分布式火箭炮控制系統(tǒng)研究*

張建新

(湖北江山重工有限責任公司,湖北襄陽 441057)

分布式火箭炮控制系統(tǒng)研究*

張建新

(湖北江山重工有限責任公司,湖北襄陽 441057)

火箭炮自動化程度越來越高,其控制系統(tǒng)越來越復雜。為了降低單體復雜性,提高系統(tǒng)配置的靈活性,提高模塊化水平,從而有效提升產(chǎn)品的可靠性、維修性、測試性,設(shè)計了分布式火箭炮控制系統(tǒng)。文中采用自頂向下的原理和系統(tǒng)工程方法,對分布式系統(tǒng)的目標功能、體系架構(gòu)、消息機制進行了研究。針對火箭炮的特點,擬定了通信協(xié)議,提出了分布式節(jié)點設(shè)計思路。經(jīng)過研制分布式節(jié)點和系統(tǒng)試驗,表明該設(shè)計能夠滿足需求,運行可靠。

火箭炮;CAN總線;MilCAN;控制系統(tǒng);分布式控制

0 引言

基于總線的控制系統(tǒng)發(fā)展很快,特別在武器裝備中的應用很多。基于CAN總線的MilCAN高層協(xié)議,已經(jīng)應用在裝甲車配電系統(tǒng)中[1]。關(guān)于MilCAN性能分析的消息及其機制、總線同步和配置[2-3]的研究已經(jīng)成熟。在分布式控制網(wǎng)絡中,基于CAN網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)及應用協(xié)議也成為主流技術(shù)[4]?；贛ilCAN總線的總線主控節(jié)點設(shè)計方案[5]以及分布式控制系統(tǒng)應用[6]都成功應用于型號。

火箭炮控制系統(tǒng)是火箭炮的有機組成部分,是實現(xiàn)火箭炮的供配電、電氣控制、火力控制、安全聯(lián)鎖等功能的電子信息系統(tǒng)。一直以來,火箭炮控制系統(tǒng)存在單體結(jié)構(gòu)復雜,系統(tǒng)可靠性不高,維修檢測不方便,系統(tǒng)電磁兼容性不好等問題。為此,設(shè)計一種分布式控制系統(tǒng),以滿足火箭炮發(fā)展需要。

1 CAN總線介紹

1.1 CAN總線

CAN總線是一種多主串行數(shù)據(jù)通信總線,通信速率可達1 Mbit/s,通信功能均由CAN控制器管理與執(zhí)行。CAN總線數(shù)據(jù)以報文為單位傳送,按報文標識符設(shè)置的優(yōu)先級進行數(shù)據(jù)交換。

CAN接口協(xié)議已經(jīng)發(fā)展到2.0B。該協(xié)議為擴展模式,采用雙驗收濾波器機制。通訊協(xié)議兼容點對點、一對多及廣播通訊模式。在總線中傳送的報文,如表1所示。CAN2.0B擴展幀報文格式如圖1所示,每幀由13 B組成,標識符(ID)長度為29 bit,數(shù)據(jù)64 bit。報文幀頭中,幀格式IDE為1,表示擴展幀;幀類型RTR為0,表示數(shù)據(jù)幀;保留位R1,R0默認為0;數(shù)據(jù)長度代碼DLC表示使用的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù),如0010表示數(shù)據(jù)幀信息包含數(shù)據(jù)字節(jié)為2個。

圖1 CAN2.0B擴展協(xié)議幀報文信息

應用CAN協(xié)議需要對29 bit標識符重新定義,即形成應用層通信協(xié)議。

1.2 MilCAN總線

由于CAN協(xié)議采用多主結(jié)構(gòu),即無主控端,任何節(jié)點可在總線空閑時主動向總線發(fā)送消息,雖然有總線仲裁與調(diào)度,但客觀上造成了消息無確定響應時間,特殊情況下不能滿足實時性要求。為此,便產(chǎn)生了MilCAN協(xié)議,它采用主從結(jié)構(gòu),但主控端只是起同步作用,不參與觸發(fā)和控制消息,這樣保證了每個消息有確定的響應時間,系統(tǒng)實時性好。當主控端退出工作后,其余節(jié)點可通過“選舉”成為主控端,從而保證系統(tǒng)的可靠性。

MilCAN總線在CAN2.0B基礎(chǔ)上,進行協(xié)議改進,主要是對29 bit標志符的重新定義,它們的定義如圖2所示。MilCAN協(xié)議是基于SAE1939的ID格式,兩種格式可以用于同一總線(如MilCAN選擇250 Kbit/s),用第25位區(qū)分不同協(xié)議[1]。

圖2 MilCAN標志符格式

對ID格式說明如下:

源地址域。第0位到第7位為發(fā)送節(jié)點唯一的源地址,保證了能夠識別信息的發(fā)送方。

消息主類型、消息子類型。第16位到第23位為消息主類型域,第8位到第5位為消息子類型域。

請求位。第24位表示幀是請求消息(1),還是狀態(tài)/命令消息(0)。

協(xié)議類型位。第25位表示消息是MilCAN消息(1),還是SAEJ1939消息(0)。

優(yōu)先級。第26位到第28位為消息的優(yōu)先級。

2 系統(tǒng)體系架構(gòu)

2.1 目標

系統(tǒng)將能夠?qū)崿F(xiàn)共享資源、綜合利用系統(tǒng)信息、系統(tǒng)集成與控制數(shù)字化、關(guān)鍵功能降級、硬件模塊化、通過軟件實現(xiàn)系統(tǒng)功能的重構(gòu)、嵌入故障診斷和綜合檢測功能。同時,能夠靈活配置,方便升級和提升檢測維修水平,降低硬件的復雜性,系統(tǒng)的各個執(zhí)行功能信息不應駐留在一個任務處理部件之中,而是以分別執(zhí)行的方式分布在它們之間,這就是采用分布式控制工作模式的思想和目標,如圖3所示。

圖3 分布式控制邏輯

2.2 系統(tǒng)功能

根據(jù)當今火箭炮的主流作戰(zhàn)使用要求和技術(shù)發(fā)展,系統(tǒng)功能將定位于:

1)能夠完成系統(tǒng)使用操作、信息傳輸操作及顯控功能;

2)能夠使系統(tǒng)各傳感器和單體設(shè)備的信息數(shù)字化,方便通過軟件實現(xiàn)信息融合和處理;

3)能夠接收指揮信息和發(fā)送狀態(tài)信息,并通過軟件完成信息處理;

4)能夠安全可靠的實現(xiàn)信息裝定和發(fā)火等火力控制任務,互鎖檢測和發(fā)火功能;

5)能夠安全可靠的實現(xiàn)調(diào)炮等操瞄控制功能,系統(tǒng)分布式監(jiān)控操瞄狀態(tài)信息;

6)能夠在各項功能執(zhí)行過程中起到安全聯(lián)鎖控制功能,防止功能交疊,保護人員和設(shè)備安全;

7)能夠嵌入在線監(jiān)測軟件,實現(xiàn)在線監(jiān)測和故障診斷功能;

8)能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)供配電管理功能,有序安全的為設(shè)備分配電源。

2.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)設(shè)定的目標和系統(tǒng)執(zhí)行功能任務,按照分布式邏輯思想指導,規(guī)劃出具體的子功能系統(tǒng),主要包括:操作控制終端、指揮子系統(tǒng)、發(fā)控子系統(tǒng)、操瞄子系統(tǒng)、聯(lián)鎖控制子系統(tǒng)、定位導航子系統(tǒng)、電源子系統(tǒng)等。設(shè)計的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)體系架構(gòu)

該分布式系統(tǒng)依賴于兩條CAN總線,這兩條CAN總線貫穿于炮車,其中一條是發(fā)控總線,一條是電氣控制總線,兩條總線信息之間通過操控終端交互。

3 消息機制與協(xié)議

3.1 消息類型

1)命令消息:命令消息是系統(tǒng)正常工作時的主要消息類型,可以是周期或者是事件觸發(fā)的。

2)請求消息:請求消息用于請求特定的消息類型的發(fā)送,請求位(第24位)應置1,不能包含任何數(shù)據(jù)位。

3)請求響應消息:節(jié)點接收到請求信息后作出的響應,包括相應消息主類型、消息子類型,并將請求位值置0。

4)非操作消息:使用消息主類型值0x31;子類型表示目的節(jié)點的地址,如果為0x00則表示該消息為廣播。

5)同步幀消息:由當前的同步主控節(jié)點產(chǎn)生,用于同步各節(jié)點信息發(fā)送。

6)系統(tǒng)配置模式消息:該消息分為進人配置模式和退出配置模式兩種消息。

7)節(jié)點存活消息:包含節(jié)點全部狀態(tài)的數(shù)據(jù),確認該節(jié)點的健康狀態(tài)。

3.2 通信過程

在分布式網(wǎng)絡中,第一條總線通信主要包括操控終端與4個控制節(jié)點之間的通信,第二條總線通信主要包括操控終端與8個控制節(jié)點之間的通信,以及控制節(jié)點之間的通信。通信過程包括5個基本過程。

1)控制過程:包括4類消息,即命令節(jié)點初始化、參數(shù)的傳送、系統(tǒng)配置、請求故障等消息,均為帶返回的消息序列。

2)命令過程:包括2類消息,即命令消息和請求返回消息。實現(xiàn)操瞄、發(fā)控等功能命令,節(jié)點收到每條命令均需返回請求返回消息。

3)查詢過程:包括1類消息,即命令消息。進行操瞄、發(fā)控、聯(lián)鎖、配電等信息的查詢,采用事件觸發(fā)方式。節(jié)點收到查詢命令,按照應用協(xié)議返回查詢狀態(tài)。

4)狀態(tài)上傳過程:包括1類消息,即節(jié)點存活消息,周期上傳。

3.3 消息流程

按照頂層設(shè)計的方法,分析系統(tǒng)各個功能組成部分對消息的需求,將這些消息編制成文件,然后進行信息綜合,從而設(shè)計總線數(shù)據(jù)信息流。然后根據(jù)消息產(chǎn)生和傳輸消耗的時間,安排操作的先后次序。依據(jù)功能所需的時間以及邏輯所允許的最大和最小時間間隔來確定消息傳輸?shù)闹芷?并排定一個周期中傳輸發(fā)生的次數(shù)和相位。這個安排用消息頻率表表示,也是總線時序表,如表1所示。

表1 消息頻率表

3.4 任務消息調(diào)度管理

把任務劃分成N個小任務。每個小任務有各自對應的任務控制與調(diào)度任務(TCS),負責總線上信息傳輸?shù)倪^程和數(shù)值處理或計算的過程,在每個周期中重復迭代,稱為同步控制調(diào)度方法,如圖5所示。

圖5 同步控制調(diào)度方法

圖6 同步消息傳輸時間刻度

將同步控制調(diào)度方法以時間軸展開,形成同步消息傳輸?shù)臅r間刻度,如圖6所示,以3個典型周期(K-1,K,K+1)為例的調(diào)度過程。C表示周期計數(shù)。

3.5 控制模式

根據(jù)系統(tǒng)工作特點,以及網(wǎng)絡信息的觸發(fā)方式,系統(tǒng)信息控制將分為兩大類,一類是與操作顯示有關(guān)的控制,一類是與傳感反饋有關(guān)的信息。綜合系統(tǒng)的信息特點和使用模式,將劃分操作控制模式、節(jié)點控制模式。

1)操作控制模式

操作控制模式的核心是操控終端,如圖7所示。操作者通過操控終端的操作面板發(fā)出控制指令,操控終端將指令發(fā)往CAN總線,節(jié)點n收到指令后輸出控制信號,驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)工作。同時節(jié)點n將設(shè)備的工作參數(shù)和狀態(tài)再通過CAN總線返回給操控終端進行動態(tài)顯示。

圖7 操作控制模式圖

2)節(jié)點控制模式

節(jié)點控制模式的核心按照功能不同,分為操瞄、發(fā)控、聯(lián)鎖、配電、指揮等不同的中心,各個中心節(jié)點與其它相關(guān)節(jié)點間進行信息交互,完成信息采集后,實施控制,如圖8所示。當節(jié)點n檢測到外界輸入觸發(fā)信息時,驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)執(zhí)行動作i,當需要其它節(jié)點控制設(shè)備工作時,再將控制指令通過CAN總線傳給節(jié)點m,進而執(zhí)行動作j。它們的動作信息及動作執(zhí)行后設(shè)備的工作參數(shù)通過CAN總線上傳給操控終端進行顯示。

圖8 節(jié)點控制模式圖

4 應用設(shè)計

4.1 應用協(xié)議

根據(jù)MilCAN協(xié)議標識符格式(見圖2),設(shè)計應用層協(xié)議(其中每位用字母b代替),這里給出CAN1的應用協(xié)議:

報文源地址b7～b0:按位編碼,賦予每個單體;

子類型b15～b8:高位復制主類型碼,低位是子類型碼;

主類型b23～b16:8類主類型,高低位同時編碼;

請求位b24:0/1;

協(xié)議類型b25:1;

優(yōu)先級b28～b26:8級優(yōu)先,按位編碼。

通信數(shù)據(jù)內(nèi)容這里不再贅述,只對數(shù)據(jù)格式進行設(shè)計和說明。按照位數(shù)和精度要求,開關(guān)量按位傳送,一個字節(jié)8個數(shù)據(jù);浮點數(shù)據(jù)統(tǒng)一采用一個字節(jié)一個數(shù)據(jù),最高位0代表正數(shù),1表示負數(shù),整數(shù)部分占4 bit,小數(shù)部分占3 bit[6]。

4.2 節(jié)點設(shè)計[5]

節(jié)點硬件電路采用模塊化設(shè)計,系統(tǒng)主要由5部分構(gòu)成:電源電路、處理器最小系統(tǒng)電路、信號調(diào)理電路、驅(qū)動電路、CAN收發(fā)接口電路。節(jié)點軟件為嵌入式模塊化結(jié)構(gòu),統(tǒng)一配置,見軟件部分。

4.3 軟件設(shè)計

1)軟件系統(tǒng)架構(gòu)

控制系統(tǒng)軟件主要包括控制軟件、顯示軟件、通信軟件、執(zhí)行軟件等。

2)節(jié)點軟件

節(jié)點軟件設(shè)計采用模塊化設(shè)計,分為初始化模塊、任務功能模塊、消息調(diào)度模塊、通信模塊,如圖9所示。

圖9 軟件主要功能模塊

5 性能分析與驗證

總線報文傳輸時間[2]:

TCAN_data=64+8m+(54+8m)/8

式中:TCAN_data表示報文傳輸時間;m為報文個數(shù)。擴展幀的起始、仲裁、校驗、應答和結(jié)束共有64 bit,數(shù)據(jù)長度為8mbit,總線填充估計為(54+8m)/8 bit。

系統(tǒng)應用中均為命令式指令,最多時為2個字節(jié),所以每次總線開銷最大為88.75 bit。CAN的波特率設(shè)計為250 Kbit/s,則一次通信僅為0.4 ms。如果9個節(jié)點實施時間片控制,最多3.6 ms傳輸完成。按照控制需要,采樣周期為20 ms,則每個節(jié)點相位應設(shè)置為2 ms。顯然,在整個周期中,各個節(jié)點在0.002 2 s內(nèi),任何終端的數(shù)據(jù)都能夠發(fā)送和接收完成。

設(shè)計基于STM32芯片的CAN節(jié)點,如圖10所示,具有兩路CAN接口,并具有AD、DA、IO等數(shù)據(jù)采集功能。系統(tǒng)采用總線型拓撲結(jié)構(gòu),連接9個節(jié)點,并進行了測試。測試采樣主控節(jié)點同步下的從節(jié)點循環(huán)發(fā)送方式,測試結(jié)果如表2所示。

圖10 節(jié)點電路

表2 總線報文記錄表

試驗結(jié)果表明,該分布式控制系統(tǒng)采樣的總線及其控制方式能夠滿足系統(tǒng)要求。

6 結(jié)論

文中在CAN2.0B基礎(chǔ)上,應用MilCAN總線協(xié)議,設(shè)計了分布式火箭炮控制系統(tǒng)。總結(jié)了系統(tǒng)的功能和要求,以此設(shè)計了消息類型和流程機制、調(diào)度管理方法,并規(guī)劃了總體架構(gòu)和應用協(xié)議,最后設(shè)計了節(jié)點電路和軟件。通過測試和分析,表明設(shè)計的基于MilCAN總線的分布式火箭炮控制系統(tǒng)能夠滿足系統(tǒng)要求。

火箭炮系統(tǒng)采用總線結(jié)構(gòu)將大大降低系統(tǒng)電纜數(shù)量,簡化系統(tǒng)配置,優(yōu)化數(shù)據(jù)鏈,便于維修檢測。采用總線機制,實現(xiàn)控制系統(tǒng)實時信息傳輸控制和信息共享,完成調(diào)炮控制、發(fā)射控制、安全聯(lián)鎖等實時控制任務。該種方式優(yōu)點是各功能單元集成化程度高,數(shù)據(jù)傳輸實現(xiàn)了全數(shù)字化,優(yōu)化了信息流,并且便于擴展和獨立升級。

[1] 宋小慶,熊全謙,王治國,等.裝甲車輛自動配電系統(tǒng)MilCAN總線通信設(shè)計 [J].裝甲兵工程學院學報,2010,24(5):57-62.

[2] 宋小慶,陳永星,朱昀炤,等.基于有色Petri網(wǎng)的MiLCAN網(wǎng)絡仿真與性能分析 [J].系統(tǒng)仿真學報,2013,25(增刊):95-98.

[3] 王泓.CAN總線消息機制 [J].中國測試技術(shù),2006,32(1):130-131.

[4] 楊曉華,侯巍,王樹新,等.基于CAN總線的分布式控制網(wǎng)絡設(shè)計 [J].低壓電路,2006(1):40-42.

[5] 穆陽,薄拾,趙凱,等.MilCAN總線同步及調(diào)度配置方法 [J].計算機測量與控制,2014,23(4):1391-1393.

[6] 李光耀,郭迎清,王海泉.基于CAN總線的航空發(fā)動機分布式控制系統(tǒng)通信研究 [J].測控技術(shù),2009,28(1):62-66.

ResearchonDistributedControlSystemofRocketLauncher

ZHANG Jianxin

(Hubei Jiangshan Heavy Industries Co.Ltd,Hubei Xiangyang 441057,China)

With increasing rocket launcher automation,the control system is more and more complicated.In order to reduce complexity of the monomer,improve flexibility of the system configuration,module level was improved to effectively enhance product reliability,maintainability and testability.Distributed rocket gun control system was designed.In this paper,top-down principle and system engineering method were used to study target function,architecture and message mechanism of the distributed system.According to the characteristics of rocket launcher developed,communication protocol was given,the design idea of distributed node was put forward.Through the development of distributed nodes and system test,it shows that the design can meet the requirements,and the operation mechanism is reliable.

rocket launcher; CAN bus; MilCAN; control system; distributed control

10.15892/j.cnki.djzdxb.2017.02.008

2016-06-30

張建新(1980-),男,陜西清澗人,高級工程師,碩士,研究方向:火箭炮總體,信息系統(tǒng)與自動控制。

TJ713

A