Основные проблемы использования проводных интерфейсов передачи данных.
Использование традиционного проводного способа передачи данных сопровождается целым рядом проблем.
Первой из них являются высоко трудозатратные прокладка и монтаж проводных соединений, которые имеются в большом количестве в каждом устройстве, состоящем из модулей. Трудозатратность же преумножается с ростом сложности электронных модулей, с увеличением их количества, проще говоря, с усложнением архитектуры сети передачи информации.
Рис.1 Устройство при монтаже проводных шин.
Следовательно, перенастройка сети в целом и отдельных устройств, то есть внесение изменений в топологию сети и ее работу, также является высоко трудозатратной процедурой.
Второй проблемой использования проводных соединений является экранирование проводов, которое не является идеальным. Из чего следует повышение вероятности внесения помех в работу электронных модулей, при излучении электромагнитной энергии, а также восприимчивость к излучению со стороны модулей.
В связи с этим фактом происходит увеличение толщины экранирующего слоя проводных соединений. Данная процедура осуществляется путем оптимизации толщины экранирующего слоя за счет отработочных экспериментов, которые также приносят дополнительные трудозатраты. Аналогичная процедура оптимизации происходит с диаметром самого проводника.
Третьей и основной проблемой применения проводного интерфейса являются массогабаритные показатели конечной системы, которые ухудшаются из-за наличия большого количества проводов, увеличения толщины экранирующего слоя и толщины самих проводников и необходимости их резервирования
С учетом различных типов устройств, находящихся на искусственном спутнике Земли, а их количество может достигать 310 штук, можно сделать вывод, что, если произвести замену проводных соединений беспроводным интерфейсом передачи данных, можно получить существенный выигрыш в массогабаритных показателях конечной системы, то есть спутника.
В связи с этим, было предложено лабораторией космического эксперимента НГУ и ОА «ИСС» разработать беспроводной интерфейс передачи между модулями(платами) электронного устройства для замены существующих и ныне используемых проводных интерфейсов
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.