Вычислительные структуры и средства автоматизированного контроля компонентов интегрированной модульной авионики

Размещено на http://www.allbest.ru/

Научный руководитель: д.т.н., доцент, Жаринов Игорь Олегович.

ФГУП «Санкт-Петербургское ОКБ «Электроавтоматика» им. П. А. Ефимова»

ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ СТРУКТУРЫ И СРЕДСТВА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО КОНТРОЛЯ КОМПОНЕНТОВ ИНТЕГРИРОВАННОЙ МОДУЛЬНОЙ АВИОНИКИ

Е.В. КНИГА

Аннотация

цифровой авионика вычислительный бортовой

Рассматривается проблема проектирования конструктивно-функциональных модулей, входящих в состав интегрированной бортовой цифровой вычислительной системы. Определяется номенклатура и типовая структура базовых компонентов. Приводятся функциональные схемы вычислительных элементов авионики. Вводится система отношений по соответствию модулей и решаемых ими бортовых задач для автоматизации процессов проектирования отказоустойчивых вычислительных структур. Рассмотрена структура унифицированного автоматизированного рабочего места проверки конструктивно-функциональных модулей. Описан алгоритм его работы.

Введение

Бортовые цифровые вычислительные системы (БЦВС) перспективного летательного аппарата представляют собой интегрированные комплексы, состоящие из различных по назначению конструктивно-функциональных модулей (КФМ) в соответствии с решаемыми задачами [1-5].

Для проектирования вычислительных систем необходимо разработать технические решения по внутренней организации КФМ, построение которых осуществлялось бы с единых методологических позиций на основе принципов межгрупповой унификации, стандартизации и типизации проектных решений.

Базовым принципом построения БЦВС в соответствии с концепцией интегрированной модульной авионики является принцип модульности, согласно которому вводится номенклатура функциональных изделий, имеющих общие функциональные узлы.

Базовая внутренняя структура КФМ

Номенклатура КФМ представлена пятью функциональными компонентами, классифицируемыми в соответствии со своим назначением на:

- модуль вычислительный (рис. 1,а);

- модуль графический (рис. 1,б);

- модуль ввода-вывода (рис. 1,в);

- модуль-коммутатор (рис. 1,г);

- модуль массовой памяти (рис. 1,д).

Принцип построения всех видов КФМ основывается на базовой структуре модуля, функциональная схема которого представлена на рис. 2. Схема включает: узел поддержки модуля (УПМ), интеллектуальный узел электропитания (ИУЭП), узел функций модуля (УФМ), узел связи по межмодульному интерфейсу (УМИ), узел связи с мезонинами (УСМ), узел связи с внешними интерфейсами.

а) б) в)

г) д)

Рисунок 1 Конструктивно-функциональные модули (вешний вид) (а) модуль вычислительный, б) модуль графический, в) модуль ввода-вывода, г) модуль-коммутатор, д) модуль массовой памяти

Рисунок 2 Внутренняя структура базового модуля (ПК - последовательный код, РК - разовые команды, МКИО - мультиплексный канал информационного обмена)

В зависимости от типа КФМ его внутренняя структура отличается специализированными для этого функционального применения элементами.

Внутренние структуры КФМ

На рис. 3 представлены внутренние структуры функциональных модулей: модуля вычислительного (рис. 3,а), модуля ввода-вывода (рис. 3,г), модуля графического (рис. 3,д), модуля массовой памяти (рис. 3, в), модуля-коммутатора (рис. 3,б).

Модуль вычислительный (МВ) предназначен для реализации общих и специальных алгоритмов управления движением летательного аппарата, для выполнения математических расчетов в реальном масштабе времени и т.д. Внутренняя структура МВ содержит УПМ, состоящий из микроконтроллера, ИУЭП, состоящий из преобразователей входного напряжения в напряжения, необходимые для питания модуля, УФМ, состоящий из процессора, ОЗУ и ПЗУ, и УМИ, состоящий из коммутатора SpaceWire, ОЗУ и ПЗУ.

а) б)

в) г)

д)

Рисунок 3 Внутренние структуры конструктивно-функциональных модулей: а) Модуль вычислительный, б) модуль-коммутатор, в) модуль массовой памяти, г) модуль ввода-вывода, д) модуль графический (CPU - Central Processor Unit, ОЗУ - оперативное запоминающее устройство, ПЗУ - постоянное запоминающее устройство, РК - разовые команды, SpW - SpaceWire, ПК - последовательные коды, МКИО - мультиплексный канал информационного обмена)

Модуль ввода-вывода (МВВ) предназначен для организации взаимодействия абонентов на борту летательного аппарата друг с другом по МКИО, ПК и РК. Внутренняя структура МВВ содержит УПМ, ИУЭП, УФМ, УМИ, которые аналогичны узлам из внутренней структуры модуля вычислительного, а также содержит УСМ и два мезонина, реализующих контроллеры интерфейсов.

Модуль графический (МГ) предназначен для организации приема, обработки внешней видеоинформации и формирования выходного видеосигналы на бортовые средства индикации. Внутренняя структура МГ содержит УПМ, ИУЭП, УМИ, и усложненный УФМ, содержащий специализированный графический контроллер с несколькими банками памяти.

Модуль массовой памяти (МПП) предназначен для реализации роли арбитра БЦВС, а также для приема информации по локальной сети, хранения в энергонезависимой памяти данных программного обеспечения для каждого КФМ и выдачу данных по запросам по внутренней локальной сети в КФМ. Внутренняя структура МПП содержит УПМ, ИУЭП, УФМ, УМИ, УСМ и два мезонина для расширения объема памяти модуля, предназначенные для хранения функционального программного обеспечения.

Модуль-коммутатор (МК) предназначен для согласования разнородных интерфейсов бортового оборудования авионики и БЦВС. Модуль-коммутатор обеспечивает преобразование электрического сигнала в оптический сигнал и оптического в электрический для интерфейса Fibre Channel. Внутренняя структура МК содержит УПМ, ИУЭП, УМИ и УФМ, содержащий специализированные приемники и передатчики интерфейса Fibre Channel и контроллер интерфейса.

В составе БЦВС МПП является ведущим модулем, выполняющим функции арбитра всей системы, а остальные КФМ выступают в роли ведомых.

Принцип работы функциональных модулей одинаков, за исключением модуля массовой памяти, который выступает в качестве арбитра всей системы. При подаче электропитания функциональный модуль осуществляет инициализацию входящих в него компонентов - микросхем программируемой логики, микроконтроллеров, микропроцессоров, коммутаторов. После инициализации модуль принимает из памяти модуля массовой памяти функциональное программное обеспечение и заносит его во внутреннее ОЗУ. Дальнейшая работа модуля в составе БЦВС определяется алгоритмом функционального программного обеспечения.

Модуль массовой памяти после инициализации передает в ОЗУ модулей МВ, МГ, МВВ. МК функциональное обеспечение, после чего модуль массовой памяти осуществляет контроль остальных КФМ, анализирует данные встроенного тестового контроля и при выявлении отказа производит реконфигурацию системы, перераспределяя функциональное программное обеспечение между исправными или резервными компонентами.

Используемые унифицированные компоненты вычислительных узлов в составе различных модулей сведены в табл. 1.

Таблица 1

Распределение унифицированных узлов по КФМ

Автоматизированное рабочее место проверки КФМ

В процессе производства вычислительных модулей изготовители сталкиваются с проблемой контроля качества выпускаемой продукции [6-8]. Традиционно контроль качества продукции на авиаприборостроительном предприятии осуществляется посредством проверки каждого изготовленного изделия в составе автоматизированного рабочего места (АРМ).

АРМ должно обеспечивать:

- имитацию процессов информационного обмена по интерфейсам SpaceWire для всех типов модулей, по ПК, РК, МКИО для модулей ввода-вывода, по интерфейсу Fibre Channel для модуля графического и модуля-коммутатора;

- контроль процесса тестирования;

- загрузку программного обеспечения, тестирование и ведение файлов отчета по тестированию каждого модуля.

Структура АРМ представлена на рисунке 4.

Рисунок 4 Структурная схема унифицированного автоматизированного рабочего места (DVI - Digital Visual Interface)

АРМ содержит:

- инструментальную электронно-вычислительную машину (ИЭВМ), обеспечивающую установку инструментальных и программных средств;

- технологическое оборудование (технологические модули, обеспечивающие сопряжение интерфейсов КФМ и интерфейсов ИЭВМ, комплект соединительных жгутов для соединения рамы с установленным КФМ с технологическим оборудованием и источником питания);

- программное обеспечение для тестирования каждого модуля, принтер для вывода на печать результатов тестирования;

- источник питания для подачи напряжения на КФМ;

- комплект эксплуатационной документации, содержащий инструкции для проверки и загрузки тестового программного обеспечения.

В унифицированном рабочем месте используются компоненты технологического оборудования, специфичные по отношению к типу тестируемого модуля. Для модуля вычислительного требуется только технологический модуль, обеспечивающий сопряжение интерфейса PCI и интерфейса SpaceWire. Для модуля ввода-вывода дополнительно необходим технологический модуль для сопряжения каналов ПК, РК и МКИО с интерфейсом ИЭВМ. Для графического модуля необходим технологический модуль для сопряжения SpaceWire и PCI, а также визуализатор для сопряжения интерфейса Fibre Channel и DVI. Визуализатор подключается непосредственно к монитору с выходом DVI. Отличие в схемах связи показаны на рис. 4 различными типами линий.

Алгоритмы тестирования представлены на рис. 5.

а)

б)

Рисунок 5 Алгоритмы работы автоматизированного рабочего места проверки а) в последовательном режиме, б) в параллельном режиме

Тестирование начинается с подачи питания. Затем загружается и запускается необходимое программное обеспечение для тестирования модуля. Во время тестирования модуля проверяются все его компоненты: ячейки памяти ОЗУ, ячейки памяти ПЗУ, система команд процессора, система прерываний процессора, устройства и каналы ввода-вывода. Все результаты тестирования выдаются на экран, а также заносятся в файл отчета. Различают 2 вида алгоритмов проверки: в последовательном режиме (рис. 5,а) и в параллельном режиме (рис. 5,б).

Заключение

Предлагаемые внутренние структуры конструктивно-функциональных модулей, предназначены для создания реконфигурируемых вычислительных систем бортового оборудования. Различные по функциональному назначению модули могут быть построены на основе внутренней структуры базового модуля путем добавления новых специализированных узлов и расширения узла функций модуля.

Автоматизированные рабочие места проверки КФМ в концепции интегрированной модульной авионики должны обеспечивать высокий уровень контроля аппаратных компонентов модуля, модульное построение программного обеспечения с разделением тестирования каждого компонента, открытость архитектуры рабочего места. Целью создания унифицированного рабочего места является обеспечения возможности изменения объема контроля и сложности внутренних узлов изделия и возможности контроля изделий одного класса с использованием единых аппаратных и программных компонентов.

Литература

1. Гатчин Ю.А., Жаринов И.О. Основы проектирования вычислительных систем интегрированной модульной авионики. М.: Машиностроение, 2010. 224 с.

2. Парамонов П.П., Жаринов И.О. Интегрированные бортовые вычислительные системы: обзор современного состояния и анализ перспектив развития в авиационном приборостроении // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2013. № 2 (84). С. 1-17.

3. Книга Е.В., Жаринов И.О., Богданов А.В., Виноградов П.С. Принципы организации архитектуры перспективных бортовых цифровых вычислительных систем в авионике // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2013. № 2 (82). С. 163-165.

4. Богданов А.В., Васильев Г.А., Виноградов П.С., Егоров К.А., Зайченко А.Н., Ковернинский И.В., Петухов В.И., Романов А.Н., Смирнов Е.В., Уткин Б.В., Федосов Е.А., Шукалов А.В. Платформа интегрированной модульной авионики. Патент на полезную модель №108868 U1 RU, МПК G06F 9/00, №2011121962/08. Заявл. 01.06.2011. Опубл. 27.09.2011.

5. Жаринов О.О., Видин Б.В., Шек-Иовсепянц Р.А. Принципы построения крейта бортовой многопроцессорной вычислительной системы для авионики пятого поколения // Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики. 2010. № 4 (68). С. 21-27.

6. Парамонов П.П., Гатчин Ю.А., Жаринов И.О., Жаринов О.О., Дейко М.С. Принципы построения отраслевой системы автоматизированного проектирования в авиационном приборостроении // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики, 2012, №6, c. 111-117.

7. Гатчин Ю.А., Жаринов И.О., Жаринов О.О. Архитектура программного обеспечения автоматизированного рабочего места разработчика бортового авиационного оборудования // Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики, 2012, №2, с. 140-141.

8. Парамонов П.П., Гатчин Ю.А., Жаринов И.О., Жаринов О.О., Шек-Иовсепянц Р.А. Организация планирования деятельности приборостроительного предприятия при проведении научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ в авиационной отрасли // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики, 2012, №6, c. 152-154.

Размещено на Allbest.ru