通用CAN控制單元“國產化”改進設計實踐

/北京航天發射技術研究所

當前,在已裝備型號導彈發射平臺上,實現系統信息通信的關鍵硬件設備一一通用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下甚至存在軟件后門風險。

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

一、實踐對象

通用CAN控制單元是控制系統中應用最廣泛的單機之一,年批生產量300臺,是北京航天發射技術研究所的貨架產品,國產化率不足50%,核心元器件處理器、復位電路、收發器等均未實現國產化。通用CAN控制單元的技術指標如表1所示。

二、實踐內容

基于通用CAN控制單元產品狀態開展再設計工作,通過合理的方案,實現以下目標:產品電子元器件種類和數量國產化率均達到95%;實現核心器件CPU處理器的國產化,提升信息安全;保持產品結構、電氣接口一致,能夠對通用CAN控制單元直接替換;產品性能指標、環境適應能力、產品可靠性不低于原有產品;通過成本控制保持產品價格競爭力。

圖1 GC12控制器設計方案

1.方案策劃

國產化通用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RS422、SPI、CAN總線、EEPROM儲存、JTAG在線調試、2路CAN總線的功能,擴展板用于實現開關量采集、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。考慮到國產化率的指標,在元器件選型時全部考慮從國內元器件廠家的成熟產品中選型。

2.主板設計

一是主板方案設計。

由于BM12主板要實現雙CAN總線,因此為了降低系統復雜度,避免采用外擴CAN控制器的方式,優先選擇內置雙路CAN控制器的CPU。經過調研,某研究所研制生產的JDSPF28335型32位浮點數字信號處理器能夠滿足整機的性能指標,通過F28335 DSP外擴CAN收發器、RS422收發器、EEPROM等功能芯片,即可實現各項功能,滿足任務書要求。

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、復位電路、JTAG調試電路。F28335 DSP芯片內置2個CAN模塊,支持CAN 2.0B協議,最高通信速率1Mbps,CAN接收、發送信號經過高速光耦隔離后外接CAN收發器即可實現兩路CAN總線接口。F28335 DSP芯片內置3個串口(SCI)模塊,模塊A(SCI-A)接收、發送信號經過光耦隔離后外接RS422收發器MAX490,即可實現一路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,另一個通過接插件XP1引出,用于外擴AD等功能。

圖2 BM12主板系統框圖

二是主板實現的技術途徑。

電源設計。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的內核電壓,由VPP通過低壓差線性穩壓器LDO轉換輸出。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芯片內置2個CAN模塊,支持CAN2.0B協議,最高通信速率1Mbps,因此CAN接收、發送信號經過高速光耦隔離后外接CAN收發器,即可實現兩路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,將兩路的收或發信號集成在一個光耦中實現,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,讀寫次數可達1014次,目前尚無國產的鐵電存儲器。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構是EEPROM,存儲容量為512K字節。由于EEPROM讀寫次數僅為10萬次左右,長時間的讀寫會造成內部升壓電路失效,因此BM12主板設計了掉電檢測和掉電存儲電路,在后續應用軟件設計中應盡量避免周期性循環讀寫EERPOM,盡量在掉電前進行讀寫。

上電復位、掉電檢測和掉電存儲。采用JSR706SD產生上電復位信號,監控5V電源,如果發現電源低至特定電壓,將輸出中斷信號(最高優先級),DSP監測到中斷信號后,利用電源儲能電容存儲的電量完成EEPROM數據存儲。

掉電檢測可靠性設計有2個關鍵點: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響應中斷后開始存儲數據,存儲數據結束后,等待一段時間并多次查詢中斷信號,若中斷引腳多次查詢為高電平,則進入初始化程序。

RS422接 口。F28335 DSP芯片內置3個串口(SCI)模塊,模塊A(SCI-A)接收、發送信號經過光耦隔離后外接RS422收發器MAX490,即可實現一路RS422接口。SM490是一款低功耗RS-422/485信號收發器,它用于RS-485和RS-422等串行數據接口標準系統中,內部有驅動和接收2個模塊,四線模式可以實現點對多點傳輸,雙線模式可以實現多點對多點傳輸,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,可實現通過串口更新DSP軟件。

可配置開關量輸入輸出接口。F28335 DSP芯片共有88個可獨立配置的、可復用的通用輸入、輸出接口,根據GC12控制器的使用要求,選擇其中的45個可配置開關量輸入輸出接口,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換芯片實現3.3V與5V的電平轉換。

3.擴展板設計

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

電源設計。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,經過3個DC/DC轉換為5V和±15V電壓為后續電路供電,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上。BTS740S2輸出電壓最大值為43V,因此當電源在18～32V范圍內變化時,不會損壞功率輸出電路。

功率輸出驅動電路。功率輸出接口要求輸出電流不小于2A,國內輸出電流能達到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,關斷時間標稱1000us,開關時間長,無法用于PWM波輸出,關斷時間長是所有國產繼電器類的共有現象。

權衡之下,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,沒有供貨和質量問題,該芯片的接通時間最大150 us,關斷時間最大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誤差造成影響,同時考慮電路的體積和成本,要實現多通道模擬信號采集,優先選擇包含多個模擬通道的模數轉換芯片,用單片模數轉換芯片和對應的模擬調理電路來實現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理電路、模數轉換電路、控制器電路組成,系統框圖如圖4所示。

為提升國產化率,GC12控制器最先使用了14位8通道模數轉換芯片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,結合國產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6通道模擬信號采集,輸入范圍達0～25mA。但由于國產芯片一致性較差,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‰,不能滿足任務書要求。

4.協議層軟件和應用軟件設計

通用CAN控制單元實現國產化后,由于微處理等核心集成電路芯片完成了國產化替代,對應芯片的軟件開發工具、開發環境等均發生了變化,故單機產品配套的軟件產品也需要重新進行開發設計,包括芯片的底層驅動軟件、單機產品應用層驅動軟件等,需要開展國產化平臺下的軟件移植技術研究。同時,隨著總線芯片的國產化,現有控制系統單機產品之間的CAN通信協議等相關接口文件也需要進行國產化移植。

國產化單機研制完成以后,完成了驅動軟件的編寫。在此基礎上,將之前單機的CAN協議層軟件和應用軟件進行了移植,從原先的XC164CS平臺移植到現在的DSP平臺,由8位機升級為16位機,集成開發環境由Keil uVision4變為CCS3.3,因此軟件需要做適配性修改。

5.GC12控制器降成本設計

型號元器件質量保證選用管理要求規定,發射支持系統非關鍵設備和其它設備可以使用應用等級為I、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ的元器件,為了降低成本,縮短元器件采購周期,研究所討論了國產化單機的國產元器件選用等級的優先級規則,優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。通過優化單機電路,減少器件的使用數量和種類,將控制器的元器件成本由11萬元降低到7.5萬元以內,采購周期由1年縮短到了半年以內。

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和調試,經試驗驗證,各項功能、性能均達到了預期研究目標,實現了預期的各項功能,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化率97%,數量上國產化率99%。

GC12控制器是研究所首批實現電子元器件國產化率“雙九五”的電氣產品,實現了核心器件和底層驅動軟件的自主可控,滿足了戰略武器型號應用需求,為后續國產化單機研制提供了寶貴經驗。

GC12控制器通過優化設計方案,減少元器件使用種類和數量,降低了國產化單機的成本,同時增加了控制器的可靠性和可維護性,兼顧了國產化要求和成本控制要求。基于通用CAN控制單元產品狀態,通過合理的設計方案,保持了原有產品性能指標、結構尺寸、電氣接口的一致。在原有系統接口保持不變的條件下,即可實現對通用CAN控制單元的直接替代,為早期型號的國產化升級打下了良好基礎。