通用CAN控制单元“国产化”改进设计实践

/北京航天发射技术研究所

当前,在已装备型号导弹发射平台上,实现系统信息通信的关键硬件设备一一通用CAN控制单元中均包含大量进口元器件,部分器件存在一定的禁运风险,特别是软件程序运行的CPU处理器等进口核心器件,在进口非开源操作系统下甚至存在软件后门风险。

软硬件国产化的关键就是实现控制系统硬件单机产品核心元器件(处理器等)及相关配套软件的国产化,防止因为禁运等不可控因素或者软件后门技术导致导弹武器系统的生存能力大打折扣,以提高发射任务的可靠性、安全性,实现信息化发射平台控制系统的自主、可控,避免信息化发射平台在机动能力、指挥通信等方面带来的风险。面向新研战略武器发射平台对配套产品信息安全、自主可控的更高要求,在原有产品基础上设计出一款元器件国产化率满足“双九五”要求、核心器件自主可控的国产化单机产品势在必行。

一、实践对象

通用CAN控制单元是控制系统中应用最广泛的单机之一,年批生产量300台,是北京航天发射技术研究所的货架产品,国产化率不足50%,核心元器件处理器、复位电路、收发器等均未实现国产化。通用CAN控制单元的技术指标如表1所示。

二、实践内容

基于通用CAN控制单元产品状态开展再设计工作,通过合理的方案,实现以下目标:产品电子元器件种类和数量国产化率均达到95%;实现核心器件CPU处理器的国产化,提升信息安全;保持产品结构、电气接口一致,能够对通用CAN控制单元直接替换;产品性能指标、环境适应能力、产品可靠性不低于原有产品;通过成本控制保持产品价格竞争力。

图1 GC12控制器设计方案

1.方案策划

国产化通用CAN控制单元另命名为GC12控制器,印制板由主板、扩展板、底板组成,主板用于实现RS422、SPI、CAN总线、EEPROM储存、JTAG在线调试、2路CAN总线的功能,扩展板用于实现开关量采集、负端控制输出、模拟量采集、功率输出的功能,主板和扩展板实现的功能信号由底板引出到外部接插件上,方案框图如图1所示。考虑到国产化率的指标,在元器件选型时全部考虑从国内元器件厂家的成熟产品中选型。

2.主板设计

一是主板方案设计。

由于BM12主板要实现双CAN总线,因此为了降低系统复杂度,避免采用外扩CAN控制器的方式,优先选择内置双路CAN控制器的CPU。经过调研,某研究所研制生产的JDSPF28335型32位浮点数字信号处理器能够满足整机的性能指标,通过F28335 DSP外扩CAN收发器、RS422收发器、EEPROM等功能芯片,即可实现各项功能,满足任务书要求。

BM12主板功能框图如图2所 示。F28335 DSP基 本 外围电路包括电源电路、时钟电路、复位电路、JTAG调试电路。F28335 DSP芯片内置2个CAN模块,支持CAN 2.0B协议,最高通信速率1Mbps,CAN接收、发送信号经过高速光耦隔离后外接CAN收发器即可实现两路CAN总线接口。F28335 DSP芯片内置3个串口(SCI)模块,模块A(SCI-A)接收、发送信号经过光耦隔离后外接RS422收发器MAX490,即可实现一路RS422接口。如果串口下载配置信号使能,DSP在上电后进入串口boot模式,可通过串口更新DSP软件。F28335 DSP芯片内置2个McBSP接口,可配置成SPI接口使用,另有一个SPI接口,因此F28335 DSP共有3个SPI接口使用,其中一个外扩EEPROM芯片存储配置参数,另一个通过接插件XP1引出,用于外扩AD等功能。

图2 BM12主板系统框图

二是主板实现的技术途径。

电源设计。BM12主板输入电源共3组,分别为VPP/GNDP、VCC/GNDC、VEE/GNDE,均为+5V电源,由单机扩展板提供。其中VCC/GNDC为CAN总线隔离电源正极和负极,VEE/GNDE为串口隔离电源正极和负极,VPP/GNDP为控制电源正极和负极。

DSP需要3.3V的端口电压和1.8V的内核电压,由VPP通过低压差线性稳压器LDO转换输出。LDO芯片选择LSK5230-3.3和LSK5230-1.8,分别提供3.3V和1.8V电源,均能提供3A的负载电流,采用3线功率表贴封装。

CAN总线。任务书要求GC12控制器具有两路CAN通信接口,波特率可配置,最高波特率为1Mbps,CAN总线接口电路与CPU电路之间光电隔离。F28335 DSP芯片内置2个CAN模块,支持CAN2.0B协议,最高通信速率1Mbps,因此CAN接收、发送信号经过高速光耦隔离后外接CAN收发器,即可实现两路CAN总线接口。

综合考虑性能、成本、采购周期等多方面因素,高速光耦选择单通道高速光耦GH137S,该光耦采用高可靠金属陶瓷封装,工作温度范围为-55℃～+125℃,最高传输速率10MB/s,抗干扰能力强。如果选择双通道光耦,将两路的收或发信号集成在一个光耦中实现,但是若该光耦损坏,两路CAN总线将同时不能进行通信,因此基于可靠性方面的考虑,选择单通道光耦。

非易失性存储器。HTFKTZ 0400通用主板的非易失性存储器选择的是铁电存储器,读写次数可达1014次,目前尚无国产的铁电存储器。因此BM12主板的非易失性存储器选择EEPROM芯片JM71180,该芯片是符合国军标的串行接口的8 位存储器,该电路的存储单元结构是EEPROM,存储容量为512K字节。由于EEPROM读写次数仅为10万次左右,长时间的读写会造成内部升压电路失效,因此BM12主板设计了掉电检测和掉电存储电路,在后续应用软件设计中应尽量避免周期性循环读写EERPOM,尽量在掉电前进行读写。

上电复位、掉电检测和掉电存储。采用JSR706SD产生上电复位信号,监控5V电源,如果发现电源低至特定电压,将输出中断信号(最高优先级),DSP监测到中断信号后,利用电源储能电容存储的电量完成EEPROM数据存储。

掉电检测可靠性设计有2个关键点:通过电容滤波滤除电源信号上的毛刺;DSP程序误动作处理,DSP响应中断后开始存储数据,存储数据结束后,等待一段时间并多次查询中断信号,若中断引脚多次查询为高电平,则进入初始化程序。

RS422接 口。F28335 DSP芯片内置3个串口(SCI)模块,模块A(SCI-A)接收、发送信号经过光耦隔离后外接RS422收发器MAX490,即可实现一路RS422接口。SM490是一款低功耗RS-422/485信号收发器,它用于RS-485和RS-422等串行数据接口标准系统中,内部有驱动和接收2个模块,四线模式可以实现点对多点传输,双线模式可以实现多点对多点传输,最大传输速率为2.5Mbps,能够满足最高通信速率不低于115200bps的要求。

如果串口下载配置信号使能,DSP在上电后进入串口boot模式,可实现通过串口更新DSP软件。

可配置开关量输入输出接口。F28335 DSP芯片共有88个可独立配置的、可复用的通用输入、输出接口,根据GC12控制器的使用要求,选择其中的45个可配置开关量输入输出接口,由于F28335 DSP芯片的端口电压为3.3V,与原有的HTFKTZ0400通用主板的端口电压5V不同,因此为了减少原有功能扩展板的改动量,BM12主板的IO口在输出前均通过电平转换芯片实现3.3V与5V的电平转换。

3.扩展板设计

GC12控制器以BM12主板为核心电路板,选择国产化芯片自主设计功能扩展板。扩展板主要实现12路开关量输入、8路功率开关量输出、7路控制信号(负端)输出、6路模拟量输入功能。在设计过程中,功率输出驱动电路和高精度模拟量输入为设计的难点和关键点。

电源设计。扩展板输入电源只有一组,为24V_L/ G24V_L,由单机底板提供,GC12控制器的供电方案如图3所示。

GC12控制器输入电压24V,经过3个DC/DC转换为5V和±15V电压为后续电路供电,3个DC/DC模块输入电压范围均为18～36V,满足输入电压范围18～32V的要求。此外,输入24V电压还会施加到功率输出电路的功率开关上。BTS740S2输出电压最大值为43V,因此当电源在18～32V范围内变化时,不会损坏功率输出电路。

功率输出驱动电路。功率输出接口要求输出电流不小于2A,国内输出电流能达到2A以上的器件只有继电器类的,某厂的4JG7-1A是4通道的直流固体继电器,输出电流能够达到7A,但是4JG7-1A接通时间标称100us,关断时间标称1000us,开关时间长,无法用于PWM波输出,关断时间长是所有国产继电器类的共有现象。

权衡之下,GC12控制器使用BTS740S2继电器,BTS740S2是GC20控制器使用过的元器件,有丰富的飞行历史,没有供货和质量问题,该芯片的接通时间最大150 us,关断时间最大200 us,可以用于较高频率的PWM波输出,可以精准控制比例流量阀和溢流阀的开度。

多通道高精度模拟量输入。为了避免模拟多路选择器的误差对系统误差造成影响,同时考虑电路的体积和成本,要实现多通道模拟信号采集,优先选择包含多个模拟通道的模数转换芯片,用单片模数转换芯片和对应的模拟调理电路来实现多通道模拟信号采集。

图3 GC12控制器供电方案

模拟信号采集电路主要由模拟信号调理电路、模数转换电路、控制器电路组成,系统框图如图4所示。

为提升国产化率,GC12控制器最先使用了14位8通道模数转换芯片SAD3578,参考电压芯片选择专门为SAD3578配套的参考电压芯片SW814。以SAD3578芯片为核心,结合国产的运放和参考电压芯片,通过SPI接口与CPU通信能够同时实现6通道模拟信号采集,输入范围达0～25mA。但由于国产芯片一致性较差,加上该芯片在低压时采样误差大,最后的采集精度差强人意,即便采用软件滤波和离线修正等方法,采样精度也只能达到6‰,不能满足任务书要求。

4.协议层软件和应用软件设计

通用CAN控制单元实现国产化后,由于微处理等核心集成电路芯片完成了国产化替代,对应芯片的软件开发工具、开发环境等均发生了变化,故单机产品配套的软件产品也需要重新进行开发设计,包括芯片的底层驱动软件、单机产品应用层驱动软件等,需要开展国产化平台下的软件移植技术研究。同时,随着总线芯片的国产化,现有控制系统单机产品之间的CAN通信协议等相关接口文件也需要进行国产化移植。

国产化单机研制完成以后,完成了驱动软件的编写。在此基础上,将之前单机的CAN协议层软件和应用软件进行了移植,从原先的XC164CS平台移植到现在的DSP平台,由8位机升级为16位机,集成开发环境由Keil uVision4变为CCS3.3,因此软件需要做适配性修改。

5.GC12控制器降成本设计

型号元器件质量保证选用管理要求规定,发射支持系统非关键设备和其它设备可以使用应用等级为I、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ的元器件,为了降低成本,缩短元器件采购周期,研究所讨论了国产化单机的国产元器件选用等级的优先级规则,优先级从高到低排序为:七专(包括“七专筛选”)、企军标(QJB)、附有LMS等级的企军标及国军标器件、宇航级器件。通过优化单机电路,减少器件的使用数量和种类,将控制器的元器件成本由11万元降低到7.5万元以内,采购周期由1年缩短到了半年以内。

图4 模拟采集电路框图

三、实践效果

目前,GC12控制器已完成试样阶段的生产和调试,经试验验证,各项功能、性能均达到了预期研究目标,实现了预期的各项功能,性能满足要求。接口方面与通用CAN控制单元完全兼容,可进行插拔替换。GC12控制器元器件种类上国产化率97%,数量上国产化率99%。

GC12控制器是研究所首批实现电子元器件国产化率“双九五”的电气产品,实现了核心器件和底层驱动软件的自主可控,满足了战略武器型号应用需求,为后续国产化单机研制提供了宝贵经验。

GC12控制器通过优化设计方案,减少元器件使用种类和数量,降低了国产化单机的成本,同时增加了控制器的可靠性和可维护性,兼顾了国产化要求和成本控制要求。基于通用CAN控制单元产品状态,通过合理的设计方案,保持了原有产品性能指标、结构尺寸、电气接口的一致。在原有系统接口保持不变的条件下,即可实现对通用CAN控制单元的直接替代,为早期型号的国产化升级打下了良好基础。