4. Основные понятия и структуры приборного комплекса
Под приборным комплексом понимается совокупность бортовых измерительных и вычислительных средств, служащих для восприятия, обработки, хранения и преобразования информации, необходимой для успешного выполнения полетного задания.
Обобщенная структурная схема современного бортового приборного комплекса представлена на рис. 1. Здесь приняты следующие обозначения: УВИm, т = 1, М - устройства, воспринимающие информацию о линейных и угловых координатах положения ЛА в пространстве или информацию о параметрах, характеризующих работу его силовых установок, отдельных систем и агрегатов; УОИn, n = 1, N - устройства первичной обработки информации, поступившей от устройств, ее воспринимающих; БВС - бортовая вычислительная система; УИl , l = 1, L - устройства индикации; УCk , k = 1, K - устройства сопряжения бортового приборного комплекса c другими системами и комплексами.
Отличительными особенностями задач, решаемых современными ЛА, являются все увеличивающиеся скорости, дальности и высоты полета в условиях действия разнообразных и многочисленных внешних факторов. При этом требования к точности и надежности решения полетных задач возрастают. Выполнить эти задачи возможно путем комплексирования приборного оборудования - его объединения на базе бортовых средств вычислительной техники.
Рис. 1. Обобщенная структурная схема приборного комплекса
Каждое устройство, воспринимающее информацию об определенном параметре, может быть связано с одним или несколькими микропроцессорами. Порядок подключения микропроцессоров и выполняемые ими операции определяются алгоритмами вычислений, задаваемыми решаемыми измерительными задачами.
Устройства, воспринимающие информацию о параметрах, подключаются к микро-ЭВМ, которая производит их первичную обработку по различным алгоритмам в соответствии с решаемыми задачами.
Выходные сигналы устройств обработки информации могут поступать как потребителям (экипажу через устройства индикации и другим системам и комплексам через устройства сопряжения), так и в бортовую вычислительную систему для дальнейшей обработки.
Условия, в которых используется бортовое оборудование, накладывают жесткие ограничения на физические, технические и эксплуатационные характеристики компонентов бортовой вычислительной системы. Средства вычислительной техники выполняют на борту следующие функции:
преобразования сигналов - как аналого-цифрового, так и цифроаналогового;
кодирования информации - входной для обработки, выходной для передачи и представления потребителям;
интерфейса, осуществляющего в соответствии с правилами, задаваемыми управляющей программой, связь между устройствами комплекса;
комплексной обработки поступающей в вычислительную систему информации с целью получения всех выходных данных, необходимых потребителям;
контроля состояния аппаратуры комплекса, диагностики ее отказов и управления функционированием всей аппаратуры как в соответствии с ее состоянием, так и в соответствии с изменяющимися внешними условиями.
Информационные связи между устройствами комплекса описываются его топологией. Обобщенная топология бортового комплекса представлена на рис. 2. Топологическими элементами Rj , Rji , Rnl…k в этой структуре могут быть процессоры, ЦВМ, устройства сбора информации, устройства ее хранения, устройства индикации, измерительные преобразователи и системы, устройства управления и т. п. Линии передачи информации реализуются в такой структуре в виде обычных каналов связи между отдельными устройствами и мультиплексных магистралей, осуществляющих с помощью ЦВМ одновременную передачу информации для различных устройств.
Приборные комплексы могут иметь централизованную, федеративную или распределенную топологию.
Типичной для централизованной топологии является структура с одной мощной ЦВМ, показанная на рис. 3.
Рис. 2. Обобщенная типология приборного комплекса
Одна ЭВМ в этой структуре связана со многими устройствами, которые воспринимают информацию и осуществляют ее первичную обработку (ИУn , n = 1, N), а также индикаторами (УИl , l = 1, L), и устройствами сопряжения с другими системами (УCk , k = 1, K).
Появление топологии с одной мощной ЦВМ на борту было вызвано экономическими причинами. Но она обладает существенным недостатком: модификация ее стоит очень дорого. Дорого обходится как введение дополнительной аппаратуры и избыточности, так и расширение функций комплекса, связанное с радикальным пересмотром математического обеспечения ЦВМ. Эта структура сохраняет свое значение лишь на уникальных ЛА.
Федеративная структура предполагает, что для связи ЦВМ и процессоров между собой и для связи процессоров с устройствами, воспринимающими информацию, используются различные магистрали.
В этих структурах допускается некоторая функциональная избыточность и расширение состава оборудования.
Наибольший интерес в настоящее время представляет собой топология распределенных систем. Отличие структур этого класса состоит в том, что здесь каждый вычислитель имеет свой собственный набор внешних устройств, воспринимающих информацию и отображающих ее. Связь отдельных фрагментов такой структуры между собой может осуществляться только через вычислитель. Вычислительные функции распределены здесь между различными и независимыми с точки зрения управления их вычислительным процессом ЭВМ.
Рис. 3. Централизованная типология приборного комплекса
Независимость ЦВМ придает комплексу, построенному в соответствии с распределенной топологией, очень важное свойство - отдельные системы и подсистемы комплекса, связанные с определенной ЦВМ, можно проектировать и отлаживать одновременно независимо друг от друга, после того как к ним предъявлены требования со стороны комплекса в целом. Кроме того, ЦВМ может быть ориентирована на решение определенного круга задач, например задач статистической обработки сигналов, задач генерирования сигнальной информации. Разработка математического обеспечения для такой ЦВМ упрощается, так как оно предназначено для решения однотипных задач. И, наконец, в распределенных топологиях можно использовать любые методы повышения надежности, в том числе и резервирование самой ЦВМ различной кратности.
Основной недостаток распределенных структур связан с разнотипностью вычислителей, которые используются в отдельных системах, входящих в приборный комплекс. Объединение таких ЦВМ в единую структуру связано с большими техническими трудностями и экономическими затратами, требует разработки специальных сопрягающих преобразователей. Перспективные приборные комплексы будут использовать унифицированные вычислительные элементы на базе микропроцессоров. Задача проектирования такого комплекса будет состоять в выборе оптимального набора унифицированных вычислительных модулей и дополняющих их элементов с целью построения развивающейся структуры с гибкой системой связей.