Brevet FR2980864A1 — publié le 20130405

Boîtier de téléchargement de données pour calculateurs électroniques Le domaine général de l'invention est celui des moyens de téléchargement de données sur des équipements électroniques ayant des contraintes de téléchargement spécifiques. Cette invention s'applique tout particulièrement au domaine aéronautique où le téléchargement de données obéit à des protocoles particuliers. Dans ce cas, les équipements peuvent être des calculateurs embarqués ou des dispositifs de visualisation. Compte-tenu de la durée de vie des matériels aéronautiques et des processus industriels, il est nécessaire de pouvoir télécharger des données dans un équipement électronique embarqué comportant du logiciel pour le mettre à un nouveau standard. Ce téléchargement doit pouvoir être réalisé sur un théâtre d'opération répondant à des contraintes environnementales fortes. Il doit également pouvoir être utilisé avec des moyens aussi standards que possible, sans nécessiter l'intervention d'un technicien spécialisé pour mettre en oeuvre l'outil de téléchargement. Actuellement, on utilise des moyens de téléchargement spécifiques par type de logiciel à télécharger. Ces moyens comprennent - Un micro-ordinateur de type « Personal Computer » ou « PC » « durci » permettant une utilisation en environnement aéronautique ; - Une carte spécifique permettant le dialogue avec le produit. Cette carte ne gère qu'un seul protocole de téléchargement car elle est souvent réalisée par un composant ou « hardware » grand public dit « composant sur étagère » ou « COTS » enrichi d'un logiciel ou « firmware » spécifique ; - Un logiciel de contrôle spécifique gérant les émissions/réceptions de données et le protocole de mise en oeuvre ; - Une « sur couche » logiciel au système d'exploitation pour permettre la tenue précise de la séquence de téléchargement en temps réel. Ces solutions sont exclusives. Chaque changement de produit 5 implique une refonte importante des moyens de téléchargement et donc des coûts et des délais importants. Le choix technique du firmware sur composant COTS a l'inconvénient d'être rapidement obsolète. On doit, en effet, suivre les évolutions technologiques des produits COTS. La durée de vie des produits 10 aéronautiques n'est pas celle des produits grand public où la cadence des évolutions est beaucoup plus rapide. Le portage du logiciel de contrôle sur un nouveau matériel est beaucoup plus coûteux, compte-tenu de la forte dépendance au COTS et à son firmware spécifique. Ces systèmes présentent aussi l'inconvénient d'être tributaires du 15 processeur ou « CPU » de l'ordinateur pour effectuer la gestion du protocole de téléchargement. La gestion d'un protocole de téléchargement d'équipement avionné nécessite en fait une charge de calcul importante, en effet des « Contrôles de Redondance Cycliques » ou « CRC » sont calculés et vérifiés à chaque paquet d'émission de données, dans un souci de 20 vérification du dialogue et de la bonne réception des données par l'équipement à télécharger. Les systèmes actuels utilisent le CPU de l'ordinateur qui héberge la carte et le logiciel pour faire ces calculs, mais cela présente plusieurs inconvénients : - La vitesse de téléchargement est dépendante de la puissance 25 de calcul du CPU ; - La vitesse de calcul est variable entre deux PC différents ; - L'impact d'un logiciel tiers sur le PC peut ne plus laisser assez de CPU disponible pour effectuer les calculs nécessaires au bon déroulement du téléchargement. Si le système 30 d'exploitation de l'ordinateur est interrompu pour une autre tâche comme, par exemple, la préemption dans les systèmes de type « Windows » de la société Microsoft, le téléchargement peut être ralenti voir interrompu ; - une configuration minimale de PC est requise, notamment au 35 niveau de la performance CPU. Les avionneurs souhaitent que les moyens de téléchargement assurent les principales fonctionnalités suivantes: - Téléchargement du logiciel opérationnel ou de fichiers suivant un standard avionique précis ; - Mise en oeuvre rapide du boîtier de téléchargement avec un PC de contrôle quelconque, sans installation de logiciel spécifique ; - Possibilité de réaliser un téléchargement alors que le PC utilise 90% de ses ressources CPU ; - Compatibilité avec des « Operating Systems » standards ou OS tels que Windows XP, Windows Vista et Windows 7 développés par la société Microsoft ; - Capacité à s'alimenter uniquement par le port USB sur lequel il est branché ; - Capacité à afficher une interface graphique ou « IHM » ou à fournir uniquement des services pour une IHM spécifique cliente. Les contraintes de téléchargement imposées par l'équipementier sont d'avoir un système de téléchargement compatible multi-protocoles sans nécessiter de profondes modifications matérielles pour assurer la gestion d'un nouveau protocole d'échange. Cette contrainte permet de proposer des mises à jour rapides en fonction du ou des équipements déployés sur site. Aucun équipement électronique grand public n'existe actuellement permettant de gérer simultanément ces diverses fonctionnalités et contraintes. Ainsi, si l'on examine les différents matériels susceptibles de répondre à ces exigences, l'état des lieux est le suivant : - Respect des normes de téléchargement aéronautique. Seules certaines cartes utilisables sur des bus spécifiques comme le format PCI signifiant « Peripheral Component Interconnect », existent ; - Indépendance vis à vis du CPU du PC de contrôle. Il existe des composants autonomes qui ont une ressource de calcul dédiée se présentant sous la forme de composants ASIC signifiant « Application Specifique Integrated Circuit », de microcontrôleur ou de FPGA signifiant « Field Programmable Gate Array », mais tous nécessitent l'installation d'un logiciel spécifique sur le PC sur lequel ils sont connectés. Par conséquent, ces applications spécifiques sont exécutées par le PC de contrôle et donc tributaire de son processeur ; - Absence de nécessité d'installer une application spécifique de contrôle. L'indépendance actuelle des solutions du marché se limite souvent à la mise en oeuvre de protocoles standards qui ne couvrent que la gestion physique et non la gestion logicielle. On citera les boitiers au format ARINC 429 ou au format RS 422. Des normes cadres comme la norme LXI définissent la notion d'indépendance mais sans préciser la réalisation, en particulier sur la problématique spécifique du téléchargement ; - Evolution du matériel pour la gestion de nouveaux protocoles. Un certain nombre de matériel permettent la mise à jour des firmwares par téléchargement mais plus rarement la mise à jour des fonctions présentes sur l'équipement ; - Pilotage d'un composant matériel - L'utilisation de FPGA est souvent employée pour réaliser cette fonction mais la réalisation du logiciel est alors dans un langage spécifique au FPGA ; - L'utilisation de cartes à composant matériel est présente dans le domaine des téléphones portables, par exemple, mais la gestion physique du matériel est alors supporté par le système d'exploitation et n'est donc plus physiquement modifiable par les logiciels. Le boîtier de téléchargement de données pour calculateurs 30 aéronautique selon l'invention prend en compte ces différentes fonctionnalités et contraintes. La fonction de téléchargement est isolée dans un boitier autonome. Cette solution technique permet : - De ne pas être tributaire de l'OS du PC de contrôle ; - De ne pas être tributaire de la charge de calcul disponible sur le 35 CPU du PC de contrôle ; - D'avoir un traitement d'obsolescence facilité dans la mesure où la spécificité matérielle est traitée en faisant réaliser la gestion du protocole par le logiciel, ce qui permet d'utiliser des composants d'émissions/réceptions standards. L'architecture du boîtier de téléchargement selon l'invention comporte principalement: - une carte intelligente intégrant un CPU ; - un système d'exploitation qui lui est propre, afin de devenir indépendant de l'ordinateur de contrôle au niveau de la charge de calcul ; - Plusieurs unités arithmétiques programmables pour permettre la mise en oeuvre physique des protocoles ; La mise en oeuvre d'un serveur Web sur le boîtier permet également d'offrir un pilotage par page Web sur l'ordinateur de contrôle, 15 donc sans aucun logiciel à installer. Ce boîtier de téléchargement indépendant permet de rendre autonome tant au niveau du logiciel que du matériel le système de téléchargement des équipements vis à vis du PC qui le pilote. On entend par autonomie : 20 - Autonomie logicielle ; - Autonomie en ressource de calcul ; - Autonomie matérielle. Cette indépendance est importante sur le plan matériel car les équipements aéronautiques nécessitent la plupart du temps la mise en 25 oeuvre de protocoles spécifiques. L'autonomie physique du boitier est obtenue par : - Un port de type « USB » acronyme de « Universal Serial Bus » pour alimenter le boîtier de téléchargement ; - Le port USB ou un port Ethernet pour véhiculer les services 30 Web ou les interfaces graphiques. Plus précisément, l'invention a pour objet un boîtier de téléchargement appelé « D-BOX » de données pour calculateurs électroniques, la transmission des données étant réalisée selon un protocole 35 de transfert prédéterminé, caractérisé en ce que ledit boîtier comporte une unité centrale de traitement ou « CPU », un système d'exploitation interne ou « OS », des moyens d'interface et de réception de type Ethernet des données à télécharger, des moyens de stockage desdites données et des moyens logiciels comportant la définition physique du protocole de transfert des données à télécharger et assurant le transfert des données à télécharger selon ce protocole et des moyens d'interface et d'émission desdites données à télécharger. Avantageusement, le protocole de transfert des données comporte un contrôle de redondance cyclique permettant la détection des 10 erreurs de transmission. Avantageusement, le boîtier comporte un serveur Web informatique comportant des pages d'interface graphique de contrôle du boîtier ; des moyens de mise à jour du système d'exploitation interne et des moyens logiciels comportant la définition physique du protocole de transfert 15 des données à télécharger et assurant le transfert des données à télécharger selon ce protocole ; des moyens de mémorisation de l'historique des transferts de données, des mises à jour des logiciels et des pannes survenues et un logiciel de licence du boîtier permettant de l'identifier. Avantageusement, les moyens d'interface et de réception des 20 données à télécharger sont au standard USB, l'alimentation électrique du boîtier étant assurée par l'interface USB. Avantageusement, les calculateurs électroniques à télécharger sont des équipements aéronautiques embarqués. 25 Dans la suite de la description, le boîtier de téléchargement selon l'invention est également appelé D-Box pour « Dataloading Box ». L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre donnée à titre non 30 limitatif et grâce aux figures annexées parmi lesquelles : La figure 1 représente les différentes composantes électroniques de la D-box ; La figure 2 représente le synoptique fonctionnel de la D-Box ; La figure 3 représente les différentes étapes d'un téléchargement 35 de données au moyen d'une D-Box selon un ordre chronologique ; La figure 4 représente les différentes étapes d'un téléchargement de données au moyen d'une D-Box selon les moyens mis en oeuvre ; La figure 5 représente l'utilisation de la D-Box avec un banc d'outillage ; La figure 6 représente l'utilisation de la D-Box sur porteur. Comme il a été dit, l'originalité du boîtier de téléchargement de données pour calculateurs aéronautique selon l'invention est que la fonction de téléchargement est isolée dans un boitier autonome. Concrètement, comme on le voit sur la figure 1, le boîtier de téléchargement est disposé entre un micro-ordinateur de type PC portable ou « PC Laptop » qui contient les données à télécharger et l'équipement électronique qui doit recevoir lesdites données selon un protocole prédéterminé. L'équipement est noté UUT sur la figure 1, « UUT » étant l'acronyme de « Unit Under Test ». La partie électronique ou « Hardware » de la D-Box comporte essentiellement une carte électronique comportant un micro-processeur ou CPU fonctionnant sous un OS de type « LINUX », un port INPUT d'entrée de données fonctionnant, par exemple, sous le standard USB et un port OUTPUT de sorties de données fonctionnant, par exemple, sous le standard « RS232 ». D'autres interfaces d'entrée/sortie peuvent être ajoutées notées I/O sur la figure 1. Il existe différents outils externes utilisés en informatique reliés à un PC via une interface USB. On citera : - Les moyens de stockage de données comme les clés USB ou les disques durs. Ces moyens sont reconnus automatiquement par le système d'exploitation comme un lecteur de disque externe. Le PC propose à l'utilisateur d'aller écrire ou lire des fichiers sur une zone de stockage. Le traitement se fait automatiquement par détection de modification du contenu de la zone de stockage. Cette solution a l'inconvénient de limiter les possibilités de retour d'erreurs ou d'informations sur l'avancement des opérations et de nécessiter une déclaration du port comme lecteur externe ; 2 9 80864 8 - Les appareils à fonction spécifique tels que les imprimantes ou les appareils photo. Ces appareils nécessitent une interface de pilotage et donc imposent l'installation d'un logiciel sur le PC. Dans le cas des imprimantes, il s'agit de drivers et d'une interface 5 logicielle pilotant le scanner intégré. Dans le cas d'un boîtier USB/RS422, il s'agit d'un driver pour le piloter et d'une interface logicielle permettant d'appeler le driver pour réaliser des actions sur le bus RS42. Ainsi, les architectures actuelles des équipements intelligents nécessitent l'installation d'un couple 10 driver/application dédiée, ce qui ne répond pas au besoin ; - Les équipements autonomes à interface Ethernet. Le dialogue avec l'équipement se fait par le biais de communication standard Ethernet + Web au moyen de la carte réseau de l'ordinateur et d'un navigateur Web. Le respect des standards RFC sur les 15 services Web ou les interfaces permet de n'utiliser que les modules natifs des navigateurs Web de la machine. La notion de téléchargement, notamment pour équipement aéronautique, est très différente de l'écriture sur un support mémoire 20 quelconque. En effet, la sécurité du téléchargement imposée par le milieu aéronautique implique de respecter un protocole spécifique. Ce protocole nécessite à la fois un contrôle du séquencement de la transmission des données mais également, dans la plupart des cas, un contrôle des niveaux électriques et des horloges de synchronisation de la transmission de 25 données. Un protocole de téléchargement est donc décomposé en deux modules : - Un module de gestion physique du protocole de communication. On entend par gestion physique la gestion des 30 caractéristiques physiques des données transmises, comme par exemple, le niveau de tension requis ou les sorties requises. A titre d'exemples, les normes mises en oeuvre peuvent être les normes RS422, Ethernet ou Arinc 429 ; - Un module de gestion logicielle du protocole de téléchargement. On entend par gestion logicielle la façon dont sont agencées les données et leur cadencement. A titre d'exemples, les normes mises en oeuvre peuvent être les normes Arinc 665-A ou Boot MACS2. Sur les systèmes actuels, ces deux modules sont majoritairement 5 traités par des cartes spécifiques développées pour chacun des protocoles. La D-Box selon l'invention fonctionne sans installation logicielle. La gestion physique du protocole de communication est configurée par la gestion logicielle de façon à développer ce module pour plusieurs protocoles de téléchargement. La gestion logicielle supporte donc l'ensemble de la 10 spécificité du protocole implémenté. Plus précisément, la figure 2 représente les différentes fonctions de la D-Box ainsi que leurs relations fonctionnelles internes et externes. Les fonctions de la D-Box sont représentées par des rectangles, les systèmes extérieurs à la D-Box par des losanges. 15 - F01 POWER : Cette fonction représente les alimentations électriques. Cette alimentation peut être puisée sur le bus USB de transmission des données ; - F02 ETHERNET : L'objet de cette fonction est de véhiculer les informations générées par les fonctions F12 MMI et F09 WEB afin 20 d'offrir l'accès à l'interface graphique de la D-Box depuis le PC de contrôle ;F03) F07) - F03 : UPDATE : C'est la fonction de mise à jour du logiciel et de l'OS de la D-Box ; - F04 OS : Le système d'exploitation du boîtier de 25 téléchargement permet d'offrir l'accès à toutes les ressources matérielles de la carte composant ce boîtier et de supporter l'exécution d'application classique ; - F05: FTP/LDAP : acronyme de «File Transfert Protocole/ Lightweight Directory Access Protocol». C'est la fonction qui 30 permet d'envoyer les fichiers à télécharger sur l'équipement du PC vers la D-Box avant que la D-Box ne les envoie à l'équipement via les protocoles spécifiques associés décrit dans F10 - F06 EQUIPMENT : Il s'agit de la fonction réalisant l'interface avec l'équipement à télécharger. Cette interface peut être selon l'une des normes RS232, RS422, Ethernet, AFDX, I2C, SIS, ... - F07 LICENCING : Cette fonction permet d'associer une licence à un boîtier D-Box de façon à assurer la maîtrise de l'utilisation de ce produit ; - F08 STORAGE : Elle correspond à la zone mémoire permettant d'accueillir les fichiers à télécharger sur l'équipement. Cette zone est remplie par la fonction F05 FTP/LDAP et lue par la fonction F10 PROTOCOL lors du téléchargement du produit - F09 : WEB : Cette fonction correspond à un serveur installé sur le boîtier de téléchargement, qui permet d'offrir des services Web au PC qui vient se connecter sur ce boîtier. Ce service web peut notamment correspondre à des pages WEB d'IHM de contrôle du boîtier ; - F10 : PROTOCOL : Cette fonction gère le protocole de téléchargement sur le produit, c'est-à-dire le calcul et la vérification des CRC, le cadencement de la transmission des données et d'autres fonctions liées au protocole. Cette fonction est une fonction logicielle. - F11 : TRACE/LOG : Cette fonction permet d'enregistrer un historique des évènements arrivés sur le boîtier et en particulier les pannes ; - F12 : MMI : « MMI » est l'acronyme de « Man Machine Interface ». Cette fonction génère les pages d'interface graphique. Les différentes sorties IE de la figure 2 ont les significations suivantes : - 1E1 : Entrée PC - 1E2 : Driver PC - 1E3 : Web services - 1E4 : Web Interface graphique - 1E5 : Interface graphique du protocole - 1E6 : Liaison équipement35 La connexion physique de la D-Box sur le PC est choisie sur les ports disponibles sur les PCs standards et géré par les drivers natifs des systèmes d'exploitation. Sa première fonction est de permettre la communication de données au standard Ethernet. Sa seconde fonction est de fournir une source d'alimentation à la D-Box. On évite ainsi de devoir disposer d'une batterie ou d'une source externe sur la D-Box. A titre d'exemple, l'interface USB remplit parfaitement cette fonction. Ces principales caractéristiques sont : - Alimentation disponible jusqu'à 2W ; - Standard universel largement diffusé et durable ; - Connecteur économique ; - Débit de donnée important avec le standard USB 2.0 ; - Toutes les OS connues sont compatibles USB. On citera, à titre d'exemples, Windows, Linux, Solaris, Chrome ... A titre d'exemple, une carte électronique de marque CALAO Systems de référence TNY-A9G20-LPW-10X répond à l'ensemble des contraintes de la D-Box. Ces caractéristiques techniques sont : - Alimentation par USB: REVENDICATIONS1. Boîtier de téléchargement de données pour calculateurs électroniques, la transmission des données étant réalisée selon un protocole de transfert prédéterminé, caractérisé en ce que ledit boîtier comporte une unité centrale de traitement ou « CPU », un système d'exploitation interne ou 5 « OS » (F04), des moyens d'interface et de réception (F02) de type Ethemet des données à télécharger, des moyens de stockage (F08) desdites données et des moyens logiciels (F10) comportant la définition physique du protocole de transfert des données à télécharger et assurant le transfert des données à télécharger selon ce protocole et des moyens d'interface et d'émission 10 desdites données à télécharger. 2. Boîtier de téléchargement de données pour calculateurs électroniques selon la revendication 1, caractérisé en ce que le protocole de transfert des données comporte un contrôle de redondance cyclique 15 permettant la détection des erreurs de transmission. 3. Boîtier de téléchargement de données pour calculateurs électroniques selon la revendication 1, caractérisé en ce que le boîtier comporte un serveur Web (F09) informatique comportant des pages 20 d'interface graphique de contrôle du boîtier. 4. Boîtier de téléchargement de données pour calculateurs électroniques selon la revendication 1, caractérisé en ce que le boîtier comporte des moyens de mise à jour (F03) du système d'exploitation interne 25 et des moyens logiciels comportant la définition physique du protocole de transfert des données à télécharger et assurant le transfert des données à télécharger selon ce protocole. 5. Boîtier de téléchargement de données pour calculateurs 30 électroniques selon la revendication 1, caractérisé en ce que le boîtiercomporte des moyens de mémorisation (F11) de l'historique des transferts de données, des mises à jour des logiciels et des pannes survenues. 6. Boîtier de téléchargement de données pour calculateurs 5 électroniques selon la revendication 1, caractérisé en ce que le boîtier comporte un logiciel de licence (F07) du boîtier permettant de l'identifier. 7. Boîtier de téléchargement de données pour calculateurs électroniques selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens 10 d'interface et de réception des données à télécharger sont au standard USB, l'alimentation électrique du boîtier étant assurée par l'interface USB. 8. Boîtier de téléchargement de données pour calculateurs électroniques selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce 15 que les calculateurs électroniques sont des équipements aéronautiques embarqués.