БОРТОВАЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ИНТЕГРИРОВАННОЙ МОДУЛЬНОЙ АВИОНИКИ

Предлагаемая полезная модель относится к области авиационного приборостроения и может быть использована в комплексах бортового оборудования на основе интегрированной модульной авионики (ИМА) самолетов и вертолетов гражданской и военной авиации.
Идеология интеграции бортовой авиационной аппаратуры известна как концепция IMA (Integrated Modular Avionic), основы которой изложены в стандарте ARINC 651 и закреплены в требованиях руководства по вопросам разработки и квалификации интегрированной модульной авионики Р-297, М.: Авиаиздат, 2015, 123 с.
Концепция IMA предписывает иметь открытую сетевую отказоустойчивую функционально-ориентированную архитектуру на базе масштабируемой ИМА с использованием единой вычислительной среды (платформы). Функции отдельных систем комплекса в этом случае выполняют программные приложения, разделяющие общие вычислительные и информационные ресурсы. Важной особенностью такой архитектуры является замена «жестких» раз и навсегда установленных связей между блоками и системами бортового оборудования авиационного комплекса на динамическую реконфигурацию его структуры, например, при отказах с соответствующим перераспределением ресурсов (см. патент РФ №2592193 от 23.03.2015 г. ).
Известна модульная система авионики самолета, содержащая процессорные модули, несколько блоков (шкафов), расположенных в разных местах самолета и объединенных в сеть. Блоки содержат два основных процессорных модуля и два модуля ввода / вывода, служащих интерфейсами для подлежащих управлению систем, а также для промежуточного хранения и управления данными, поступающими в блок или выдаваемых из него. Каждый основной процессорный модуль имеет независимую прямую связь с каждым модулем ввода / вывода и другим процессорным модулем, и в нем несколько независимых системных программ работают под управлением операционной системы (см. патент РФ №2413655 от 16.11.2006 г. ).
Известная система позволяет исключить монтажную шину, которая требуется в подобных системах для соединения модулей между собой. Недостатком известной системы является ограничение ее функциональных возможностей, ориентированных в основном на реализацию функций управления и контроля.
По совокупности сходных существенных признаков наиболее близким к предлагаемой полезной модели является платформа интегрированной модульной авионики боевых комплексов (см. патент РФ №2595507 от 21.04.2014 г. ), выполненная в виде одного или нескольких крейтов, включающих по меньшей мере один универсальный вычислительный модуль, модуль сетевого коммутатора, модуль графического контроллера, модуль ввода / вывода и модуль вторичного электропитания, подключенный ко всем модулям платформы и к бортовой сети электропитания. При этом все модули, за исключением модуля вторичного электропитания, связаны между собой и с сопрягаемым оборудованием через модули сетевых коммутаторов детерминированным сетевым каналом информационного обмена. Каждый модуль платформы содержит встроенный в модуль программируемый контроллер, связанный с контроллерами других модулей посредством канала информационного обмена информацией о состоянии модулей и выдачи управляющих команд на изменение состояния модуля. В качестве детерминированного сетевого канала информационного обмена в прототипе предлагается использовать Fiber Channel, а в качестве сервисного канала информационного обмена CAN (Controller Area Network).
Недостатком известной платформы являются значительная потребляемая мощность и габариты, препятствующие ее применению в качестве бортовой вычислительной системы для интегрированной модульной авионики на относительно небольших объектах (в том числе беспилотных), а также отсутствие в платформе модуля твердотельного накопителя данных и модуля разовых команд.
Перед заявленной полезной моделью была поставлена задача снижения потребляемой мощности и уменьшения габаритов бортовой вычислительной системы для интегрированной модульной авионики, а также расширения ее функциональных возможностей.
Поставленная задача решается тем, что предложена бортовая вычислительная система для интегрированной модульной авионики, содержащая по меньшей мере один крейт, который включает в себя по меньшей мере один универсальный вычислительный модуль, один модуль сетевого коммутатора, подключенный к сетевым каналам связи, модуль графического контроллера, подключенный к видеоканалам, модуль ввода / вывода, подключенный к каналам информационного обмена с авиационными системами, и модуль вторичного электропитания, подключенный ко всем модулям системы и к бортовой сети электропитания. Каждый модуль системы содержит встроенный в него программируемый контроллер, связанный с аналогичными контроллерами других модулей посредством сервисного канала информационного обмена информацией о состоянии модулей и выдачи управляющих команд на изменение состояния модуля.
2
Новым в предложенной системе является то, что модуль графического контроллера и модуль ввода / вывода выполнены в виде мезонинных модулей с форм-фактором ХМС (Switch Fabric Mezzanine Card-мезонинная плата с коммутационной структурой). Указанные модули связаны по первой локальной шине PCI-Express (Peripheral Component Interconnect -взаимосвязь периферийных компонентов) с универсальным вычислительным модулем через соответствующий носитель мезонина и коммутатор PCI-Express, встроенный в один из носителей мезонина, например, носитель мезонина модуля ввода / вывода. Универсальный вычислительный модуль выполнен с функцией носителя мезонина и связан с мезонинным модулем сетевого коммутатора с форм-фактором ХМС по второй локальной шине PCI-Express. В качестве сервисного канала информационного обмена используется последовательная шина I С (Inter-Integrated Circuit- связь между интегральными схемами).
Система может содержать дополнительный мезонинный модуль твердотельного накопителя данных с форм-фактором ХМС, связанный по первой локальной шине PCI-Express с универсальным вычислительным модулем через соответствующий носитель мезонина и коммутатор PCI-Express, встроенный в носитель мезонина модуля ввода / вывода.
Система может содержать дополнительный мезонинный модуль разовых команд с форм-фактором ХМС, связанный по первой локальной шине PCI-Express с универсальным вычислительным модулем через соответствующий носитель мезонина и коммутатор PCI-Express, встроенный в носитель мезонина модуля ввода / вывода.
Локальная шина PCI-Express представляет собой пакетную сеть с топологией типа «звезда», в которой каждое устройство связано с другим соединением типа «точка-точка» с помощью коммутатора PCI-Express. На физическом уровне электрические сигналы в такой сети представляют собой низковольтные сигналы LVDS (Low Voltage Differential Signaling).
Технический результат полезной модели состоит в уменьшении потребляемой мощности и габаритов бортовой вычислительной системы и расширении ее функциональных возможностей.
На чертеже представлена функциональная блок-схема заявленной полезной модели (см. фиг.).
2
Заявленная бортовая вычислительная система для интегрированной модульной авионики содержит по меньшей мере один крейт 1, который включает в себя по меньшей мере один универсальный вычислительный модуль 2 с функцией носителя мезонина для мезонинного модуля сетевого коммутатора 3, подключенного к сетевым каналам связи 4. Заявленная система содержит также мезонинный модуль графического контроллера 5, подключенный к видеоканалам 6, модуль ввода / вывода 7, подключенный к каналам информационного обмена с авиационными системами 8, модуль твердотельного накопителя данных 9, модуль разовых команд 10, подключенный к шине разовых команд 11, и модуль вторичного электропитания 12, подключенный ко всем модулям системы шиной электропитания 13 и к бортовой сети постоянного тока 27 В шиной 14. Каждый из мезонинных модулей 5, 7, 9 и 10 подключен к соответствующему модулю носителя мезонина 15, которые в свою очередь подключены к универсальному вычислительному модулю 2 по локальным шинам 16 PCI-Express №1 через коммутатор PCI-Express 17, встроенный в модуль носителя мезонина 15 для модуля ввода-вывода 7. Мезонинный модуль сетевого коммутатора 3 подключен непосредственно к универсальному вычислительному модулю 2 по локальной шине 18 PCI-Express №2. Все мезонинные модули 3, 5, 7, 9, 10 и модуль вторичного электропитания 12 содержат встроенные в них программируемые контроллеры 19, связанные с контроллерами других модулей по сервисному каналу информационного обмена 20 типа IС.
В качестве универсального вычислительного модуля 2 с функцией носителя мезонина может быть использован вычислительно-интерфейсный модуль ВИМ-3U-3М по ИЯДС.466226.004 со следующими техническими характеристиками:
- одноядерный микропроцессор Р1010 архитектуры Power PC Freescale;
- операционная система VxWorks 653, Linux 2.6.x;
- ОЗУ 2Гб, Flash РПЗУ для ОС РВ 32Мб, Flash РПЗУ для ПО пользователя 32 Мб, NAND Flash РПЗУ 1Гб, ЭЗУ 256 Кб, ПЗУ идентификатора модуля;
- 2 канала AFDX (Avionics Full Duplex Ethernet) по стандарту ARINC-664, p.7; 1 канал Ethernet 100 BASE-TX; 1 канал USB 2.0; 2 канала PCI-Express;
- узел разовых команд (24 входных и 2 выходных) по ГОСТ 18977-79;
- технологические интерфейсы: JTAG, RS-232C -3шт;
2
- встроенные средства контроля, подключенные к сервисной шине IС с режимами Power monitor и Watchdog timer;
- конструктивное исполнение: формат VPX с типоразмером 3U по стандарту ANSI / VITA 48.2, шаг 1" с кондуктивным отводом тепла;
- потребляемая мощность: не более 7 Вт;
- условия эксплуатации по КТ-160Д.
Мезонинный модуль сетевого коммутатора 3 предназначен для связи заявленной системы с сетевыми каналами 4 типа Ethernet. В качестве указанного модуля может быть использован модуль сетевого коммутатора мезонинный МКм-3 по ИЯДС.468363.001 со следующими техническими характеристиками:
- хост-интерфейс PCI-Express (2,5 ГГц);
- 16 каналов Ethernet 10 / 100 BASE-TX, 2 канала Gigabit Ethernet, 1 канал Fiber Optic Gigabit Ethernet;
2
- встроенные средства контроля, подключенные к сервисной шине IС;
- построен на двух Fast Ethernet коммутаторах и одном Fast Ethernet контроллере, что позволяет использовать сетевой коммутатор как в режиме управляемого, так и в режиме неуправляемого (без программных драйверов) коммутатора;
- конструктивное исполнение: форм-фактор ХМС с типоразмером 3U по стандарту VITA 42.0 с кондуктивным отводом тепла;
- потребляемая мощность не более 5 Вт;
- условия эксплуатации по КТ-160Д.
Мезонинный модуль графического контроллера 5 представляет собой процессорный модуль для решения задач работы заявленной системы с графическими и видео изображениями и стыковки с видеоканалами 6. В качестве указанного модуля может быть использован модуль графического процессора мезонинный МГПм-3 изготовителя АО «СЭЗ им. Серго Орджоникидзе» со следующими техническими характеристиками:
- хост-интерфейс PCI-Express (2,5 ГГц);
2
- встроенная система контроля, подключенная к сервисной шине IС;
- конструктивное исполнение: форм-фактор ХМС с типоразмером 3U по стандарту VITA 42.0 с кондуктивным отводом тепла;
- потребляемая мощность не более 10 Вт;
- условия эксплуатации по КТ-160Д.
Мезонинный модуль ввода / вывода 7 представляет собой устройство сопряжения заявленной системы с авиационными системами по каналам информационного обмена 8 в соответствии со стандартом ARINC 429.
Мезонинный модуль твердотельного накопителя данных 9 предназначен для накопления и долговременного хранения информации в цифровом виде. В качестве указанного модуля может быть использован твердотельный накопитель данных мезонинный SSD-XMC по ИЯДС.467452.002 со следующими техническими характеристиками:
- хост-интерфейс PCI-Express (2,5 ГГц);
- емкость накопителя до 128 Гбайт;
2
- встроенная система контроля, подключенная к сервисной шине IС;
- конструктивное исполнение: форм-фактор ХМС с типоразмером 3U по стандарту VITA 42.0 с кондуктивным отводом тепла;
- потребляемая мощность не более 7 Вт;
- условия эксплуатации по КТ-160Д.
Мезонинный модуль разовых команд 10 осуществляет прием и выдачу по шине 11 в сопрягаемое с заявленной системой оборудование разовых команд по ГОСТ 18977-79. В качестве указанного модуля может служить модуль дополнительных интерфейсов мезонинный МДИм-3 по ИЯДС.467451.003 со следующими техническими характеристиками:
- хост-интерфейс PCI-Express (2,5 ГГц);
- 8 входных и 2 выходные разовые команды по ГОСТ 18977-79 с возможностью их конфигурации как « 0В / обрыв» или как «27В / обрыв»;
2
- встроенная система контроля, подключенная к сервисной шине IС;
- конструктивное исполнение: форм-фактор ХМС с типоразмером 3 U по стандарту VITA 42.0 с кондуктивным отводом тепла;
- потребляемая мощность не более 3 Вт;
- условия эксплуатации по КТ-160Д.
Модуль вторичного электропитания 12 обеспечивает бесперебойное электропитание по шине 13 всех модулей заявленной бортовой вычислительной системы при кратковременных перерывах в бортовой сети 14 постоянного тока 27 В. В качестве указанного модуля может быть использован модуль MB3-50-VPX-3U по ИЯДС.436734.006 со следующими техническими характеристиками:
- суммарная выходная мощность всех каналов не менее 50 Вт;
- коэффициент полезного действия не менее 80%;
- выходные напряжения и максимальные выходные токи: канал 3,3 В±2%, 4 А; канал 3,3 В Аих±2%, 1,35 А; канал 5 В±2%, 2 А; канал 12 В±5%,4А;
- защита от перегрева, перенапряжений, перегрузок и КЗ;
2
- встроенные средства контроля, подключенные к сервисной шине IС;
- диапазон входного питающего напряжения (18-80) В;
- время бесперебойного питания при перерывах в бортовой сети 27 В не менее 200 мс;
- конструктивное исполнение по стандарту ANSI / VITA 62.0 с кондуктивным охлаждением;
- условия эксплуатации по КТ-160Д.
Программируемый контроллер модуля 19 встроен во все модули заявленной системы, кроме модулей 15 носителя мезонина, и является независимым контроллером, предназначенным для контроля состояния модуля, управления его электропитанием и организации работы системы по сервисной шине 20.
Заявленная система работает следующим образом.
При включении питания, поступающего в крейт 1 по шине 14, модуль вторичного электропитания 12 начинает вырабатывать вторичные напряжения, которые по цепям электропитания 13 поступают во все модули системы. Универсальный вычислительный модуль 2 выполняет инициализацию своего микропроцессора и загружает в ОЗУ исполняемый код из ПЗУ. После этого он переходит к инициализации аппаратуры периферийных мезонинных модулей 5, 7, 9, 10, подключенных по локальной шине 16 PCI-Express №1 через коммутатор 17 модуля носителя мезонина 15, а также к инициализации мезонинного модуля сетевого коммутатора 3, подключенного к нему через локальную шину 18 PCI-Express №2. В процессе исполнения кода программного обеспечения осуществляется обмен данными с внешними системами следующим образом. Через интерфейс локальной шины 16 PCI-Express №1 при посредстве пакетного коммутатора 17, встроенного в модуль носителя мезонина 15 с модулем ввода / вывода 7, происходит подключение к универсальному вычислительному модулю 2 через соответствующий модуль носителя мезонина 15 модуля разовых команд 10. Указанный модуль выдает во внешние системы и принимает от внешних систем по шине разовых команд 11 дискретные сигналы, соответствующие ГОСТ 18977-79. Пакетный коммутатор 17 модуля носителя мезонина 15, в который установлен мезонинный модуль ввода / вывода 7, подключает также универсальный вычислительный модуль 2 к этому модулю, осуществляющему обмен заявленной системы с внешними авиационными системами по кодовым линиям информационного обмена 8 типа ARINC 429 и ARINC 825 (CAN).
Пакетный коммутатор 17 подключает также универсальный вычислительный модуль 2 через соответствующий модуль носителя мезонина 15 к мезонинному модулю графического контроллера 5, осуществляющего обмен информацией с внешними системами по видеоканалам 6 в соответствии с ARINC 818. В случае отсутствия необходимости в отображении и приеме видеоинформации модуль графического контроллера 5 может быть заменен на другой мезонинный модуль с соответствующей коррекцией монтажа системы в части подключения к внешним системам. Через интерфейс 18 PCI-Express №2 происходит обмен информацией с контроллером MAC- уровня (Media Access Control - управление доступом в сеть), встроенным в мезонинный модуль сетевого коммутатора 3, подключенного к сетевым каналам связи 4 и включенным в коммутационное поле сети Ethernet заявленной системы. При необходимости иметь доступ к большому объему данных процессор универсального вычислительного модуля 2 обращается к мезонинному модулю 9 твердотельного накопителя данных, подключенному через коммутатор 17 по локальной шине 16 PCI-Express №1. Входящий в основные модули системы программируемый контроллер 19 контролирует работоспособность своего модуля и выдает информацию о его состоянии в программируемые контроллеры других модулей через сервисную шину 20.
В случае обнаружения неисправностей в модуле программируемый контроллер 19 может отключить его питание или дать команду на перезагрузку. Если же неисправность модуля нарушила работоспособность программируемого контроллера 19 или произошел его отказ, то по отсутствию информации или по неправильной ее выдаче от контроллера данного модуля, программируемые контроллеры других модулей могут принять решение об отключении питания этого модуля. Решение при этом принимается путем голосования.
Требуемый уровень надежности и достижение определенного Международным авиационным комитетом уровня гарантии разработки, соответствующего категориям отказных состояний (с уровня А до уровня Е) могут быть обеспечены применением соответствующего количества взаимно-дублированных пар крейтов системы со сравнением вычислений в них посредством независимого сравнивающего устройства на более высоком уровне иерархии системы с переводом целиком всей пары при отказах из рабочего режима в режим тестирования. При двух крейтах возможен также переход к многопроцессорной системе вычислений путем коммутации (объединения) локальных шин PCI-Express крейтов с помощью коммутатора локальной шины в одном из модулей носителя мезонина в крейтах с использованием режима NTB.
Таким образом, за счет перехода к мезонинным модулям с форм-фактором ХМС удалось снизить энергопотребление заявленной системы до 50 Вт в крейте из 6 модулей, уменьшить габариты крейта до размеров 4MCU по стандарту ARINC-600 и одновременно расширить ее функциональные возможности (модуль - мезонин со своим носителем или модуль вторичного электропитания).