 |
Интерфейсы передачи данных, используемые на космических аппаратах.
|
|
|
|
На данный момент для обмена информацией между электронными устройствами на космических аппаратах используются проводные интерфейсы МКО (мультиплексный канал информационного обмена) и SpaceWire.
Мультиплексный канал информационного обмена.
Интерфейс обмена информацией регулируется ГОСТом 52070- (MIL-STD-1553B) «Интерфейс магистральный последовательный системы электронных модулей»
Особенностью интерфейса является двойная избыточная линия передачи информации, полудуплексный протокол «команда-ответ» и до 31 удалённого абонента (оконечного устройства). Каждая линия управляется своим контроллером канала. Стандарт устанавливает требования к:
· составу технических средств интерфейса;
· организации контроля передачи информации;
· характеристикам линии передачи информации (ЛПИ);
· характеристикам устройств интерфейса;
· интерфейсу с резервированием.
Структурная схема технических средств интерфейса в ее основной (базовой) конфигурации приведена на рисунке 2
Рис.2 Шина MIL-STD-1553B с двойным резервированием.
На одной шине может быть всего один контроллер в текущий момент времени. Он является инициатором всех сообщений по этой шине.
· оперирует командами из списка в своей внутренней памяти
· командует оконечным устройствам послать или принять сообщения
· обслуживает запросы, получаемые от оконечных устройств
· фиксирует и восстанавливает ошибки
· поддерживает историю ошибок
Оконечные устройства служат для
· организации взаимодействия шины и подключаемой подсистемы
· организации моста между двумя шинами
Монитор канала отличается от оконечного устройства тем, что не может передавать сообщения по шине. Его роль заключается в мониторинге и записи транзакций по шине, без вмешательства во взаимодействие контроллера и оконечных устройств. Эта запись может быть использована для последующего анализа.
|
|
|
Физический уровень: одна шина состоит из пары проводов с волновым сопротивлением 70-85 Ом при частоте 1 МГц. В одном из вариантов соединения используется коаксиальный разъём, по центральному контакту которого передаётся сигнал, закодированный Манчестерским кодом, по экранному проводу проходит возвращение тока сигнала (коаксиал 70-85 Ом), еще есть третий проводник - наружная оплетка, которая является экраном линии. Принимающее и передающее оконечные устройства подключаются к шине с использованием трансформаторной развязки, а не задействованные подключения отделяются с использованием пары изолирующих резисторов, развязанных через трансформатор. Это уменьшает влияние короткого замыкания и добавляет уверенности, что ток шины не течёт по корпусу.
Рис.3 Трансформаторная развязка
Манчестерский код используется для того, чтобы передавать сигнал данных и сигнал синхронизации по одной паре проводников (или коаксиальному проводу), а также для исключения любых постоянных составляющих, задерживаемых трансформаторной развязкой. Тактируемая скорость (электрическая скорость) в канале составляет 1 Мбит/с. Допуск на погрешность и долговременный дрейф скорости тактовых импульсов составляет 0,1 %; краткосрочная стабильность скорости должна быть в пределе 0,01 %. Амплитуда входного напряжения передатчика должна составлять 18-27 В.
Надежность в системе передачи информации может быть достигнута за счёт использования двух или трёх независимых физических каналов (резервирования каналов), к которым подключены все устройства на шине. В случае отказа канала в текущий момент, резервирование канала предусматривает резервирование контроллера шины, проводника и оконечных устройств.
|
|
|
SpaceWire
SpaceWire — телекоммуникационная сеть для космических аппаратов с пропускной способностью до 400 МБит/сек, узлы которой соединяются при помощи последовательных соединений типа точка-точка, работающая в полнодуплексном режиме(основанная на части стандарта соединения IEEE 1355).
Технология SpaceWire в разной степени поддерживается ведущими космическим агентствами мира – Роскосмосом, ESA (Европейское космическое агенство), NASA (США), JAXA (Япония), реализуется и применяется в перспективных проектах космической техники некоторыми ведущим фирмами космической отрасли в мире.
Рис.4 Обобщённая структурная схема сети
Сеть SpaceWire состоит, в общем случае, из некоторого числа узлов-абонентов (SpaceWire nodes) и сетевых узлов – маршрутизирующих коммутаторов (routing switches) (рис.5).
Узлы-абоненты сети SpaceWire – это устройства, передающие и принимающие потоки данных. Они связаны с маршрутизирующим коммутатором или друг с другом дуплексными каналами связи, называемыми линками (link). Узел оснащен одним или несколькими линк-портами и интерфейсом с источником данных (хост-устройство (host) – процессорный модуль, датчик, исполнительное устройство, периферийный контроллер, и др.).
Модуляция и представление данных в SpaceWire в целом похоже на кодирование передаваемых данных — части стандартов IEEE 1355—1995, описывающей дифференциальную передачу сигналов (DS-DE). SpaceWire использует асинхронное соединение и обладает пропускной способностью на уровне от 2 Мбит/с до 400 Мбит/с. DS-DE оказался предпочтительнее, так как он описывает модуляцию, битовые форматы, маршрутизацию, управление потоком и обнаружение и исправление ошибок на уровне оборудования, лишь с небольшой помощью ПО. Также SpaceWire обладает очень низким уровнем ошибок, определением состояния системы, а также относительно простой цифровой электроникой. В SpaceWire были заменены устаревшие разностные носители PECL на физическом уровне стандарта IEEE 1355 DS-DE на низковольтную дифференциальную передачу сигналов (LVDS). В SpaceWire также предусматривалось использование 9-штырьковых разъемов, используемых в космической отрасли. SpaceWire и IEEE 1355 DS-DE предусматривают более широкий диапазон скоростей для передачи данных, а также некоторые новые возможности автоматического преодоления отказа. Возможности преодоления отказа позволяют данным найти альтернативные пути передачи, так как космический модуль оснащен несколькими шинами данных, в результате чего обеспечивается отказоустойчивость. Кроме того, SpaceWire предусматривает размножение временных прерываний по соединениям SpaceWire, устраняя потребность в отдельных временных дискретных сигналах.
|
|
|
Физический интерфейс на физическом уровне стандарт описывает требования к физической среде передачи, электрическим и механическим интерфейсам, включая типы разъемов и кабелей, а также параметры сигнальных линий на печатных платах.
Рис.5 Кабель SpaceWire для космических применений.
Кабель SpaceWire – восьми проводной, из четырех медных экранированных витых пар проводов (рис.10). Стандартная длина кабеля – до 10 м. Диаметр стандартного кабеля – не более 7 мм, удельный вес – до 80 г/м. В качестве стандартных разъемов для кабелей определены микроминиатюрные 9контактные разъемы Dтипа (4 витые пары плюс сигнальная земля) (рис.11). В следующей редакции SpaceWire планируется расширить число типов разъемов, определить и разъемы для подключения к шине задней стенки (backplane) в блоках. Стандарт ECSS-E-50-12A регламентирует скорости передачи по каналу SpaceWire от 2 до 400 Мбит/с на расстояния до 10 м.
Сетевой уровень определяет методы маршрутизации пакетов и их коммутации при прохождении через сетевые узлы коммуникационной сети. В сети SpaceWire используется так называемая "червячная маршрутизация" (wormhole routing) [9], относящаяся к категории методов коммутации "на лету" (on-the-fly).
Информация о используемых интерфейсах передачи данных в условиях сложной помеховой обстановке и возможных интенсивных внешних воздействий на борту космических аппаратов и аналогичных систем, на которые ориентированы стандарты SpaceWire и МКО, дает некое представление о наборе правил и действий (очерёдности действий), позволяющих осуществлять соединение и обмен данными между включёнными в сеть устройствами. То есть дает основу разработке протокола передачи данных для беспроводного межмодульного (межплатного) интерфейса для космических аппаратов.
|
|
|
