的消息。

数据的接收

在电线上发送的SL数据对应于由中央控制器发送的EM信号，还对应于外围设备P₁(-P_N)发送的EMd信号(或多个信号)。因此在电线L上实现同时的双向发送。

图3表示这样的SL信号，其对应于两个流的增加，即线L上的EM(下行流)和EMd(上行流)。

中央控制器C的发送/接收装置3包括高频差分放大器5，其能够在电线L上发送的SL数据中，将本地发送的数据(NRZ-E)与接收的数据(NRZ-Ed)区分出来。

因此差分放大器5能够区分下行流和上行流。

根据优选实施例，差分放大器5一方面通过变压器13接收在线L上发送的SL信号，另一方面接收通过衰减器11和延迟器12接收发送的信号(对于控制器C是EM，对于外围设备P₁是EMd)。衰减器11能够执行水平调整以便根据线L的不同衰减函数调整所发送的信号的增益。延迟器12本身能够补偿线L造成的延迟。

因此由差分放大器5区分的上行流通量流过接收电路，该接收电路包括放大电路和迟滞比较器9，该迟滞比较器能够重新构建外围设备发送的消息。将注意到迟滞比较器9还用于清除接收的消息中的未被差分变压器5完全区分的发送信号的任何“痕迹”。

接收的二进制消息的恢复

可以在可编程逻辑电路(FPGA)中实现接收的二进制消息的接收。

此外，接收电路包括时钟再生装置10，其用于构建NRZ消息。

这些再生装置具有产生“比特”时钟的功能，以及对通过如此在逻辑电平1和逻辑电平0之间的最佳区分时刻产生的时钟对接收的数据进行采样的功能。

根据本发明的可能实施例，这些时钟再生装置形成了锁相回路。

该锁相回路可以特别地数字地形成。

因此通过时钟再生装置10提供的节奏来采样迟滞比较器9的输出端的REC-F信号，从而准确地在“数据输出”输出端恢复。

图4表示中央控制器和其所连接的不同外围设备之间的数据交换的可能实施例。

在该实施例中，中央控制器的发送/接收装置3被配置为以专用于外围设备的时间间隔发送用于提醒该远程外围设备的数据。

在此方面，线(a)表示由中央控制器提供的不同数据帧序列(此后这些数据帧称为主帧)，这些帧的每个对应于给定的外围设备的顺序以及包括同步和均衡分量的头(header)的集合。因此附图标记OC3对应于用于外围设备P₃的顺序，附图标记OC1对应于用于外围设备P₁的顺序，附图标记OC2对应于用于外围设备P₂的顺序。

外围设备P₁-P_N的发送/接收装置4本身被配置为以时间间隔发送用于提醒中央控制器C的数据，该时间间隔对应于接收来自中央控制器C的顺序的时间间隔。因此，如图4中的线(b)所示，外围设备P₁发送一帧(该帧此后已知为耦合帧)，该帧对应于RC1消息和包括同步和均衡分量的头的集合，来仅以对应于接收来自中央控制器的顺序OC1的时间间隔提醒中央控制器。在分别对应于顺序OC2和OC3的接收的时间间隔中，线(c)和(d)本身图示了由外围设备P₂和P₃到中央控制器的帧的发送。

参照图5，显示了一可能实施例，在中央控制器的水平一方面对输入数据进行高水平处理，来构建在发送/接收装置的输入端提供的低水平串行“数据输入”数据，另一方面对在发送/接收装置的输出端上获得低水平串行“数据输出”数据进行高水平处理以构建输出数据。将注意到一个或多个外围设备执行相似的高水平处理。

图5用于发送/接收装置处理的低水平层面的接口功能的开发使得该系统能够支持不同的航空电子协议(ARINC 429，MIL 1553，TIP等)。

特别的，与申请人的专利数字接口相关联的电层面可以用户化以接口不同的航空电子标准，例如ARINC 429或其他。本发明提出的方案提供了完美的确定性的数字信息交换支持，其能够产生虚拟通信信道。例如，中央控制器可以提供针对ARINC 429的输入和输出接口，相似地，提供针对所关心的远程外围设备的输入和输出接口。两个常规的ARINC 429设备可以连接于此并以对它们完全透明的方式使用。对于其他通信标准也是相同的。

此外，该接口功能具有能够利用标准的可编程元件(FPGA)实施的优点。

如图5中所示，输入数据要连续承受如下操作。首先，输入数据被模块20处理，该模块20能够将它们分成16比特的字并且增加同步分量(因此16比特字的分隔符信号被模块20发送到模块21)。在模块21，产生与用来校正错误的比特相对应的5个附加比特，例如通过实施汉明码。在模块22，来自模块21的串行的21个比特字被存储，并且构建多个字的序列(该多个字的个数取决于在发送线上呈现的寄生分量)。最后，根据伪随机序列(扰频序列)来重新发送它们，该伪随机序列能够在接收时展现错误序列，从而增加自校正的有效性。

模块30为帧产生器，所述帧在“数据输入”线上发送。其产生一系列由同步图形(patterns)界定的时间距离(temporal spaces)。

模块23有规律地通过模块22中提供的数据来填写所述时间距离。

模块24本身确保了模块22发送的数据的临时存储(FIFO模式)，以调整两个自动装置(来自模块30的数据和帧)的异步。来自模块22的数据的速率和时间距离的获得之间的节奏的差异由后者在缺少可用数据时通过填充图形来管理。

模块30还发送同步图形给模块40，使得其能够在“数据输出”输入数据上自我同步。

模块23在输出端提供主帧，该主帧是基带的串行数据形式，特别是NRZ格式。

根据本发明的可能实施例，这些基带的串行数据然后由低通滤波器(未显示)滤波，使得能够在将它们发送到发送/接收装置之前减少NRZ的谐波。该低通滤波器例如为6^th阶，滤波器的贝塞尔响应只分配常量延迟，截止频率设定为0.7*频率比特。

在发送/接收装置的输出端获得的“数据输出”数据以及它们重新产生的时钟本身要提交给模块40以提取串行数据和同步比特，模块40形成了用于耦合帧的接收接口并且连接到主帧产生模块30。在模块41，执行数据的同步和描述以重新构建该21个比特字。后者在模块42通过应用自校正器来重新构建经过错误校正的16个比特字。模块43形成了用户接口以存储高水平数据。

此外，本发明能够良好的控制通信寄生分量(parasites)。将使用电力线的一个或多个供应电压以驱动例如电机或DC/DC斩波转换器。这些元件在通信期间会产生寄生分量。为了良好的控制这些寄生分量，可以通过控制器C和外围设备P₁(-P_N)来将所有通信与通信时钟同步。

已指出本发明不限于于此精确描述的中央控制器或远程外围设备，还可以扩展到系统，特别是航空电子系统，其包括通过电线连接到一个或多个外围设备的控制器，该电线共用于电力和双向数据的发送，该系统的优点特别在于如下方面：

-共用于电力和双向数据的发送的单根双股线(通常为屏蔽的双股线，尺寸主要由待流过的服务电压和通过的电流的强度决定，这增加了物理几何约束：恒定的内部导体距离和均匀的电介质)。

-共享的闪电保护(通过结合对电力和信号的闪电保护)。

-不同的可能的通信标准(一般目的的确定性信道，其能够通过增加数字接口叠加层支持不同的航空电子标准)。

-同时的双向数字发送(每个流是独立的)。

-最小限度的频谱占用(与多载波发送相反，这是由于基带发送，例如以NRZ，通过滤波限制了频谱)。

-数据线的流电绝缘(通过耦合变压器)。

-电力线的流电绝缘的可能性(通过在中央控制器中放置DC/DC或AC/DC转换器)。

-EMC和闪电兼容(关于EMC，这是由于发送的数据所占用的频谱的最小化：在基带中发送——例如NRZ——以及滤波，以及由于没有使用高频载波或多载波，例如COFDM类型。关于闪电，这是由于采用了不同的流电绝缘)。

-可能的DO254合理化，甚至是针对最严苛水平(所有的复合功能被有效地控制，这使得合理化有可能，与COTS元件相反，其合理化不是由构造器提供的)。