Brevet FR3121238A1 — publié le 20220930

Système de bus numérique pour aéronef Système de bus numérique dans un aéronef entre un module de contrôle (120) d’un calculateur d’aéronef et une pluralité de capteurs et/ou d’actionneurs de cet aéronef regroupés autour de nœuds de capteurs (14.2) et/ou de nœuds d’actionneurs (15.2) respectivement, le système comprenant d’une part une liaison de communication bifilaire (40) pour transférer à la fois une tension d’alimentation et des données entre le module de contrôle et les nœuds de capteurs et/ou d’actionneurs selon un procédé d’accès multiple à répartition dans le temps dit TDMA combiné à une modulation par multiplexage fréquentiel orthogonal dite OFDM et d’autre part une liaison de puissance bifilaire (42) pour amener depuis un générateur de puissance externe (44) de la puissance aux seuls actionneurs. Figure pour l’abrégé : Fig. 3. Système de bus numérique pour aéronef La présente invention se rapporte au domaine de l’aéronautique et concerne plus particulièrement un système de bus numérique reliant un réseau de capteurs et/ou d’actionneurs à un organe central de contrôle de l’aéronef de type FADEC. Il est reconnu aujourd'hui que le nombre de capteurs et d'actionneurs dans les avions est très important et que matériellement le câblage associé devient particulièrement imposant. Cette situation pose des problèmes d’ordre logistique (la complexité du placement et du raccord des capteurs et des actionneurs), de mise en œuvre (passages des câbles pour l'activation des actionneurs et pour la lecture des capteurs) et d’encombrement des modules de contrôle de ces capteurs et actionneurs. En effet, la plupart des difficultés rencontrées découlent principalement de la topologie point-à-point utilisée actuellement avec un capteur analogique ou un actionneur par ligne de communication ou voie d’acquisition numérique. En outre, la consommation d’énergie de ces modules est importante et leur intégration difficile sur une puce électronique, notamment dans des environnements où la température est élevée (typiquement >=250°C). Par ailleurs, pour transférer des données de communication dans l’avion, il est connu de recourir à un bus numérique résultant pour l’essentiel d’une adaptation des normes du réseau Internet (Ethernet, protocoles IP, UDP ...) à une utilisation avionique et basé sur le concept de l’Ethernet duplex commuté connu sous le nom de AFDX (pour Avionics full Duplex Switched Ethernet). Toutefois, un tel bus avionique AFDX n’est pas adapté à une application temps réel pour un réseau de capteurs et/ou d’actionneurs mettant en œuvre des commutateurs car le chemin des trames et donc le comportement de synchronisation peuvent varier du fait de leur réorganisation ou manipulation en transit. Il en résulte une latence augmentée et un délai d’accès au réseau non-borné. La présente invention a donc pour objet de pallier les inconvénients précités en proposant un système de bus numérique déterministe qui permette une réduction significative du câblage dans l’avion. Un but de l’invention est aussi de proposer un système de bus numérique fiable et robuste et particulièrement adapté à un environnement aéronautique qui est un environnement très sévère en termes de bruits, interférences et haute température, spécialement dans un moteur d’avion. Ces buts sont atteints par un système de bus numérique dans un aéronef entre un module de contrôle d’un calculateur d’aéronef et une pluralité de capteurs et/ou d’actionneurs de cet aéronef regroupés autour de nœuds de capteurs et/ou de nœuds d’actionneurs respectivement, le système comprenant d’une part une liaison de communication bifilaire pour transférer à la fois une tension d’alimentation et des données entre ledit module de contrôle et lesdits nœuds de capteurs et/ou d’actionneurs selon un protocole d’accès multiple à répartition dans le temps dit TDMA combiné à une modulation par multiplexage fréquentiel orthogonal dite OFDM et d’autre part une liaison de puissance bifilaire pour amener depuis un générateur de puissance externe de la puissance aux seuls dits actionneurs. Ainsi, en séparant la liaison de puissance de la liaison de communication, on évite toutes les perturbations pouvant résulter de la commande des actionneurs et le recours à un protocole TDMA combinée à une modulation OFDM permet de garantir une robustesse de la communication, notamment vis-à-vis des perturbations électromagnétiques ou de la foudre. De préférence, ledit module de contrôle comporte un générateur de puissance destiné à fournir l’énergie auxdits capteurs et actionneurs à partir d’un bus d’alimentation et de communication du calculateur et qui va délivrer une tension régulée d’alimentation pour une unité de traitement maitre destinée à assurer l’émission/réception de l’alimentation et des données sur ladite liaison de communication bifilaire, et un module de communication lui-même en liaison d’une part avec le bus et d’autre part avec l’unité de traitement maitre par une liaison de type série synchrone. Avantageusement, ledit nœud de capteur ou d’actionneur comprend une unité de traitement esclave chargée d’assurer l’émission/réception de l’alimentation et des données sur ladite liaison de communication bifilaire et un module d’interface qui est en communication avec elle via une liaison de type série synchrone et qui assure l’interface et la mise à niveau des signaux analogiques issus desdits capteurs et délivrés auxdits actionneurs. De préférence, ladite unité de traitement esclave comporte : une chaine de réception comprenant en série un filtre anti-repliement de spectre, un amplificateur programmable et un convertisseur analogique-numérique ; une chaine d’émission comprenant un convertisseur numérique-analogique, un filtre de lissage et un amplificateur de puissance ; une chaine de traitement numérique ayant un processeur numérique et un contrôleur de liaison dédié pour ladite liaison de type série synchrone ; et un circuit d’alimentation comportant en série un filtre actif passe-bas et un bloc de régulation multi-tensions. Avantageusement, ledit contrôleur du module de contrôle comporte en outre un additionneur pour mélanger des signaux issus du convertisseur numérique-analogique avec des signaux de synchronisation issus d’un module de gestion et une table de mémorisation des coefficients d’estimation des canaux contenant les fonctions de transfert de tous les nœuds. De préférence, ledit filtre anti-repliement et ledit filtre de lissage ont une bande passante comprise entre 20KHz-800KHz et ledit filtre actif passe-bas a une fréquence de coupure de 10KHz. Avantageusement, ledit amplificateur de puissance comporte une charge résistive pour adapter la charge de ladite liaison de communication bifilaire. De préférence, ladite liaison de type série synchrone est une liaison par bus SPI (pour « Serial Peripheral Interface ») ou I2C (pour « inter integrated circuit »). L’invention concerne également une unité de traitement maitre ou esclave d’un tel système de bus numérique et une unité de traitement esclave reliée à un module d’interface commun configuré pour assurer à la fois la lecture des capteurs et le positionnement des actionneurs. L’invention concerne encore un aéronef comportant un système de bus numérique tel que précité. D’autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif et sur les lesquels : la montre un avion dans lequel est illustré schématiquement un système de bus numérique conforme à l’invention, La illustre le principe de communication dans le système de bus numérique de la . la détaille l’architecture du système de bus numérique de la , la illustre l’architecture interne d’un contrôleur esclave du système de bus numérique selon l’invention, la illustre l’architecture interne d’un contrôleur maitre du système de bus numérique selon l’invention, et la illustre une trame de données circulant dans le système de bus numérique selon l’invention. Système de bus numérique dans un aéronef entre un module de contrôle (120) d’un calculateur d’aéronef et une pluralité de capteurs et/ou d’actionneurs de cet aéronef regroupés autour de nœuds de capteurs (14.1 – 14.n) et/ou de nœuds d’actionneurs (15.1 – 15.n) respectivement, le système comprenant : . une liaison de communication bifilaire (40) pour transférer une tension d’alimentation ainsi que des données entre ledit module de contrôle et lesdits nœuds de capteurs et/ou d’actionneurs selon un protocole d’accès multiple à répartition dans le temps dit TDMA combiné à une modulation par multiplexage fréquentiel orthogonal dite OFDM et . une liaison de puissance bifilaire (42) pour amener depuis un générateur de puissance externe (44) de la puissance aux seuls dits actionneurs. Système de bus numérique selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit module de contrôle comporte un générateur de puissance (52) destiné à fournir l’énergie auxdits capteurs et actionneurs à partir d’un bus (50) d’alimentation et de communication du calculateur et qui va délivrer une tension régulée d’alimentation pour une unité de traitement maitre (54) destinée à assurer l’émission/réception de l’alimentation et des données sur ladite liaison de communication bifilaire, et un module de communication (56) lui-même en liaison d’une part avec le bus (50) et d’autre part avec l’unité de traitement maitre (54) par une liaison de type série synchrone. Système de bus numérique selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que ledit nœud de capteur ou d’actionneur comprend une unité de traitement esclave (60, 64) chargée d’assurer l’émission/réception de l’alimentation et des données sur ladite liaison de communication bifilaire et un module d’interface (62, 66) qui est en communication avec elle via une liaison de type série synchrone et qui assure l’interface et la mise à niveau des signaux analogiques issus desdits capteurs et délivrés auxdits actionneurs. Système de bus numérique selon la revendication 3, caractérisé en ce que ladite unité de traitement esclave comporte : une chaine de réception (70) comprenant en série un filtre anti-repliement de spectre (700), un amplificateur programmable (702) et un convertisseur analogique-numérique (704) ; une chaine d’émission (72) comprenant un convertisseur numérique-analogique (720), un filtre de lissage (722) et un amplificateur de puissance (724) ; une chaine de traitement numérique (74) ayant un processeur numérique (740) et un contrôleur de liaison dédié (742) pour ladite liaison de type série synchrone ; et un circuit d’alimentation (76) comportant en série un filtre actif passe-bas (760) et un bloc de régulation multi-tensions (762). Système de bus numérique selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite unité de traitement maitre du module de contrôle (120) comporte : une chaine de réception (70) comprenant en série un filtre anti-repliement de spectre (700), un amplificateur programmable (702) et un convertisseur analogique-numérique (704) ; une chaine d’émission (72) comprenant un convertisseur numérique-analogique (720), un filtre de lissage (722) et un amplificateur de puissance (724) ; une chaine de traitement numérique (74) ayant un processeur numérique (740) et un contrôleur de liaison dédié (742) pour ladite liaison de type série synchrone ; un circuit d’alimentation (76) comportant en série un filtre actif passe-bas (760) et un bloc de régulation multi-tensions (762) ; un additionneur (730) pour mélanger des signaux issus du convertisseur numérique-analogique (720) avec des signaux de synchronisation issus d’un module de gestion (728) ; et une table (744) de mémorisation des coefficients d’estimation des canaux contenant les fonctions de transfert de tous les nœuds. Système de bus numérique selon la revendication 4 ou la revendication 5, caractérisé en ce que ledit filtre anti-repliement et ledit filtre de lissage ont une bande passante comprise entre 20KHz-800KHz et ledit filtre actif passe-bas a une fréquence de coupure de 10KHz. Système de bus numérique selon la revendication 4 ou la revendication 5, caractérisé en ce que ledit amplificateur de puissance comporte une charge résistive (726) pour adapter la charge de ladite liaison de communication bifilaire. Système de bus numérique selon la revendication 2 ou la revendication 3, caractérisé en ce que ladite liaison de type série synchrone est une liaison par bus SPI (pour « Serial Peripheral Interface ») ou I2C (pour « inter integrated circuit »). Unité de traitement maitre (54) d’un système de bus numérique selon la revendication 5. Unité de traitement esclave (60, 64) d’un système de bus numérique selon la revendication 4. Unité de traitement esclave selon la revendication 10, caractérisée en ce qu’elle est reliée à un module d’interface commun configuré pour assurer à la fois la lecture des capteurs (18, 20) et le positionnement des actionneurs (24, 26). Aéronef comportant un système de bus numérique selon l’une quelconque des revendications 1 à 8.