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CAN现场总线及其在导弹控制系统中的应用研究_图文

4 第2

卷第

3



弹 箭 与 制 导学 报

?

107

?

CA N

现 场 总 线 及 其 在 导 弹 控 制 系统 中 的应 用 研 究


陈励 华 张
.

,

科 李言俊
,

,

( 西 北 工 业 大学 西 安 7 10 0 72 )

【 要 ] 介 绍 了 C A N 总线技 术 分 析 了导 弹控制 系 统 信 号 传 输特点 讨 论 了 导 弹 系统 采 用 总线控制 所 必 须 解 摘
,

决 的 问 题 提 出 了总 线传 输方案 的基 本构想 与设 计 原 则 并 研 究 了 C A N 总 线 在 导弹 控制 系统 中 应 用 的 关键
,

,

技 术 指 出 C A N 总线 的 应用 能 很 好 地 解 决 导 弹很 多 较 难 解 决 的 问 题 基 于 C A N 总线技术 的导弹 系统具 有许
,

,

多 良好 的 性 能

.

论 文 的 研 究 成果 具 有很 好的 工 程 应 用 前 景
);
;



[ 关 扭 词 〕 控 制 器 局 域 网 (C A N
T 【 圈分 类 号 」 J 中
7 ‘5 2
.

导弹控制 系统 信 息 传输

[ 文 献 标 识 码 」A

CA N B

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络到 低 价 位 的 多 路 接线都 可 以 使 用 C A N
1



通常


,




CA N 的 通 信 速
,

率 为 IM b
,

ps

( 4 0 m ) 和 s kb p s
,

随 着 导 弹 数 字 控制 技 术 和 网 络 通 信 技术 的

(1 0 k m ) C A N 收 发 器 采 用 P 8 2C 2 5 0 时 同 一 网

成熟 数 据 总线 传 输方 案越 来越受 到 重 视
克服 传统 通 信 网络 的 弊端 改 善 系统性 能
,

以数

0 络 中允 许 挂 接 1 1 个 节点 传输 介质 为 双 绞线 或

据 总线 为 核 心 的新 型 控 制 系 统 电 缆 网 能 够有 效


光纤




CA N


的 国 际 标 准 为 15 0
,




118 98

,

C AN 网

文中

络 遵 从 15 0 0 5 1 模 型 C A N 协 议 定 义 T 应 用
层 对 象 层 传 输层 物 理 层 四 层 C A N 的 技 术特
、 。

简要 论 述 了
,

CA N

总线 技 术 并 详 细 研究 了 导 弹


,

系 统 采 用 总线 控 制 的 必 要 性 和 可 能 性
,

结果表


性 如下
,

:

?

C A N 可 以 不 分 主 从 且 以 多 主 方 式工

明 基 于 C A N 总 线 技 术 的 导 弹 系统 具有 许 多 良

作 网 络 上 任 意 一 个 节 点 均 可 以 在 任 意时 刻 主 动
地 向 网 络 上 其 它节 点发 送 信 息
,


好 的 性 能 是 集 中式控 制 系统 不 可 比 拟 的

?

CA N 可以采

; 用 点 对 点 一 点 对 多 点等 方 式 发 送 和 接 收 数 据

2

C A N 总 线 系统及 特 点
控 制 器 局 域
网 CA N (Co
,


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CA N

采 用 多 主 竞争 方 式 结 构 结 合 非 破 坏 性 总
,

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线 仲裁 技 术

总 线 空 闲 时 各 个 节 点 都 有权 使 用
,

,

Ne wo k t r )

为 串 行 通 讯 协 议 能 有效 地 支 持 具 有

网 络 ; ? C A N 报 文 采 用 短 帧结 构 报 文 不 包 含 源 地 址 或 目标 地 址 仅 用 标 识 符 来指 示 功 能 信息
,


很 高 安 全 等 级 的 分 布实 时 控制
、 、

由于 C A N 具 有


可 靠 性 强 支 持 多处 理 器 链路 简 单 支持 优 先 级 处 理 等优 点
,

优 先 级 信 息 每一 帧 的 有 效 字 节 数 为
, ,

,

8

个 这样

,

C A N 的 应用 范 围 很 广 从 高 速 的 网
, : :


传 输 时间 短 受 干 扰 的概 率 低 且 具 有 极 好 的 检

收 稿 日 期 2 0 0 4 0 2 20 : 作 者 简 介 陈励 华 ( 19 7 6 一 ) 女 河 南 台前 人 硕 士 研 究 生 讲 师 研 究 方 向 导 航 制 导 与 控 制

,

,

.

,

,





1 08
, ,

弹 箭与 制导 学 报
,

2 00 4



错 效 果 且 一 旦 发 送 的 信息 遭 到 破 坏 后 可 自动
重发 ; ? C A N 每帧 信息 都有 C R C 校 验及 其它检

号 主 要 是 弹 载计 算 机 发 向 推 力 控 制 机 构 的 指 令

信号 此 信号 经 过 弹载 计算 机 计算 还 要 通 过
A
;
,
、 、

,

D /

错措 施

,

保 证 了 数 据 出 错 率极 低 ? C A N 总 线
;
,
,

转 换 和 放 大 非 周 期 的 简 单 脉 冲 信号 包 括 起
,

可 将 节点 的暂 时性 错 误 和 永 久 性 错 误 分 开 并 且

飞 点 触 点 的 信 号 压 力 传感 器 的耗 尽 信号 弹 载

具有 自动关 闭功 能

在 节 点错 误 严 重 的 情 况 下
, ,

,

计算 机 发给 时 序装 置 用 来执行 简单 的 控制或 给
出 一种 状 态 标志 的时 序信号 ; 简单功 率脉冲信 号 时 序 装 置 配 电 器 向执 行 机 构 发 送 的 信号 携
,


; 自 动切 断 与 总 线 的 联 系 不 影 响 总 线 正 常工 作

?

NR Z

编码 解 码 方 式
, ,



并 采 用 位 填充 技 术
,




?

,

有 很 强 的 容 错 能力 抗 干 扰 性 强 传 输 安 全 性 高 ;

带 简单 控 制 信 息 且 包含 能量 的 简单脉 冲 可 直 接
驭 动 电 磁 机 构 等 执行 装 置
4 2


,

? 提 供 多 种接 口 标 准 适 应广 泛
线 已 被 成 功 的应 用 于 航 天 领域


目前 C A N 总
,

信号 传 输特 点分 析 导 弹 控 制 系统 的 信息 源 多 信息具 有 不 确 定
,


3

C A N 总 线 数 据 传输 原 理
CAN

性 复 杂 性 等 特点 信 号 的传 输 有 中 心 传 输 不 均 匀 数 据 流 有 明 显 的 方 向性






,



总 线 传 输 的数 据都 需 要 一 个 网 络 内 惟


导 弹控 制 系 统 传 输
,

一 的 标 识 码 来 指定 信息 内 容 ( 如发动 机 转 速 或 冷

的 信 号 都 可 看作 对 电 压 电 流 参数 的 t 化 值 字

却水 温 度 ) 和 信 息 的 优先 级 C A N 控 制 器 发 送 数

长 较短 传输 方 便 而 且 导弹在 使 用 中是 不 具 有
可 维 修 性 的 为 了保 证 飞 行 的 高 可 靠 性 必 须 保
, ,

,



,

据 时 按 字 节 的 高位 到 低 位 的 顺 序 进 行 串行 发
送 在 发 送 的同 时进 行 接收 同 时将 收 到 的 数 据
, ,

,

证 其 信 号 传输 的 可 靠 性
4 3
.



与 发 送 的 数据 逐 位 进 行 比 较 当多个 节点 同 时 要 求 占用 总 线 进 行 数 据 传输 时 为 防 止 一 个节 点 破 坏 另 一 个 节 点 的数 据 C A N 总 线 协 议 控 制 器 在
, ,



导 弹 控 制 系统 要 采 用 总 线 技 术 必 须 解 决
( 1 根 据导 弹 控 制 系 统 的 信 号 传 输 的 精 度 )
,


,

如 下 问厄

仲裁 场 传输 过 程 中 根 据标 识 符 二 进 制 数值 的大
小 进行 仲 裁 数 值小 的 报 文 具 有 更 高 的 优先 级
, ,


,

时 实 性 和 可 靠 性 要 求 充 分 考 虑总 线 的 采 用带 来 的 新特 点 合 理 地 选 择 采 样 频 率 确定 传输 t
, 、



,

仲裁 丢失 的 节 点等 到 总 线 空闲 后 再 重 新 进 行 报
文发 送



) 取 合 适 总 线产 品 ( 2 为 了最 大 程 度 的 简 化 系统
;
, , ,

接 收 节点 通 过 报 文 筛 选 器 对 C A N 总线
,

降低 系 统 连 接 的 复 杂 度 以 可 靠 性 为 依 据 考 虑
导 弹 控 制 系统 的 变结 构特点 确 定 哪些设 备 应 该

上 的 信 息 进 行 筛 选 对 符 合条 件 的 报 文 进 行 接

收 任 何一 个 监 听 到 总 线上 有 传输 错误 的 节 点都
会发送 错 误 帧 当 两 种 不 同格 式 的 信息 要 在 一 条 总 线 上 要 传 送 时 如 果 信 息 具 有 相 同基 本标识 码
(B ID )
, ,


挂 接 在 总 线 上 哪 些 信 号 要 经 总 线 传输 总 线 系
) 统 采 用 何 种结 构 ; ( 3 为 了 方 便 操 作使用 利 于 采
,

,

,

用 自检 测 等 先 进 的 测 控 技术 以 减 少 发 射 时 间

,

,

在进 行 总 线竞争时 标准 格 式 帧的 优先


,

针 对 不 同类 型 的 终 端 装 t

,

设 计 总 线接 口 简 化

,

级 始终 高 于 扩 展 格式 帧 的优 先 级
4

弹地 接 口 等




采 用 C A N 总 线 是 因 为 C A N 总线 不 仅 具
,

C A N 总 线技术在 导 弹控 制 系 统

有可 靠 成 熟 的 应 用 且 C A N 总 线 芯 片 来 源 广
,


.



中的 应 用
4 1
.

4 4

总 线 传输 方案 的 甚 本 构 想 与 设 计 原 则

导 弹 控 制 系统 信 号 分 析

总 线传 输 方 案 设 计 的 实 质就 是 针 对 导 弹 控
,

导 弹 控制 系统 是 一 种 信 息 与 控 制 或 者 信息

制系统 对 数据传 输 的要 求 和 特点 选 择合 适 的网
,

与决 策 的 变结 构 系统 一 般 由 飞 行控 制 系 统 和 测
试发 射 系 统 组 成
,
、 。



络 协议 网 络结 构 总 线 类 型 实 现 控 制线 路 的 总
线 化 在 设 计 时 应 从 以 下 方 面 综合 考 虑 应 继 承 传 统设 计 方 案 中 成熟 合 理 的 设 计 思 想 与 可 用 于 新 型 系统 的 技术 方案 以 突 出 重 点 缩 短 设 计 周
,
、 。





,

对 于 飞 行 控 制 系 统 其可 分为
,


,

:

连 续 式 和 数 字 式 系 统 两 类 一 般 惯 性 数 字 飞 行控

制 系统 由 导 航 制 导 姿 态 控 制 和 电子 综合 系统



,

构成
:



在 导 弹 系 统 中传 输 的信 号 主 要 有 以 下 四
, ,

期 提 高效 率 节 省 经 费 应 着 眼 未来 需 要 在 成 熟 技 术 的基 础 上 尽可 能 地 采 用 先进 方 法 和 产 品


,

,

;

,

种 周 期 性 的 携 带 大 量 信息 的非 功 率信 号 主 要
是 从 惯 性 传 感 器向 弹 上 计 算 机 传 输 的 信 号 功 率

;

在 总 线 的设 计 和选 择 上 优 先考 虑 高 速 率 硬 件 光 纤 连 接 方 案 和 灵 活 高 效 的 通 信 协 议 ; 应仔 细 推 敲

较 小 但 数 据 量 大 周 期 性 的 携 带 信息 的 功 率 信



;

4 第 2 卷第 3 期
,

C A N 现 场 总 线 及 其 在 导弹控制 系统 中的应 用研



陈励华 等

109

总 线 式 控制 系统 的 总 体 功能 在 总 线 选 取 上 也 不 可 一 味 追 求 速 度 而 牺 牲 传 输质 量 和 抗 干 扰能 力
, , ,

; 据采 样 (A / D ) 和 一 定 的 激 励 (D / A )功 能 具 有 简

单 得 数据 处 理 与控 制功能
4
.



需 注 意 性 能 与 可 靠 性 的均 衡 ; 在 网 络 连 接 上 应 根

6

甚 于 C A N 总 线 的 导 弹控 制 系 统 数 据 传 输

据 各 自特 点 和 总 体 功 能 需 要 灵 活 进行 配 置 采
用 多 网 络 组 合 总 线与 专线结 合 方 式 组 成 合 理 的


流程

报 文 的传 输 依据
制 器 自主 完 成



C A N 总 线通 信 协 议

,

由控

弹 上 控 制 线路 设 计 适 度 可 靠的 冗 余 总 线 系 统
的冗 余 包 括 总 线 自身 冗 余 和 终 端 设 备 冗 余 利 用
,

;





C PU 只 需 将 要 传 输 的 数 据写 到
,

控制 器 的 缓 存 里 (T B F ) 然 后 设 置 控 制 器 的 命 令
) 寄存 器 的 发 送 请 求 标 志 位 (C M R 0 即 可 发

.

数 据融 合 技 术 对 终端 设 备 的冗 余 信息 进 行 处 理
不 但 可 以 提 高 可 靠性 还 能改 善 系 统 性 能
4
.

,

,







发 送 前 C P U 必 须 检 查 状 态 寄存 器 的 发 送
,



5

甚 于 C 八 N 总 线的 X X 导 弹 姿 态 控 制 系 统 总 线 传 输 系 统是 建 立 在 数 字 控 制 方 案 和 总
,

” 缓 存 状 态 标 志 位 (T B S ) 直 到 发 送 缓 存 被 释 放
,

为止



如 果发 送 缓 存 为空 微 处 理 器 就 可 以 将 数
,

,

线 传输 基 础 之 上 将 各 种 控制 装 置 作 为 节 点 挂接 在 数据 总 线 上 构成 的 控 制 网 络 总 线 型 电缆 网 和
总 线 接 口 装 置 不 仅 是 弹 上 信息 的 传 输 通 道 也
, ,


据 写 人 发 送 缓 存 并 且 设 置 命 令 寄存 器 的 发 送 请 求 (T R ) 标 志 位 这 样 控 制 器 就 可 以 开 始 新

,



,

的 一 次发 送 过 程
主过 程



数据发 送 流 程 如 图

3

所示



是 总 线 式 导 弹 控 制 系 统 的重 要 组 成部分



中 断 处理 过 程

基 于 C A N 总线 的 姿 态 控 制 系 统 的 总线 式

控制主 网 如图


1

所 示 包 括 滚控 装 置 一 级 伺 服


,



使 能传 送中断 断

机 构 二 级 伺 服 机 构 惯 性 测 量 组 合 等 集 成 为相

应 终端 节 点



本 系 统 围 绕 弹 载 计算 机 进 行 导 航
, ,

,

与控 制 信 息 的 传 输 及 处 理 下 达 控 制 指 令 执行
飞 行控 制 程 序 和 部 分 测 控 程 序 并 对 网 络进 行集
,

把报 文 写 入 传送 缓 冲 区
传送 请 求 位置 1

暂 存要 发 送 的报 文 给报 文 设I “ ” 将传 送 标志
把 暂 存 的报 文 存 入 发送 理冲 区

中 管理 其它 设 备 如 时序 安 全 头 部 遥 测 等 系
统 的 信号 传输 可 在 此 基 础 上 设 计 完 成 可 以 挂 接
,



,







在骨 干 线 路 上 也 可 单 独 组 成 局 部 网 络 再 通 过 接 口 与骨 干 网 相 连


,

,



3

导 弹 控 制 系 统 C A N 现场 总 线 数据 传 翰 流 程

报 文 数 据 的 接 收也 是 根 据 C A N 总 线通 信
弹 载 计算 机

协 议 由 控制 器 自主 完 成 的
,

,



数据 的 接 收 过 程 可



惯织
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.




R TI

「 「

以 通 过 中 断 的 方式 也 可 以 通 过 查 询 的 方 式 实


RT Z


滚 } 控l梦里 R
1



数 据接 收 流程 如 图
, ,

3

所示

服机构 一级伺

二 级伺 服 机构

根 据方 案 设 计 了五 节 点 的 弹 上 模 拟 通 信



实 验 证 明 模 拟 通 讯 网 的 传 输 速 率 误 码率






惬组
M丁

一级伺
MTI 1
x

服机构

二级 伺 MT Z

服机 构

滚 控 装里 里 MT

系 统 的 可 靠 性 和 总线 系统 的 动 态 切 换 等 完 全 满 足 导 弹 控 制 系 统 信 号 传 输 的 实 时 性 可 靠性 要



x

导 弹 的 总 线 式 姿 态 控制 系 统


.



4 7

基 于 C A N 总 线 的导 弹控 制 系 统 的 特 点

与传 统 的 以 电 缆 为 介 质 的 点 对 点 传 输 网 比
? ? 纤 光 线 总 理 物

较 总 线 式 控 制 系统 有着 不 可 比 拟 的 优 点
(l )
,


,

:

总线 的 采 用 提 高 了 系统 的 整 体 性 能
,




可 维 护性 抗 干 扰 性 和 电 磁 屏 蔽 特 性 而 且 系 统

中各 子 系统 与各 子 站 间 信 息 可 共 享 各 种功 能 设 备 的 智 能化 集 成 使 得 子 系 统 间 可 以 数 字 信 号方

2
,

智 能终 端 接
:

口 方块


,

式通信



总 线 系 统 各 相 应 智 能 终端 框 图 如 图 2 所 示

(2 ) 由 于 采 用 总 线 传 输 系 统 信 息 对 系 统 进
,

; 其 具 有 如 下 功 能 很 好 的 支持 总 线 通 信 具 有 数

行 冗 余 设计 变 得 可 能



(下 转 第 1 1 2

页)

4 第 2 卷第

3


,

一 种 制导 炸 弹侧 向运 动 的解 报控制 A
:

孙 瑞胜 等
; 又:讨


1 11

由 (2 ) 可 得 相 对 增 益 矩
口 } :1 以
, ,

阵为

究 过 程 中 的 相对 增 益
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假定 解 祸 数 学 模 型 通
,

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,





由此 可 得 出 在 不 同 这个


1,

;

下 的解 藕 相 对 增 益

与 解 藕 器 误 差 之 间 的关 系 曲线 如 图
,

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通道 的 相 对 增 益 它 反 映 了通 道 之 间 的 藕 合 程 度 的大 小


2



制 导 炸 弹实

际 飞 行 过 程 中的气 动 增 益 很 少 是 常数 在 设 计解 祸
,

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3
3
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解 藕 补偿 方 法
1

器 时 一定 得 考虑 解祸器
, l, ‘ 的 容许 极 限 误 差 占 以
,

,

80 的 4 0 2 0 0 20 4 0 ‘ 80 0


占 X 10 0

解 藕补 偿 器 设 计



2

解祸 相 对 增 益 与
解 藕器 误 差 之 间 的 关 系 曲线

解 藕 的 实 质 在 于 设 置 一 个 计 算 网 络 补 偿器
,


, o 时 对 应 入 的偏 离 因
,



通 过 引 人 外部 控 制 去 抵 消过 程 中 的 关 联 以 保证

子)



从图
,

2

中可 以 看 出
,

各 个 单 回 路控 制 系 统 能 独 立 工 作 它 要 满 足 三 点
: 要 求 (1 性 能 上 实 现 多 个 独 立 的 单 回 路 控 制 系 )

。 古 随着 又 : 的 增 大 而 减 小

这对 设 计 人 员 是 很 有 帮 助 的



) 统 且 有 期 望 的 动 态性 能 ; (2 结 构 上 具 有 抑 制 噪
,

声 的 能力



(3 )

物 理 上 可 以 实现



4

系统对 比仿 真
某航 空 制 导 炸 弹 俯 冲段 弹 道 特 征 点 的 主 要
:

}

- -



- -



-

-







航 向p 。

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30 6



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,

:

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1 ~ 5 m 0

,

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制 导 炸 弹 侧 向 通 道 解 藕 后 传递 函 数模 型 为
A o
o B

:



1

解藕补偿 器 的 结构 图
. . . .

(7 )

如图
,

1

为制 导 炸 弹 侧 向运 动 的解 祸 补 偿 结
,

构 图 采 用对 角矩 阵法 解 祸 补 偿 器 的 形 式 为
D
D
ll

:

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0 0 8 55 3 + 12 3 4 6 6 5 2 一 95 3 0 2 5 一 0 74 0 3 “ + 0 2 2 丽5 + 5 6 0 4 5 一 5 2 2 6 ; 一 2 18 4
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.

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一 10 7 55 艺 一 2 17 4 5 一 9 3 1 2
. . . . .

.

由 (3 ) 得 出 相 对 增 益
:

:

所 以 解 藕 补 偿控 制器 的 控 制 规 律为
D
D D D
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在 给 定 的 投 弹 初 始条 件 下 滚 转 与 航 向 通 道
有 较 大程 度 的 交 叉 祸合
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解 辐 系 统 的 稼定 性

故 需 设 计解 祸补 偿 器

:

确 定 了 制 导 炸 弹 侧 向运 动 的 解 祸 数 学 模 型
不 等 于 就 实 现 了 解祸 由 于 过 程 通 常 是 非 线性 的 和时 变 的 绝 大 多 数 情 况 下 解 藕 补 偿 器 的 增 益
不 应 该 是 常 数 否 则 解 藕 补偿将 是 不 完善 的 因



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由 (5 )可 得 出 解祸 后 通 道 的控 制 规律 为
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此 解 辆 补 偿 器 应 具 有较 强 的 稳 定 性

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为 了研 究 这 种 情 况 发 生 的 可 能 性 就 需 要 研

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