/北京航天發(fā)射技術(shù)研究所

當前,在已裝備型號導(dǎo)彈發(fā)射平臺上,實現(xiàn)系統(tǒng)信息通信的關(guān)鍵硬件設(shè)備一一通用CAN控制單元中均包含大量進口元器件,部分器件存在一定的禁運風險,特別是軟件程序運行的CPU處理器等進口核心器件,在進口非開源操作系統(tǒng)下甚至存在軟件后門風險。

軟硬件國產(chǎn)化的關(guān)鍵就是實現(xiàn)控制系統(tǒng)硬件單機產(chǎn)品核心元器件(處理器等)及相關(guān)配套軟件的國產(chǎn)化,防止因為禁運等不可控因素或者軟件后門技術(shù)導(dǎo)致導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的生存能力大打折扣,以提高發(fā)射任務(wù)的可靠性、安全性,實現(xiàn)信息化發(fā)射平臺控制系統(tǒng)的自主、可控,避免信息化發(fā)射平臺在機動能力、指揮通信等方面帶來的風險。面向新研戰(zhàn)略武器發(fā)射平臺對配套產(chǎn)品信息安全、自主可控的更高要求,在原有產(chǎn)品基礎(chǔ)上設(shè)計出一款元器件國產(chǎn)化率滿足“雙九五”要求、核心器件自主可控的國產(chǎn)化單機產(chǎn)品勢在必行。

一、實踐對象

通用CAN控制單元是控制系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的單機之一,年批生產(chǎn)量300臺,是北京航天發(fā)射技術(shù)研究所的貨架產(chǎn)品,國產(chǎn)化率不足50%,核心元器件處理器、復(fù)位電路、收發(fā)器等均未實現(xiàn)國產(chǎn)化。通用CAN控制單元的技術(shù)指標如表1所示。

二、實踐內(nèi)容

基于通用CAN控制單元產(chǎn)品狀態(tài)開展再設(shè)計工作,通過合理的方案,實現(xiàn)以下目標:產(chǎn)品電子元器件種類和數(shù)量國產(chǎn)化率均達到95%;實現(xiàn)核心器件CPU處理器的國產(chǎn)化,提升信息安全;保持產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、電氣接口一致,能夠?qū)νㄓ肅AN控制單元直接替換;產(chǎn)品性能指標、環(huán)境適應(yīng)能力、產(chǎn)品可靠性不低于原有產(chǎn)品;通過成本控制保持產(chǎn)品價格競爭力。

圖1 GC12控制器設(shè)計方案

1.方案策劃

國產(chǎn)化通用CAN控制單元另命名為GC12控制器,印制板由主板、擴展板、底板組成,主板用于實現(xiàn)RS422、SPI、CAN總線、EEPROM儲存、JTAG在線調(diào)試、2路CAN總線的功能,擴展板用于實現(xiàn)開關(guān)量采集、負端控制輸出、模擬量采集、功率輸出的功能,主板和擴展板實現(xiàn)的功能信號由底板引出到外部接插件上,方案框圖如圖1所示?？紤]到國產(chǎn)化率的指標,在元器件選型時全部考慮從國內(nèi)元器件廠家的成熟產(chǎn)品中選型。

2.主板設(shè)計

一是主板方案設(shè)計。

由于BM12主板要實現(xiàn)雙CAN總線,因此為了降低系統(tǒng)復(fù)雜度,避免采用外擴CAN控制器的方式,優(yōu)先選擇內(nèi)置雙路CAN控制器的CPU。經(jīng)過調(diào)研,某研究所研制生產(chǎn)的JDSPF28335型32位浮點數(shù)字信號處理器能夠滿足整機的性能指標,通過F28335 DSP外擴CAN收發(fā)器、RS422收發(fā)器、EEPROM等功能芯片,即可實現(xiàn)各項功能,滿足任務(wù)書要求。

BM12主板功能框圖如圖2所 示。F28335 DSP基 本 外圍電路包括電源電路、時鐘電路、復(fù)位電路、JTAG調(diào)試電路。F28335 DSP芯片內(nèi)置2個CAN模塊,支持CAN 2.0B協(xié)議,最高通信速率1Mbps,CAN接收、發(fā)送信號經(jīng)過高速光耦隔離后外接CAN收發(fā)器即可實現(xiàn)兩路CAN總線接口。F28335 DSP芯片內(nèi)置3個串口(SCI)模塊,模塊A(SCI-A)接收、發(fā)送信號經(jīng)過光耦隔離后外接RS422收發(fā)器MAX490,即可實現(xiàn)一路RS422接口。如果串口下載配置信號使能,DSP在上電后進入串口boot模式,可通過串口更新DSP軟件。F28335 DSP芯片內(nèi)置2個McBSP接口,可配置成SPI接口使用,另有一個SPI接口,因此F28335 DSP共有3個SPI接口使用,其中一個外擴EEPROM芯片存儲配置參數(shù),另一個通過接插件XP1引出,用于外擴AD等功能。

圖2 BM12主板系統(tǒng)框圖

二是主板實現(xiàn)的技術(shù)途徑。

電源設(shè)計。BM12主板輸入電源共3組,分別為VPP/GNDP、VCC/GNDC、VEE/GNDE,均為+5V電源,由單機擴展板提供。其中VCC/GNDC為CAN總線隔離電源正極和負極,VEE/GNDE為串口隔離電源正極和負極,VPP/GNDP為控制電源正極和負極。

DSP需要3.3V的端口電壓和1.8V的內(nèi)核電壓,由VPP通過低壓差線性穩(wěn)壓器LDO轉(zhuǎn)換輸出。LDO芯片選擇LSK5230-3.3和LSK5230-1.8,分別提供3.3V和1.8V電源,均能提供3A的負載電流,采用3線功率表貼封裝。

CAN總線。任務(wù)書要求GC12控制器具有兩路CAN通信接口,波特率可配置,最高波特率為1Mbps,CAN總線接口電路與CPU電路之間光電隔離。F28335 DSP芯片內(nèi)置2個CAN模塊,支持CAN2.0B協(xié)議,最高通信速率1Mbps,因此CAN接收、發(fā)送信號經(jīng)過高速光耦隔離后外接CAN收發(fā)器,即可實現(xiàn)兩路CAN總線接口。

綜合考慮性能、成本、采購周期等多方面因素,高速光耦選擇單通道高速光耦GH137S,該光耦采用高可靠金屬陶瓷封裝,工作溫度范圍為-55℃～+125℃,最高傳輸速率10MB/s,抗干擾能力強。如果選擇雙通道光耦,將兩路的收或發(fā)信號集成在一個光耦中實現(xiàn),但是若該光耦損壞,兩路CAN總線將同時不能進行通信,因此基于可靠性方面的考慮,選擇單通道光耦。

非易失性存儲器。HTFKTZ 0400通用主板的非易失性存儲器選擇的是鐵電存儲器,讀寫次數(shù)可達1014次,目前尚無國產(chǎn)的鐵電存儲器。因此BM12主板的非易失性存儲器選擇EEPROM芯片JM71180,該芯片是符合國軍標的串行接口的8 位存儲器,該電路的存儲單元結(jié)構(gòu)是EEPROM,存儲容量為512K字節(jié)。由于EEPROM讀寫次數(shù)僅為10萬次左右,長時間的讀寫會造成內(nèi)部升壓電路失效,因此BM12主板設(shè)計了掉電檢測和掉電存儲電路,在后續(xù)應(yīng)用軟件設(shè)計中應(yīng)盡量避免周期性循環(huán)讀寫EERPOM,盡量在掉電前進行讀寫。

上電復(fù)位、掉電檢測和掉電存儲。采用JSR706SD產(chǎn)生上電復(fù)位信號,監(jiān)控5V電源,如果發(fā)現(xiàn)電源低至特定電壓,將輸出中斷信號(最高優(yōu)先級),DSP監(jiān)測到中斷信號后,利用電源儲能電容存儲的電量完成EEPROM數(shù)據(jù)存儲。

掉電檢測可靠性設(shè)計有2個關(guān)鍵點:通過電容濾波濾除電源信號上的毛刺;DSP程序誤動作處理,DSP響應(yīng)中斷后開始存儲數(shù)據(jù),存儲數(shù)據(jù)結(jié)束后,等待一段時間并多次查詢中斷信號,若中斷引腳多次查詢?yōu)楦唠娖?則進入初始化程序。

RS422接 口。F28335 DSP芯片內(nèi)置3個串口(SCI)模塊,模塊A(SCI-A)接收、發(fā)送信號經(jīng)過光耦隔離后外接RS422收發(fā)器MAX490,即可實現(xiàn)一路RS422接口。SM490是一款低功耗RS-422/485信號收發(fā)器,它用于RS-485和RS-422等串行數(shù)據(jù)接口標準系統(tǒng)中,內(nèi)部有驅(qū)動和接收2個模塊,四線模式可以實現(xiàn)點對多點傳輸,雙線模式可以實現(xiàn)多點對多點傳輸,最大傳輸速率為2.5Mbps,能夠滿足最高通信速率不低于115200bps的要求。

如果串口下載配置信號使能,DSP在上電后進入串口boot模式,可實現(xiàn)通過串口更新DSP軟件。

可配置開關(guān)量輸入輸出接口。F28335 DSP芯片共有88個可獨立配置的、可復(fù)用的通用輸入、輸出接口,根據(jù)GC12控制器的使用要求,選擇其中的45個可配置開關(guān)量輸入輸出接口,由于F28335 DSP芯片的端口電壓為3.3V,與原有的HTFKTZ0400通用主板的端口電壓5V不同,因此為了減少原有功能擴展板的改動量,BM12主板的IO口在輸出前均通過電平轉(zhuǎn)換芯片實現(xiàn)3.3V與5V的電平轉(zhuǎn)換。

3.擴展板設(shè)計

GC12控制器以BM12主板為核心電路板,選擇國產(chǎn)化芯片自主設(shè)計功能擴展板。擴展板主要實現(xiàn)12路開關(guān)量輸入、8路功率開關(guān)量輸出、7路控制信號(負端)輸出、6路模擬量輸入功能。在設(shè)計過程中,功率輸出驅(qū)動電路和高精度模擬量輸入為設(shè)計的難點和關(guān)鍵點。

電源設(shè)計。擴展板輸入電源只有一組,為24V_L/ G24V_L,由單機底板提供,GC12控制器的供電方案如圖3所示。

GC12控制器輸入電壓24V,經(jīng)過3個DC/DC轉(zhuǎn)換為5V和±15V電壓為后續(xù)電路供電,3個DC/DC模塊輸入電壓范圍均為18～36V,滿足輸入電壓范圍18～32V的要求。此外,輸入24V電壓還會施加到功率輸出電路的功率開關(guān)上。BTS740S2輸出電壓最大值為43V,因此當電源在18～32V范圍內(nèi)變化時,不會損壞功率輸出電路。

功率輸出驅(qū)動電路。功率輸出接口要求輸出電流不小于2A,國內(nèi)輸出電流能達到2A以上的器件只有繼電器類的,某廠的4JG7-1A是4通道的直流固體繼電器,輸出電流能夠達到7A,但是4JG7-1A接通時間標稱100us,關(guān)斷時間標稱1000us,開關(guān)時間長,無法用于PWM波輸出,關(guān)斷時間長是所有國產(chǎn)繼電器類的共有現(xiàn)象。

權(quán)衡之下,GC12控制器使用BTS740S2繼電器,BTS740S2是GC20控制器使用過的元器件,有豐富的飛行歷史,沒有供貨和質(zhì)量問題,該芯片的接通時間最大150 us,關(guān)斷時間最大200 us,可以用于較高頻率的PWM波輸出,可以精準控制比例流量閥和溢流閥的開度。

多通道高精度模擬量輸入。為了避免模擬多路選擇器的誤差對系統(tǒng)誤差造成影響,同時考慮電路的體積和成本,要實現(xiàn)多通道模擬信號采集,優(yōu)先選擇包含多個模擬通道的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片,用單片模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片和對應(yīng)的模擬調(diào)理電路來實現(xiàn)多通道模擬信號采集。

圖3 GC12控制器供電方案

模擬信號采集電路主要由模擬信號調(diào)理電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、控制器電路組成,系統(tǒng)框圖如圖4所示。

為提升國產(chǎn)化率,GC12控制器最先使用了14位8通道模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片SAD3578,參考電壓芯片選擇專門為SAD3578配套的參考電壓芯片SW814。以SAD3578芯片為核心,結(jié)合國產(chǎn)的運放和參考電壓芯片,通過SPI接口與CPU通信能夠同時實現(xiàn)6通道模擬信號采集,輸入范圍達0～25mA。但由于國產(chǎn)芯片一致性較差,加上該芯片在低壓時采樣誤差大,最后的采集精度差強人意,即便采用軟件濾波和離線修正等方法,采樣精度也只能達到6‰,不能滿足任務(wù)書要求。

4.協(xié)議層軟件和應(yīng)用軟件設(shè)計

通用CAN控制單元實現(xiàn)國產(chǎn)化后,由于微處理等核心集成電路芯片完成了國產(chǎn)化替代,對應(yīng)芯片的軟件開發(fā)工具、開發(fā)環(huán)境等均發(fā)生了變化,故單機產(chǎn)品配套的軟件產(chǎn)品也需要重新進行開發(fā)設(shè)計,包括芯片的底層驅(qū)動軟件、單機產(chǎn)品應(yīng)用層驅(qū)動軟件等,需要開展國產(chǎn)化平臺下的軟件移植技術(shù)研究。同時,隨著總線芯片的國產(chǎn)化,現(xiàn)有控制系統(tǒng)單機產(chǎn)品之間的CAN通信協(xié)議等相關(guān)接口文件也需要進行國產(chǎn)化移植。

國產(chǎn)化單機研制完成以后,完成了驅(qū)動軟件的編寫。在此基礎(chǔ)上,將之前單機的CAN協(xié)議層軟件和應(yīng)用軟件進行了移植,從原先的XC164CS平臺移植到現(xiàn)在的DSP平臺,由8位機升級為16位機,集成開發(fā)環(huán)境由Keil uVision4變?yōu)镃CS3.3,因此軟件需要做適配性修改。

5.GC12控制器降成本設(shè)計

型號元器件質(zhì)量保證選用管理要求規(guī)定,發(fā)射支持系統(tǒng)非關(guān)鍵設(shè)備和其它設(shè)備可以使用應(yīng)用等級為I、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ的元器件,為了降低成本,縮短元器件采購周期,研究所討論了國產(chǎn)化單機的國產(chǎn)元器件選用等級的優(yōu)先級規(guī)則,優(yōu)先級從高到低排序為:七專(包括“七專篩選”)、企軍標(QJB)、附有LMS等級的企軍標及國軍標器件、宇航級器件。通過優(yōu)化單機電路,減少器件的使用數(shù)量和種類,將控制器的元器件成本由11萬元降低到7.5萬元以內(nèi),采購周期由1年縮短到了半年以內(nèi)。

圖4 模擬采集電路框圖

三、實踐效果

目前,GC12控制器已完成試樣階段的生產(chǎn)和調(diào)試,經(jīng)試驗驗證,各項功能、性能均達到了預(yù)期研究目標,實現(xiàn)了預(yù)期的各項功能,性能滿足要求。接口方面與通用CAN控制單元完全兼容,可進行插拔替換。GC12控制器元器件種類上國產(chǎn)化率97%,數(shù)量上國產(chǎn)化率99%。

GC12控制器是研究所首批實現(xiàn)電子元器件國產(chǎn)化率“雙九五”的電氣產(chǎn)品,實現(xiàn)了核心器件和底層驅(qū)動軟件的自主可控,滿足了戰(zhàn)略武器型號應(yīng)用需求,為后續(xù)國產(chǎn)化單機研制提供了寶貴經(jīng)驗。

GC12控制器通過優(yōu)化設(shè)計方案,減少元器件使用種類和數(shù)量,降低了國產(chǎn)化單機的成本,同時增加了控制器的可靠性和可維護性,兼顧了國產(chǎn)化要求和成本控制要求?；谕ㄓ肅AN控制單元產(chǎn)品狀態(tài),通過合理的設(shè)計方案,保持了原有產(chǎn)品性能指標、結(jié)構(gòu)尺寸、電氣接口的一致。在原有系統(tǒng)接口保持不變的條件下,即可實現(xiàn)對通用CAN控制單元的直接替代,為早期型號的國產(chǎn)化升級打下了良好基礎(chǔ)。