發射車底盤電氣控制系統統型設計實踐

劉培文、蘇娟、許進亮、劉云秋、黃輝 /北京航天發射技術研究所

目前，北京航天發射技術研究所在研的多個戰略型號導彈發射車上，實現底盤控制功能的核心系統——底盤電氣控制系統在不同型號間存在差異，由于項目團隊不同，加上底盤控制系統沒有統一的研制要求，導致系統設計方案、系統接口、控制策略、軟件架構等差異較大，技術狀態多，管理困難，設計、生產、維護工作量大。隨著武器系統發展越來越快，型號研制周期越來越短，當前研制模式已不能解決型號研制周期短與人力有限、系統可靠性要求高之間的矛盾。因此，開展底盤控制系統統型設計工作勢在必行。

一、工作與實踐

統型設計的目標是對正在研制的3 個型號統一技術狀態，優化設計流程，對后續新研型號研制過程起到指導作用。底盤電氣控制系統統型的關鍵是系統方案設計、硬件系統設計、數據流設計、軟件架構設計統型，通過桌面聯試、實車聯試試驗對控制系統過程狀態進行把關，驗證統型系統設計的正確性和可靠性，并將設計、試驗過程固化到文件中，以保證系統狀態明確，圖文物一致。

表1 底盤電氣控制系統需實現的功能

1.實踐對象

底盤電氣控制系統由控制器、智能人機交互控制器、傳感器、控制系統線纜網、控制軟件等組成，通過采集傳感器信號，經過控制軟件執行相應的控制策略，主要實現表1 中所列控制功能、報警功能、顯示功能，要求通信采用CAN 總線通信，基于SAE J1939 標準設計系統。

2.實踐內容

基于3 個型號底盤電氣控制系統使用需求開展統型設計工作，通過合理策劃并執行系統研制流程及技術方案，實現產品技術狀態可控、產品交付質量提升、系統研制效率提升，增加競標型號的市場競爭力；實現部分控制策略、接口、軟件通用化設計，形成底盤通用研制框架；實現形成底盤電氣控制系統研制要求，指導后續型號控制系統研制等目標。

（1）統型項目管理

結合底盤電氣控制系統使用環境惡劣、控制功能多、工作時間長等特點，對統型項目研制工作制定了覆蓋型號全生命周期的項目管理模型。從項目風險管理、技術狀態控制、產品評審及驗收、保障條件建設、持續優化設計5 個方面對統型項目管理流程及方法進行了策劃、實現、驗證及總結，統型項目管理流程如圖1 所示。

（2）方案設計

系統統型的關鍵是系統方案設計的統型，通過梳理型號控制要求，參照“三化”設計理念，制定滿足3 個型號使用的底盤電氣控制系統方案，其系統網絡拓撲圖如圖2 所示。

首先，根據控制系統要實現的功能，研究總線通信負載率和實時性設計。采用分網設計，分為車身控制CAN 總線（CAN1）和 動 力CAN 總 線（CAN2）2 條，通信速率均為250kbps，通信協議依據 SAE J939 標準執行。

其次，將智能人機交互控制器（HMI）、發動機ECU、變矩器ECU 設計在CAN2 網段，發動機ECU、變矩器ECU 屬于動力系統，與HMI 通信滿足SAE J1939 要求，該網段主要實現在HMI 顯示發動機信息、變矩器信息顯示功能，供駕駛員獲取動力系統狀態。

圖1 統型項目管理流程

再次，依據模塊化設計思想，統一考慮控制器選型、控制器端口資源、控制功能劃分，以實現控制系統模塊化、控制功能通用化，并將控制器規劃為綜合控制器、通用控制器、懸架控制器。

懸架控制器主要實現功能是采集懸架角度傳感器、壓力、懸架調高翹板開關等信號，控制電磁閥、比例閥等按照控制策略動作實現懸架調高控制功能。控制功能獨立，控制需求資源與控制器端口資源相當，可作為獨立的模塊實現。

綜合控制器主要實現功能是采集分動箱檔位翹板開關信號、分動箱檔位指示信號等，控制電磁閥等按照控制策略動作，實現分動箱檔位控制功能，實現表1 中序號1-28 控制功能。

圖2 底盤電氣控制系統網絡拓撲圖

表2 底盤電氣控制系統軟件列表

通用控制器主要實現功能是作為綜合控制器端口資源的擴展，通過其自身硬件I/O 接口，完成原始信號采集并通過CAN網發送給綜合控制器。同時，按綜合控制器發送的CAN 報文控制指令控制DO、PWM 端口輸出。因后續型號系統設計存在擴展性，當一個通用控制器資源不能滿足綜合控制功能時，可擴展多個通用控制器。

最后，將綜合控制器、通用控制器、懸架控制器、另一路CAN 通信（HMI）設計在CAN1網段，主要實現表1 中序號1-29的控制功能。

按照方案設計，底盤電氣控制系統需設計的控制軟件及所屬模塊劃分見表2。

（3）硬件系統設計

硬件選型。控制系統硬件由單機、傳感器、插頭、線纜網組成，控制系統硬件選型、接插件點位定義、線纜網設計直接影響控制系統的狀態，接插件點位定義的確定為控制軟件的統型設計奠定基礎。

系統單機選型。因系統存在可靠性、維修性、單機端口資源利用情況、環境使用要求等，綜合控制器、通用控制器、懸架控制器均選用成熟度為4 級的產品化單機GC30A 控制器，可減少系統備件種類，統一軟件開發平臺和開發環境，為控制軟件架構統型及縮短控制軟件周期奠定基礎。

傳感器選型。在滿足系統使用精度、測量量程、性能要求的情況下，選用同一型號傳感器，便于系統電氣接口統一和軟件設計統一，同時在型號應用過程中，隨著傳感器使用量的增加，可進一步驗證傳感器與系統的匹配性。

線纜選型。由于不同型號上底盤電氣控制系統使用環境和性能要求接近，為便于配套和狀態管理，需要統一線纜選型，線纜主要有CAN 總線通信電纜和信號電纜，根據線纜使用環境要求和通電載流等要求，達到系列化線纜型號。

接插件選型統型。對于具有相同的電氣接口要求的被控對象、執行機構或傳感器等部件，選用同一種接插件，盡量減少接插件種類，如比例閥和電磁閥插頭屬于不同的執行機構，電氣接口需滿足DIN43650-A 要求，設計時選用隆寶 VAD 1F-4-3/226/2m 4A 24VDC 型號插頭，而油濾傳感器和油溫傳感器電氣接口要求均為M12X1/4 標準插頭，因信號點定義不同，設計時均選用科瑞CWF4-M12S-100 US T 插頭。

接插件點位定義。接插件分為傳感器（轉角傳感器、溫度傳感器、油濾傳感器等）、執行器（如電磁閥、比例閥等）和控制器接插件等，在統一傳感器選型后，傳感器接插件統一，傳感器接插件信號的點位定義統一，執行器多為比例閥和電磁閥，在使用過程中對方形插頭的點位定義不作要求，統型設計時為明確接插件點位定義，其他執行機構按此要求明確。

線纜網設計。完成控制器插頭點位、傳感器插頭點位、執行器接插件點位規劃定義設計后，基于整車三維模型布置線纜網三維模型，根據線束在整車底盤走向、布局，確定線束分網設計、分叉方向、分支長度等，指導線束圖紙出圖工作。通過線束分網設計，可規劃出通用電纜和特制用電纜，通用電纜在不同型號間通用，專用電纜為型號定制。該過程可合理確定線纜長度，避免線束預留太長，降低了線束制作成本；通用電纜的規劃，可有效減少不同型號線纜網圖紙出圖工作，從而提升系統研制效率。

（4）數據流設計

數據流向設計。系統數據流明確數據流向，各控制器在通過自身DI/AD 等端口采集、DO/PWM 輸出信號外，通過CAN 總線與系統其它控制器通信，以盡量減少數據耦合的原則，按照模塊劃分設計子模塊數據流，包括綜合控制模塊數據流、懸架調高控制模塊數據流、動力系統狀態顯示數據流。

圖3 綜合控制模塊數據流

綜合控制模塊數據流（見圖3）。綜合控制器采集開關量傳感器信號、模擬量傳感器信號，通過CAN 總線接收通用控制器發送的開關量模擬量狀態報文，并通過綜合控制軟件執行控制策略后，控制功率輸出端口、PWM 輸出端口輸出，向通用控制器發送控制指令，控制通用功率輸出端口、PWM 輸出端口輸出，實現相應的控制功能。綜合控制器通過CAN1 總線向HMI發送狀態報文和報警報文，HMI顯示后提示駕駛員。例如，分動箱檔位控制功能，綜合控制器采集分動箱高低檔切換開關、分動箱低檔開關、分動箱高檔指示傳感器信號、分動箱低檔指示傳感器信號、分動箱空檔指示傳感器信號，通過綜合控制軟件執行分動箱檔位控制策略后，控制分動箱高檔電磁閥、分動箱低檔電磁閥、分動箱空檔電磁閥端口輸出，并向通用控制器發送功率端口輸出控制指令，控制通用控制器分動箱高檔電磁閥（備）、分動箱低檔電磁閥（備）、分動箱空檔電磁閥（備）端口輸出，實現分動箱檔位控制功能。

圖4 PDU數據幀格式

懸架調高控制模塊數據流。懸架調高控制模塊通過HMI 人機交互界面操作，將單步調高、空載公路模式自動調高、滿載公路模式自動調高、鐵路模式自動調高控制等懸架調高控制指令通過CAN1 總線下發到懸架控制器，懸架控制器接收控制指令，并采集傳感器信號、開關信號等，通過懸架調高控制軟件執行調高控制策略，使用功率輸出端口控制電磁閥，并將調高控制狀態信息和報警信息通過CAN1總線發送到HMI 顯示，實現懸架調高控制功能。

表3 標識符ID說明

動力系統狀態顯示數據流。動力系統狀態顯示主要實現動力CAN 總線上發動機狀態（發動機轉速、發動機摩托小時、發動機機油壓力等）和變速器狀態（變矩器溫度、變矩器）顯示，發動機ECU、變矩器ECU 按照SAE J1939 標準協議接口將狀態數據和報警信息發送到HMI，HMI 接收后進行顯示。

數據格式設計。明確數據流向后，不同節點間通信格式按照SAE J1939 標準要求設計，圖4為協議數據單元（PDU）格式，ID 唯一標志通信報文，ID 的組成見表3，報文優先級按照表中分 配，PDU 中PGN 碼 對 應 數據段唯一一組數據內容，根據數據內容類型確定報文優先級P，SA 為控制器節點。當SA、PGN 碼、優先級P 確定后，報文ID 便確定了，報文內容隨之確定。

節點號SA 定義。發動機ECU和變矩器ECU 節點號在SAE J1939 標準中公路設備行業組里定義了首選地址，綜合控制器、通用控制器、懸架控制器、HMI節點號需用戶自定義，參照SAE J1939 標準分配系統各控制器默認節點號（見表4），并分配14個通用控制器節點號，便于系統擴展多個通用控制器；若系統需要改變控制器節點號時，可通過軟件配置功能進行靈活更改。

PGN 碼分配。動力總線上發動機ECU、變矩器ECU 發送的報文中，PGN 碼使用SAE J1939 標準定義的格式，HMI 按照固定格式解析。綜合控制系統、懸架控制系統中的PGN 碼使用J1939 標準中用戶自定義區格式，各控制器使用PGN 碼分配(見表5)。

PGN 碼對應數據格式定義。明確各控制器PGN 碼使用范圍后，定義各PGN 碼對應的數據，如PGN 碼0XFF96 對應的數據為左前懸架高度值、右前懸架高度值、左后懸架高度值、右后懸架高度值，并規定PGN 碼0XFF96 對應的發送周期為默認值500ms，可通過軟件配置為所需的值，來滿足不同系統對發送周期的要求，根據數據區內容確定該報文為狀態報文，優先級定義為6。按照該方式定義綜合控制器、通用控制器、懸架控制器、HMI中PGN 碼對應的數據，可達到不同型號間，同的數據由相同的協議數據單元傳輸，實現數據傳輸狀態統一。

（5）軟件架構設計

底盤控制系統軟件統型設計原則為軟件開發環境、編譯環境以及軟件運行環境統一；統型控制軟件以軟件配置項為最小單元可以兼容由于軟硬件接口及控制策略不同帶來的差異；組成控制軟件的中間件（DSP、CSP、COP 層）通過庫文件的方式提供給應用層集成使用；控制軟件基于狀態機分層設計架構，軟硬件接口的改變不會引起流程控制模塊改變；可以通過CAN 總線配置查詢方式實現接口、控制功能、單機運行參數、流程運行參數、軟件工作模式與系統使用場景的匹配。

表4 控制器節點定義

表5 各控制器PGN碼分配

圖5 軟件結構圖

嵌入式控制軟件框架設計。首先按照嵌入式控制軟件分層設計思路規劃項目結構，具體分為硬件支持層軟件（BSP）、驅動層軟件（DSP、CSP、ESP）、協議層軟件（COP）及應用層軟件，如5 所示。

圖6 軟件功能模塊調用關系圖

圖7 控制流程狀態轉移圖

軟件硬件支持層、驅動層、協議層軟件均為獨立的庫文件，文件中集成了應用層使用所需要的硬件及CAN 總線采集和輸出標準接口函數，應用層軟件只需在項目中集成時選用控制器適配的庫文件，并對CAN 總線波特率等參數進行配置即可實現與應用層的集成，避免了由于型號使用需求造成硬件運行平臺和驅動的更換帶來的軟件更改及維護的工作量。

統一應用層軟件框架，將應用層軟件功能分為初始化、CAN 數據處理、系統計時、設備采集、工作處理、周期處理功能。各功能模塊在主循環中順序調用，完成功能及調用關系，如圖6 所示。

流程控制功能在工作處理模塊中實現。采用有限狀態機的方式時，將各功能模塊的功能進行一定粒度的劃分，提升軟件運行效率，即劃分出來的工作片段占用毫秒級（不超過1ms）及以下的處理時間，多個工作片段共同完成該功能，并且每個工作片段完成后能夠回到主循環，不影響其他功能模塊工作的實時性。有限狀態機以“事件驅動”方式工作，在確定轉移條件發生時作出相應動作，變更工作狀態，以流程控制為例的狀態轉移，如圖7 所示。

嵌入式軟件外部接口設計。在軟件統型設計中采用總線配置的方式實現CAN 總線數據處理映射地址及控制器端口資源索引號的動態可配，解決由于各個型號系統控制器端口資源分配不同，導致CAN 總線發送接收數據映射、控制對象、采集對象對應的硬件連接點號不同的問題。用戶可通過CAN 總線進行節點號及資源索引號的配置，實現同一軟件僅修改配置參數即可滿足各型號使用需求的目的。

表6 復用設計及關鍵技術清單

軟件整個資源定義分為內部資源和外部資源。內部資源只供功能流程使用，外部資源為通過CAN 總線或硬件處理實現的輸入輸出。內部資源和外部資源之間經過映射層和解析層進行設計。外部資源讀取配置好的控制器端口定義映射入原始數據資源表；再經過公式解析層將原始數據資源解析成功能流程可以直接使用的資源變量后經過錄入進入內部資源輸入表。反之，經過功能流程模塊處理后的控制量錄入內部資源輸出表，經過公式解析層解析后，通過映射層分別映射到不同的外部資源模塊。

在該軟件框架下，外部資源的變化不會影響到功能模塊的更改。可通過CAN 總線配置資源索引號，以適應增加和減少相應外部資源、相同類型外部資源的調換、外部資源物理參數發生改變等外部資源的變化。

嵌入式軟件復用構件設計。根據系統統型設計方案提出的軟件設計需求，控制軟件驅動層、協議層均通過標準化配置接口及函數封裝實現中間件層完全復用，應用層的初始化、CAN 數據處理、系統計時、設備采集、工作處理、周期處理功能中除設備采集、工作處理、周期處理模塊均實現了構件級完全復用。設備采集、工作處理、周期處理模塊通過分層及標準接口設計，實現了函數級完全復用。復用設計清單及關鍵技術（見表6）。流程控制模塊通過統一設計架構實現了流程控制函數部分復用。

軟件流程控制模塊通用設計框架如圖8 所示。

（6）系統調試

統型系統研制過程中，需要對系統質量把關，并從系統研制全生命周期提高研制效率，在系統研制過程進行聯試試驗。

軟件桌面聯試。軟件設計完成后，系統人員組織設計人員在建立的軟件聯試平臺上進行軟件桌面聯調工作，重點調試軟件功能項實現正確性、數據流傳遞過程中各環節數據的正確性，根據調試過程中的問題迭代完善軟件。

系統桌面聯試。線纜網生產完成后，搭建控制器、線纜網聯試環境，利用系統研制過程設計的狀態監控軟件，通過單設備操作功能及狀態顯示功能，系統人員組織完成系統桌面聯試，重點調試系統線纜之間信號傳遞設計的正確性及接口匹配性，在系統裝車調試前完成系統設計狀態驗證，為后續整車總裝調試節省時間，提高型號研制效率。

圖8 流程控制模塊設計流程

實車聯試。實車聯試主要是與液壓系統、供電系統、動力系統等外系統間完成系統匹配調試，并在實車上彎沉系統驗證。

二、實踐效果及后續思路

目前，研究所已完成3 個型號統型設計，并完成系統實車驗證，3 個型號上控制系統工作正常，問題發生概率較以前大大減小，提升了系統質量。

這次統型實踐統一了3 個型號發射車底盤電氣控制系統設計流程，為后續系統統型設計完善奠定基礎。發射車底盤電氣控制系統統型設計將控制系統設計工作量由3 個型號研制壓縮至1 個型號研制。統一的硬件選型有效縮減了產品種類，降低采購和生產成本。采用統型設計方案可縮減研制和生產周期，提升型號研制效率和可靠性，在后續競標的型號研制中實現系統的快速集成，提升型號競爭力。

統型工作探索并實踐了在同類控制系統內統一控制軟硬件開發及運行平臺、統一數據流及軟硬件接口、統一軟件設計框架，將軟件復用領域由傳統的通信層、驅動層擴展至數據處理層、流程控制層；將軟件復用模式由傳統的集成源代碼及修改宏定義形式復用轉變為集成庫函數、修改裝訂參數形式，促進了軟件技術狀態可控，形成了控制軟件產品化工作成果2 項，為后續控制軟件系統快速集成的目標提供了可參考的方法。

通過該輪統型工作的開展，梳理形成了通用底盤電氣控制系統研制流程及規范模版，并提煉總結出4 個通用軟件配置項、52 個中間件及復用模塊，軟件復用率高達85%，為后續發射車控制系統統型工作的開展提供了指導。

后續，研究所將開展統型工作設計要求、要點、流程、規范優化工作，形成底盤電氣控制系統標準工作環境及模版指南，約束和指導后續底盤電氣控制系統研制，并為其他控制系統統型設計提供指導。開展正向設計工作，迭代完善統型控制系統，提升控制系統可靠性和成熟度，并將統型后底盤電氣控制統型的子模塊（綜合控制模塊、懸架控制模塊）推廣到新研型號應用。