Анализ и разработка внутренней магистрали для блока управления летательного космического аппарата

УДК 629.7.052

АНАЛИЗ И РАЗРАБОТКА ВНУТРЕННЕЙ МАГИСТРАЛИ ДЛЯ БЛОКА УПРАВЛЕНИЯ ЛЕТАТЕЛЬНОГО КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА

В. А. Иванов, Ю.В. Савченко, А.Н. Серов, А.Н. Луковников

Рассмотрены интерфейсы, используемые при проектировании сложных блоков (магистральный последовательный интерфейс, SPI, RS-485, CAN). Приведен анализ способов реализации интерфейсов с учетом специфики проектирования блока управления для функционирования в космическом пространстве. Рассмотрены способы резервирования внутренней магистрали.

Ключевые слова: блок управления, внутренняя магистраль, шина данных,SPI,CAN, резервирование.

Проектирование аппаратуры, функционирующей в условиях открытого космоса, сопряжено с рядом сложностей. В первую очередь это связано с условиями эксплуатации: вакуум, космическое и галактическое излучение, экстремальные температуры и требованиями по отказоустойчивости. Учитывая, что в космосе отсутствует возможность вмешательства человека для устранения неисправностей в случае выхода из строя одного или нескольких элементов, блок все равно должен функционировать в полном объеме.

Ключевым элементом любого космического аппарата является блок управления (БУ). БУ обеспечивает взаимодействие с бортовым информационно-вычислительным комплексом (БИВК), обеспечивает прием и исполнение массивов командно-программной информации (КПИ) от бортового радиокомплекса (БРК),регулирует напряжение на нагревателях, термоэлектрическом холодильнике системы терморегулирования, обмотках клапанов двигательной установке и др.

В соответствии с требованиями технического задания на разработку БУ летательного космического аппарата Луна-Глоб, блок разбит на следующие модули:

- центральный приборный модуль (ЦПМ);

- модуль сопряжения с БРК по приему РК и КПИ по интерфейсу

МКО;

- модули слаботочной коммутации с током до 300 мА;

- модуль вторичного питания;

- модули коммутации с током до 1 А;

- модули анализа аналоговой информации.

Количество модулей может варьироваться в зависимости от количества коммутируемых каналов и количества опрашиваемых датчиков.

Для обеспечения передачи данных между модулями существует множество интерфейсов. Самыми распространенными для реализации внутренней магистрали (шины) являются: магистральный последовательный интерфейс ГОСТ Р 52070-2003 (МПИ), последовательный периферийный интерфейс (SPI), интерфейс передачи данных по двухпроводному полудуплексному симметричному каналу связи (RS485) и сетевой интерфейс CAN. Рассмотрим преимущества и недостатки этих интерфейсов.

Последовательный периферийный интерфейс (SPI) является достаточно простым и распространенным. Использование SPI предполагает наличие на магистрали одного ведущего (master) и несколько ведомых (slave) абонентов. Передача данных синхронизируется с тактовым сигналом, который генерируется ведущим абонентом. В простейшем случае два абонента могут обмениваться данными по четырем линиям (MOSI, MISO, CLK, CS). При увеличении количества устройств на магистрали возможны два пути реализации: увеличение количества сигналов выбора устройства (CSi, где i=1..N, N количество устройств) или задание адресов для каждого устройства на шине. Оба эти варианта несут в себе особенности в реализации. В первом случае, добавление сигналов CSi повлечет за собой увеличение контактов соединителей. Большое количество соединений между модулями уменьшает надежность всего блока. Второй вариант подразумевает использование адреса для каждого абонента на шине. Количество сигналов остается прежним, но абоненту необходимо обрабатывать каждую посылку для определения адресата. В случае большого объема передаваемых данных такой способ передачи снижает быстродействие всего блока.

Для создания магистрали обмена данными используется стандарт передачи данных по двухпроводному полудуплексному многоточечному последовательному симметричному каналу связи RS-485. Стандарт описывает только физический уровень передачи сигналов. В случае использования RS-485 все узлы подключены к одной шине. Скорость передачи данных согласовывается заранее и обычно не превышает 115 кбит/с (в статье рассматриваются микросхемы российского производства, разрешенные к применению в специализированной аппаратуре). Началу и окончанию каждого байта предшествует разделитель синхронизации. Опционально предусмотрен контроль четности каждого байта.

При использовании RS-485можно выделить два вида организации сети: когда только один узел является мастером или каждый из узлов по какому-либо алгоритму может стать им. Арбитраж в сети RS-485 производится на логическом уровне (на физическом уровне арбитраж не преду-смотрен).При этом только один узел (контроллер шины) может инициировать передачу. При реализации шины с несколькими ведомыми узлами используется адресация (принято первый байт использовать для адреса). В

связи со сравнительно низкой для современных интерфейсов скоростью передачи данных (дляCAN и SPI она составляет около 1МБит)снижается нагрузка на вычислительное ядро модуля. Для передачи физического сигнала в RS-485 используется дифференциальная пара. Протокол RS-485 достаточно прост для реализации в программируемых логических интегральных микросхемах (ПЛИС) или в базовом матричном кристалле (БМК) [1].

Магистральный последовательный интерфейс является стандартом для авиационной и космической отрасли в качестве шины управления. Интерфейс должен функционирует асинхронно, в режиме «команда-ответ»[2]. Контроллер шины (КШ) осуществляет управление передачей информации. Оконечные устройства (ОУ) производят обмен информацией с КШ или между собой строго в соответствии с командами от КШ. В интерфейсе реализована возможность резервирования канала и контроль четности каждого передаваемого слова, что существенно влияет на надежность передачи информации. В МПИ предусмотрена обязательная гальваническая развязка с использованием трансформаторов, что положительно сказывается на надежности, но приводит к увеличению габаритов. К недостаткам МПИ стоит отнести сложную реализацию на ПЛИС или в БМК по сравнению с £Р!или RS-485.

В последнее время в электронных системах авиационного, промышленного и космического назначения широкое распространение получил интерфейс CAN, который представляет набор стандартов для построения распределенных промышленных сетей. CAN использует последовательную передачу данных в реальном времени с очень высокой степенью надежности и защищенности (контроль циклическим избыточным кодом, арбитраж шины, бит-стаффинг, проверка каждого переданного блока данных (фреймов), обнаружение глобальных ошибок и ошибок, вносимых передатчиком и др.). Передача данных осуществляется, так же как и в RS-485 дифференциальной парой. К недостаткам интерфейса стоит отнести сложную аппаратную реализацию. Стоит отметить отсутствие радиационно-стойких приемопередатчиков отечественного производства.

Характеристики, на которые стоит обратить особое внимание при выборе интерфейса для внутренней магистрали приведены в таблице.

Существенную роль в выборе интерфейса играют: сложность аппаратной реализации и количество используемых проводников. Среди вышеперечисленных интерфейсов для внутренней магистрали блока управления выбран CAN из-за высокой скорости и встроенных возможностей контроля передачи данных.

Особое внимание в специализированной аппаратуре уделяют отказоустойчивости. Отказ какого-либо из узлов блока не должен привезти у отказу всего блока. Решением данной проблемы является использование резервирования.

Сравнительная характеристика интерфейсов

Сложность

Наименование интерфейса Скорость работы Число проводов реализации в ПЛИС и БМК Контроль передачи

Магистральный последовательный интерфейс ГОСТ Р 52070-2003 1Мбит 2 + 2 резерв Высокая Средний

Синхронный последовательный интерфейс (SPI) 1Мбит и более 3 + по 1 для каждого абонента Очень низкая (средняя) Нет

Универсальный асинхронный приёмопередатчик RS-485 115 кбит 2 Низкая (средняя) Низкий

Сеть контроллеров (CAN) 1Мбит 2 Средняя Высокий

Выбор способа резервирования является непростой задачей. В зависимости от требований по надежности и функциональности имеются различные способы резервирования.

Не нагруженный резерв - аппаратура использует основную шину, резервная находится в выключенном состоянии. Для использования такого метода требуется контроллер состояния шины, который периодически в активной шине передает команду поддержания и анализирует ответы, другая шина находится в резерве. Как только контроллер обнаруживает неисправность узла или самой магистрали он переключается на резервную шину. Сторожевые таймеры остальных узлов определяют отсутствие команды и также переключаются на резервную шину (рис. 1).

БУ

Контроллер шины Узел 1 Узел N

1 1 | 1 1 Основная шина | 1 1 1

1 1 Резервная шина 1 1

Рис. 1. Типовая схема резервирования среды передачи

Нагруженный резерв - имеется несколько путей реализации: с одним контроллером и двумя приемопередатчиками, двумя контроллерами и двумя приемопередатчиками. В первом случае, при передаче, данные поступают на шины одновременно, передача данных на всех узлах блока синхронизирована. Во втором случае, когда используется два (возможно и более) контроллера, каждый из которых в свою очередь управляет своим приемопередатчиком, возможны возникновения нештатных ситуаций. Например, когда по одной шине узел уже начал осуществлять передачу, а вторая шина еще занята. В этом случае требуется предусмотреть синхронизацию шин. Одним из решений может быть передача дополнительного номера пакета или метки времени отправления в расширенном идентификаторе или в поле данных.

Физическая реализация внутренней магистрали также подразумевает несколько вариантов. Классическим вариантом реализации может быть приемопередатчик CAN, подключенный к внутренней магистрали через оптрон (рис. 2). В роли приемопередатчика может служить микросхема 5559ИН14АУ. В качестве оптронной развязки можно использовать микросхему 249ЛП8Т. Внутренняя магистраль обозначена как ВМ.

Рис. 2. Наиболее распространенный вариант реализации физического уровня гальванически развязанного интерфейса CAN

К недостатку этого варианта стоит отнести невысокую радиационную стойкость микросхемы 5559ИН14АУ (как и у остальных типовых CANприемопередатчиков)к воздействию тяжелых заряженных частиц (типовой порог составляет 20 МВ*см2/мг). Более стойких аналогов на отечественном рынке на момент написания статьи не найдено.

В качестве физического уровня можно использовать приемопередатчик RS-485.Особенностью такой реализации является использование транзисторного инвертора, согласующего полярность сигнала, выдаваемого контроллером CAN, и сигнала, выдаваемого драйвером на линию.

Недостатком данной реализации является предельная задержка фронтов приемопередатчика RS-485 при максимальной скорости работы интерфейса в 1 Мбит/с.В этом случае рекомендуется использовать более низкие скорости.

Проанализировав достоинства и недостатки представленных решений целесообразно в БУ использовать горячий резерв, выполненный на двух котроллерах шины с двумя приемопередатчиками. Функции Контроллеров шины реализовать в Центральном приборном модуле, остальные модули сделать ведомыми. В качестве приемопередатчика использовать микросхему интерфейса RS-485 5559ИН10. Скорость передачи, с учетом недостатков данной реализации ограничить500кБит/с.

Список литературы

1. ГОСТ Р 52070-203. Интерфейс магистральный последовательный системы электронных модулей.

2.Якунин А.Н., Денисов А.Н., Коняхин В.В., Бец В.П. Разработка аппаратуры космического применения с использованием базовых матричных кристаллов // Научно-технический журнал «Вестник ФГУП «НПО им. С.А. Лавочкина». №5 (16). 2012. С.67-72.

Иванов Виталий Александрович, магистр, мл. науч. сотрудник, daos007@yandex.ru, Россия, Москва, Зеленоград, Национальный исследовательский университет «МИЭТ»

Савченко Юрий Васильевич, д-р техн. наук, проф., sas@olvs.miee.ru, Россия, Москва, Зеленоград, Национальный исследовательский университет «МИЭТ»

Серов Андрей Николаевич, канд. техн. наук, ст. науч. сотрудник, AndreySerov@yandex.ru, Россия, Москва, Зеленоград, Национальный исследовательский университет «МИЭТ»

Луковников Александр Николаевич, магистр, мл. науч. сотрудник, alexandraolvs.miee.ru, Россия, Москва, Зеленоград, Национальный исследовательский университет «МИЭТ»

ANALYSIS AND DEVELOPMENT THE INTERNAL BUS OF THE CONTROL UNIT OF SPACECRAFT

V.A. Ivanov, J. V. Savchenko, A.N. Serov, A.N. Lukovnikov

The article considers the interfaces that are used for the design of complex blocks (magistral serial interface, SPI, RS-485, CAN). Shown the analysis of the ways of implementing of interfaces in view of specificity of designing of the control unit to function in cosmic space.Examined ways to backup the internal bus.

Key words: control unit, internal bus, data bus, SPI, CAN, backup.

Ivanov Vitaliy Alexandrovich, magistr, junior researcher, daos007@yandex.ru, Russia, Moscow, Zelenograd, National Research University of Electronic Technology,

Savchenko Yuriy Vasilevich, doctor of technical sciences, professor, sasaolvs. miee.ru, Russia, Moscow, Zelenograd, National Research University of Electronic Technology,

Serov Andrey Nikolaevich, candidat of technical science, senior researcher, AndreySerov@yandex. ru, Russia, Moscow, Zelenograd, National Research University of Electronic Technology,

Lukovnikov Alexsandr Nikolaevich, magistr, junior researcher, alexandr@olvs. miee. ru, Russia, Moscow, Zelenograd, National Research University of Electronic Technology

УДК 62-1/-9

ПАРАЛЛЕЛЬНОЕ ИЗМЕРЕНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ И ЕМКОСТИ В ШИРОКОМ ДИАПАЗОНЕ ЗНАЧЕНИЙ

А.Н. Луковников, В. А. Иванов, Ю.В. Савченко

Предложены схема и методика параллельного измерения сопротивления и емкости аналогового датчика в большом диапазоне значений.

Ключевые слова: схема измерения, методика измерения.

При сборе телеметрической информации возникают ситуации, когда необходимо измерять сопротивление в большом диапазоне значений: до 10 МОм. В таких случаях при использовании длинных кабелей даже небольшие емкости в линиях существенно увеличивают время измерения. При определенных условиях можно сократить время измерения, проигрывая в точности. В данной статье предложена методика и схема параллельного измерения сопротивления и емкости в большом диапазоне значений.

Рассмотрим схему измерения сопротивления и емкости, представленную на рис. 1.

Весь диапазон измеряемых значений разбивается на 4 декады:

1) до 1 кОм;

2) от 1 кОм до 10 кОм;

3) от до10 кОм до 100 кОм;

4) более 100 кОм.

С помощью аналогового мультиплексора В1 для каждой декады выбирается определенный токозадающий резистор Ш, /=2... 5 Измерения производятся с помощью аналогово-цифрового преобразователя В2. Полученные данные сохраняются в памяти микроконтроллера В3. Если пренеб-