eng
Выпуск #3/2016
Н.Ермошин, А.Власов
Отладка авиационных интерфейсов – комплексный подход
Отладка авиационных интерфейсов – комплексный подход
Просмотры: 4058
Рассмотрены решения компании LDM-SYSTEMS для отладки авиационных интерфейсов. Отмечено, что отладочный комплект производства LDM-SYSTEMS позволяет реализовать основные виды авиационных интерфейсов и обеспечивает разработчику доступ к удобной системе отладки и изучения новых микросхем.
Виды и уровни электрических сигналов интерфейсов в комплексах, системах и функционально независимых устройствах оборудования самолетов, вертолетов и сопрягаемых с ними узлах регламентируются ГОСТ 18977, РТМ 1495, ARINC-429 (требования к интерфейсу с двуполярным последовательным кодом (ДПК), ГОСТ Р 52070, MIL-STD-1553b (требования к интерфейсу с мультиплексным каналом информационного обмена (МКИО) (рис.1, 2, табл.1) [1, 2].[1]
На этапе разработки новой аппаратуры, в которой есть линии передачи данных ARINC-429 и МКИО, необходимо решить вопрос организации протокольной и аппаратной частей интерфейса. Помочь в решении данной задачи может готовый программно-аппаратный отладочный комплекс (рис.3). При его использовании разработчику остается только адаптировать тестовое программное обеспечение под конкретные задачи. Разрабатывать подобный комплекс целесообразно на базе существующих надежных решений в целях сокращения сроков проекта и уменьшения количества ошибок.
Компания LDM-SYSTEMS выпускает различные средства для отладки микроконтроллеров фирм Altera, Atmel, MultiClet, Xilinx, Миландр, в частности, отладочные платы семейства HELPER. Их отличительная черта – модульность, то есть возможность наращивать функциональность отладочной платы путем присоединения новых модулей. Для облегчения освоения интерфейсов ARINC-429 и МКИО компания LDM-SYSTEMS дополнила линейку отладочных средств семейства HELPER новыми модулями.
Комплект HELPER состоит из трех групп:
1. Main Board – это "базовые платы", содержащие набор периферийных устройств ввода-вывода информации, визуальной или аудиоиндикации, а также различных органов управления.
2. Master-модули – "ведущие платы", содержащие программно-ориентированные компоненты в виде микроконтроллеров, микропроцессоров или ПЛИС. Master-модули построены таким образом, что имеют все необходимые элементы для взаимодействия как с другими модулями, так и с простейшими устройствами ввода-вывода информации. Для ознакомления со спецификой работы установленного программно-ориентированного элемента наличие "базовой платы" или других модулей не обязательно, Master-модули можно использовать отдельно и встраивать в разрабатываемые устройства в виде законченного узла.
3. Slave-модули – это "ведомые платы", содержащие элементы, в значительной мере расширяющие функциональность отладочного комплекта.
Важная отличительная особенность HELPER – надежное механическое крепление составных частей отладочного комплекта, позволяющее без снижения надежности размещать вертикально множество модулей и получать таким образом функционально законченные конструкции самого различного назначения.
Наиболее полная структура комплекта HELPER, используемая для освоения интерфейсов ARINC-429 и МКИО, может включать в себя (рис.4, 5) [3, 4, 5]:
• базовую плату LDM-HELPER-MB501;
• Master-модуль LDM-HELPER-K1986BE1QI;
• Slave-модуль LDM-HELPER-SI.
Программирование и отладка кода ведется в программном обеспечении Keil или его аналогах. Master-модуль LDM-HELPER-K1986BE1QI имеет встроенный USB-UART-загрузчик без режима отладки. Если режим отладки необходим, можно использовать программатор ULINK2 или его аналоги.
Master-модуль LDM-HELPER-K1986BE1QI
Протокольная часть отладочного комплекса позволяет реализовать Master-модуль LDM-HELPER-K1986BE1QI с установленным на нее контроллером фирмы АО "ПКК Миландр" 1986BE1T (рис.6) в металлокерамическом корпусе 4229.132-3 или пластиковом корпусе LQFP-144. В состав микроконтроллера 1986ВЕ1Т (табл.2) входят контроллеры интерфейса по ГОСТ 18977-79 и ГОСТ Р 52070.
Контроллер интерфейса по ГОСТ 18977. Контроллер содержит восемь приемников и четыре передатчика. Каждый приемник поддерживает функцию распознавания меток (адресов). Для каждого приемника может быть запрограммировано до 32 восьмиразрядных меток. Фильтрация входных данных может выполняться на базе не только меток, но и двух бит источник/приемник. Каждый передатчик поддерживает однонаправленную передачу 32-разрядных слов по двухпроводной витой паре, используя формат кодирования RZ. Доступна возможность запрограммировать 32-й бит как данные либо как бит четности. Каждый приемник и передатчик используют собственный буфер FIFO для хранения данных. Размеры буфера FIFO варьируются от 32 Ч 32 до 256 Ч 32. Статус наполненности FIFO определяется на основе соответствующих бит статуса для каждого FIFO. Контроллер работает на базовой частоте 1 МГц и поддерживает различные скорости приема и передачи данных.
Контроллеры интерфейса по ГОСТ Р 52070. В микроконтроллере (МК) 1986ВЕ1Т имеются два независимых контроллера интерфейса по ГОСТ Р 52070-2003 (далее МКИО). Каждый из них содержит необходимую логику и память для обработки и хранения командных слов и слов данных одного полного сообщения МКИО. В каждом контроллере два канала для приема/передачи сообщений МКИО: основной и резервный. В каждый момент времени может работать только один из них. Данные передаются со скоростью 1 Мбит/с в полудуплексном режиме.
Контроллеры могут работать как в режиме контроллера шины, так и в режиме оконечного устройства. Входящие и исходящие командные и статусные слова, а также команды управления размещаются в 16-разрядных регистрах. Для хранения данных используется 16-разрядная двухпортовая память, в которой данные находятся в области памяти, соответствующей подадресу командного слова. В каждом подадресе можно хранить только одно полное сообщение МКИО. При передаче сообщения данные в память можно заносить как на лету, так и до начала передачи. При приеме сообщения данные можно считывать из памяти на лету или после установки флага.
Контроллеры поддерживают форматы основных (форматы 1–6) и групповых (форматы 7–10) сообщений по ГОСТ Р 52070–2003. Предусмотрена возможность формирования прерываний при успешном приеме или возникновении ошибок на шине, а также маскирование прерываний.
Помимо интерфейсов по ГОСТ 18977-79 и ГОСТ Р 52070-2003, микроконтроллер 1986ВЕ1T оснащен встроенным цифровым контроллером интерфейса Ethernet 10/100 и PHY Transceiver, что упрощает организацию схемотехнической развязки линий Ethernet.
Более подробно ознакомиться с МК 1986ВЕ1Т можно на официальном сайте компании АО "ПКК Миландр".
Slave-модуль LDM-HELPER-SI
Для подключения приемопередатчиков к микроконтроллеру был разработан slave-модуль специализированного интерфейса LDM-HELPER-SI (рис.7).
При выборе приемопередатчиков было решено обратиться к отечественному производителю электронной компонентной базы (ЭКБ) – ОАО НПО "Физика". Предприятие специализируется на выпуске компонентов для применения в бортовой авиационной аппаратуре.
Интерфейс МКИО реализован при помощи приемопередатчиков 5559ИН13У2 (рис.8а) и трансформаторов ТИЛ-6В производства ОАО "Мстатор".
Интерфейс ДПК может быть реализован двумя комплектами микросхем: передатчиками 1586ИН2У (рис.8б) и приемниками 1586ИН4У или передатчиками 1586ИН2АУ и приемниками 1586ИН4АУ.
Линии ARINC-429 или МКИО выведены на 15-выводной PLS-разъем. LDM-HELPER-SI позволяет выбирать один из двух интерфейсов (ДПК или МКИО) посредством двунаправленных буферов или переключателей.
Рассмотрим используемые в slave-модуле приемники и передатчики авиационных интерфейсов.
Микросхемы приемников и передатчиков ДПК. Интерфейс цифровой части микросхем приемников и передатчиков ДПК 1586ИН2У, 1586ИН4У дублирует интерфейс известных микросборок типа 75АП001, АП003 и АП004. В этом интерфейсе используются три линии управления: синхронизации SYN, информационная INF и разрешения работы CON (рис.9) [6].
Идентичность интерфейсов микросборок 75АП001, АП003, АП004 с интерфейсом микросхем 1586ИН2У и 1586ИН4У позволяет выполнять замену микросборок серии АП00х на микросхемы серии 1586 в аппаратуре заказчика без проведения дополнительных работ по изменению цифровой части схемы. Это дает возможность существенно снизить расходы на интерфейсные схемы, сэкономить место на печатной плате и уменьшить массу аппаратуры.
В то же время, зарубежная фирма HOLT IC использует другой интерфейс цифровой части схемы приемников и передатчиков ДПК с двумя линиями управления. В целях импортозамещения ОАО НПО "Физика" разработало микросхемы 1586ИН2АУ, 1586ИН4АУ с интерфейсом, аналогичным используемым фирмой HOLT IC. На осциллограмме работы микросхемы 1586ИН2АУ (рис.10) представлены сигналы двух линий управления – DA и DB – и выходные сигналы Ya и Yb. Появление единицы на входе DA означает передачу "1" в линию, появление единицы на входе DB означает передачу "0" в линию, появление единиц на обеих линиях DA и DB – перевод выходов в Z-состояние. Наличие Z-состояния на выходе передатчика позволяет использовать линию связи в качестве общей (в соответствии с ГОСТ 18977 общей называется линия связи, к которой подключено два или более передающих устройств, при этом информация различных передающих устройств, поступающая в линию, разнесена по времени).
Уменьшение количества входов управления у микросхемы передатчика 1586ИН2АУ позволило не использовать парные боковые выводы микросхемы [7]. Эти выводы могут быть удалены потребителем, что увеличивает плотность компоновки микросхем на плате.
Микросхемы двухканальных приемников 1586ИН4АУ имеют тестовые входы по аналогии с микросхемами фирмы HOLT IC, позволяющими проводить самотестирование приемной части оборудования.
Уровень стойкости к воздействию специального фактора "7.С" микросхем приемников и передатчиков ДПК серии 1586 с характеристикой 7.С4 составляет не менее 2,0 · 1УС.
Микросхемы приемопередатчиков МКИО. Микросхемы приемопередатчиков серии 5559ИН13 (см.рис.8а, 11) за годы серийного выпуска зарекомендовали себя в качестве надежного способа стыковки абонента с интерфейсом МКИО. В процессе развития линейки приемопередатчиков появились версии с уменьшенным размером корпуса, с пониженными уровнями логической единицы на входах для прямой стыковки с современными ПЛИС и МК (табл.3).
Также была проведена модификация микросхем для увеличения уровня стойкости к воздействию специальных факторов (СФ). Уровень стойкости к воздействию СФ "7.С", "7.И" с характеристиками 7.С1, 7.И7, 7.С4 составляет не менее 60·1УС для 7.С1; 2 · 2УС для 7.И7; 1,8 · 1УС для 7.С4. При испытаниях на воздействие тяжелых заряженных частиц с уровнем линейных потерь энергии не менее 40 МэВ·см 2/мг одиночные эффекты или катастрофические отказы не зафиксированы.
Все микросхемы серии 5559ИН13 и передатчик 1586ИН2У входят в Перечень ЭКБ, включение остальных микросхем серии 1586ИН планируется в 2016 году.
В заключение можно отметить, что отладочный комплект производства LDM-SYSTEMS в составе базовой платы LDM-HELPER-MB501, master-модуля LDM-HELPER-K1986BE1QI и slave-модуля LDM-HELPER-SI позволяет реализовать интерфейсы МКИО и ДПК, обеспечить разработчику доступ к удобной системе отладки и изучения новых микросхем для последующего применения полученных навыков при создании аппаратуры.
Литература
1. ГОСТ 18977-79. Комплексы бортового оборудования самолетов и вертолетов. Типы функциональных связей. Виды и уровни электрических сигналов.
2. ГОСТ Р 52070-2003. Интерфейс магистральный последовательный системы электронных модулей. Общие требования.
3. Руководство по эксплуатации LDM-HELPER-SI.
4. Руководство по эксплуатации LDM-HELPER-K1986BE1QI.
5. Руководство по эксплуатации LDM-HELPER-MB501.
6. Техническое описание на микросхемы 1586ИН3У, 4У, 4АУ.
7. Техническое описание на микросхемы 1586ИН2У, 2АУ.
--------------------------------------------------------------------------------
[1] 1 LDM-SYSTEMS, ceo@ldm-systems.ru.
2 ОАО НПО "Физика", andrey@npofizika.ru.
На этапе разработки новой аппаратуры, в которой есть линии передачи данных ARINC-429 и МКИО, необходимо решить вопрос организации протокольной и аппаратной частей интерфейса. Помочь в решении данной задачи может готовый программно-аппаратный отладочный комплекс (рис.3). При его использовании разработчику остается только адаптировать тестовое программное обеспечение под конкретные задачи. Разрабатывать подобный комплекс целесообразно на базе существующих надежных решений в целях сокращения сроков проекта и уменьшения количества ошибок.
Компания LDM-SYSTEMS выпускает различные средства для отладки микроконтроллеров фирм Altera, Atmel, MultiClet, Xilinx, Миландр, в частности, отладочные платы семейства HELPER. Их отличительная черта – модульность, то есть возможность наращивать функциональность отладочной платы путем присоединения новых модулей. Для облегчения освоения интерфейсов ARINC-429 и МКИО компания LDM-SYSTEMS дополнила линейку отладочных средств семейства HELPER новыми модулями.
Комплект HELPER состоит из трех групп:
1. Main Board – это "базовые платы", содержащие набор периферийных устройств ввода-вывода информации, визуальной или аудиоиндикации, а также различных органов управления.
2. Master-модули – "ведущие платы", содержащие программно-ориентированные компоненты в виде микроконтроллеров, микропроцессоров или ПЛИС. Master-модули построены таким образом, что имеют все необходимые элементы для взаимодействия как с другими модулями, так и с простейшими устройствами ввода-вывода информации. Для ознакомления со спецификой работы установленного программно-ориентированного элемента наличие "базовой платы" или других модулей не обязательно, Master-модули можно использовать отдельно и встраивать в разрабатываемые устройства в виде законченного узла.
3. Slave-модули – это "ведомые платы", содержащие элементы, в значительной мере расширяющие функциональность отладочного комплекта.
Важная отличительная особенность HELPER – надежное механическое крепление составных частей отладочного комплекта, позволяющее без снижения надежности размещать вертикально множество модулей и получать таким образом функционально законченные конструкции самого различного назначения.
Наиболее полная структура комплекта HELPER, используемая для освоения интерфейсов ARINC-429 и МКИО, может включать в себя (рис.4, 5) [3, 4, 5]:
• базовую плату LDM-HELPER-MB501;
• Master-модуль LDM-HELPER-K1986BE1QI;
• Slave-модуль LDM-HELPER-SI.
Программирование и отладка кода ведется в программном обеспечении Keil или его аналогах. Master-модуль LDM-HELPER-K1986BE1QI имеет встроенный USB-UART-загрузчик без режима отладки. Если режим отладки необходим, можно использовать программатор ULINK2 или его аналоги.
Master-модуль LDM-HELPER-K1986BE1QI
Протокольная часть отладочного комплекса позволяет реализовать Master-модуль LDM-HELPER-K1986BE1QI с установленным на нее контроллером фирмы АО "ПКК Миландр" 1986BE1T (рис.6) в металлокерамическом корпусе 4229.132-3 или пластиковом корпусе LQFP-144. В состав микроконтроллера 1986ВЕ1Т (табл.2) входят контроллеры интерфейса по ГОСТ 18977-79 и ГОСТ Р 52070.
Контроллер интерфейса по ГОСТ 18977. Контроллер содержит восемь приемников и четыре передатчика. Каждый приемник поддерживает функцию распознавания меток (адресов). Для каждого приемника может быть запрограммировано до 32 восьмиразрядных меток. Фильтрация входных данных может выполняться на базе не только меток, но и двух бит источник/приемник. Каждый передатчик поддерживает однонаправленную передачу 32-разрядных слов по двухпроводной витой паре, используя формат кодирования RZ. Доступна возможность запрограммировать 32-й бит как данные либо как бит четности. Каждый приемник и передатчик используют собственный буфер FIFO для хранения данных. Размеры буфера FIFO варьируются от 32 Ч 32 до 256 Ч 32. Статус наполненности FIFO определяется на основе соответствующих бит статуса для каждого FIFO. Контроллер работает на базовой частоте 1 МГц и поддерживает различные скорости приема и передачи данных.
Контроллеры интерфейса по ГОСТ Р 52070. В микроконтроллере (МК) 1986ВЕ1Т имеются два независимых контроллера интерфейса по ГОСТ Р 52070-2003 (далее МКИО). Каждый из них содержит необходимую логику и память для обработки и хранения командных слов и слов данных одного полного сообщения МКИО. В каждом контроллере два канала для приема/передачи сообщений МКИО: основной и резервный. В каждый момент времени может работать только один из них. Данные передаются со скоростью 1 Мбит/с в полудуплексном режиме.
Контроллеры могут работать как в режиме контроллера шины, так и в режиме оконечного устройства. Входящие и исходящие командные и статусные слова, а также команды управления размещаются в 16-разрядных регистрах. Для хранения данных используется 16-разрядная двухпортовая память, в которой данные находятся в области памяти, соответствующей подадресу командного слова. В каждом подадресе можно хранить только одно полное сообщение МКИО. При передаче сообщения данные в память можно заносить как на лету, так и до начала передачи. При приеме сообщения данные можно считывать из памяти на лету или после установки флага.
Контроллеры поддерживают форматы основных (форматы 1–6) и групповых (форматы 7–10) сообщений по ГОСТ Р 52070–2003. Предусмотрена возможность формирования прерываний при успешном приеме или возникновении ошибок на шине, а также маскирование прерываний.
Помимо интерфейсов по ГОСТ 18977-79 и ГОСТ Р 52070-2003, микроконтроллер 1986ВЕ1T оснащен встроенным цифровым контроллером интерфейса Ethernet 10/100 и PHY Transceiver, что упрощает организацию схемотехнической развязки линий Ethernet.
Более подробно ознакомиться с МК 1986ВЕ1Т можно на официальном сайте компании АО "ПКК Миландр".
Slave-модуль LDM-HELPER-SI
Для подключения приемопередатчиков к микроконтроллеру был разработан slave-модуль специализированного интерфейса LDM-HELPER-SI (рис.7).
При выборе приемопередатчиков было решено обратиться к отечественному производителю электронной компонентной базы (ЭКБ) – ОАО НПО "Физика". Предприятие специализируется на выпуске компонентов для применения в бортовой авиационной аппаратуре.
Интерфейс МКИО реализован при помощи приемопередатчиков 5559ИН13У2 (рис.8а) и трансформаторов ТИЛ-6В производства ОАО "Мстатор".
Интерфейс ДПК может быть реализован двумя комплектами микросхем: передатчиками 1586ИН2У (рис.8б) и приемниками 1586ИН4У или передатчиками 1586ИН2АУ и приемниками 1586ИН4АУ.
Линии ARINC-429 или МКИО выведены на 15-выводной PLS-разъем. LDM-HELPER-SI позволяет выбирать один из двух интерфейсов (ДПК или МКИО) посредством двунаправленных буферов или переключателей.
Рассмотрим используемые в slave-модуле приемники и передатчики авиационных интерфейсов.
Микросхемы приемников и передатчиков ДПК. Интерфейс цифровой части микросхем приемников и передатчиков ДПК 1586ИН2У, 1586ИН4У дублирует интерфейс известных микросборок типа 75АП001, АП003 и АП004. В этом интерфейсе используются три линии управления: синхронизации SYN, информационная INF и разрешения работы CON (рис.9) [6].
Идентичность интерфейсов микросборок 75АП001, АП003, АП004 с интерфейсом микросхем 1586ИН2У и 1586ИН4У позволяет выполнять замену микросборок серии АП00х на микросхемы серии 1586 в аппаратуре заказчика без проведения дополнительных работ по изменению цифровой части схемы. Это дает возможность существенно снизить расходы на интерфейсные схемы, сэкономить место на печатной плате и уменьшить массу аппаратуры.
В то же время, зарубежная фирма HOLT IC использует другой интерфейс цифровой части схемы приемников и передатчиков ДПК с двумя линиями управления. В целях импортозамещения ОАО НПО "Физика" разработало микросхемы 1586ИН2АУ, 1586ИН4АУ с интерфейсом, аналогичным используемым фирмой HOLT IC. На осциллограмме работы микросхемы 1586ИН2АУ (рис.10) представлены сигналы двух линий управления – DA и DB – и выходные сигналы Ya и Yb. Появление единицы на входе DA означает передачу "1" в линию, появление единицы на входе DB означает передачу "0" в линию, появление единиц на обеих линиях DA и DB – перевод выходов в Z-состояние. Наличие Z-состояния на выходе передатчика позволяет использовать линию связи в качестве общей (в соответствии с ГОСТ 18977 общей называется линия связи, к которой подключено два или более передающих устройств, при этом информация различных передающих устройств, поступающая в линию, разнесена по времени).
Уменьшение количества входов управления у микросхемы передатчика 1586ИН2АУ позволило не использовать парные боковые выводы микросхемы [7]. Эти выводы могут быть удалены потребителем, что увеличивает плотность компоновки микросхем на плате.
Микросхемы двухканальных приемников 1586ИН4АУ имеют тестовые входы по аналогии с микросхемами фирмы HOLT IC, позволяющими проводить самотестирование приемной части оборудования.
Уровень стойкости к воздействию специального фактора "7.С" микросхем приемников и передатчиков ДПК серии 1586 с характеристикой 7.С4 составляет не менее 2,0 · 1УС.
Микросхемы приемопередатчиков МКИО. Микросхемы приемопередатчиков серии 5559ИН13 (см.рис.8а, 11) за годы серийного выпуска зарекомендовали себя в качестве надежного способа стыковки абонента с интерфейсом МКИО. В процессе развития линейки приемопередатчиков появились версии с уменьшенным размером корпуса, с пониженными уровнями логической единицы на входах для прямой стыковки с современными ПЛИС и МК (табл.3).
Также была проведена модификация микросхем для увеличения уровня стойкости к воздействию специальных факторов (СФ). Уровень стойкости к воздействию СФ "7.С", "7.И" с характеристиками 7.С1, 7.И7, 7.С4 составляет не менее 60·1УС для 7.С1; 2 · 2УС для 7.И7; 1,8 · 1УС для 7.С4. При испытаниях на воздействие тяжелых заряженных частиц с уровнем линейных потерь энергии не менее 40 МэВ·см 2/мг одиночные эффекты или катастрофические отказы не зафиксированы.
Все микросхемы серии 5559ИН13 и передатчик 1586ИН2У входят в Перечень ЭКБ, включение остальных микросхем серии 1586ИН планируется в 2016 году.
В заключение можно отметить, что отладочный комплект производства LDM-SYSTEMS в составе базовой платы LDM-HELPER-MB501, master-модуля LDM-HELPER-K1986BE1QI и slave-модуля LDM-HELPER-SI позволяет реализовать интерфейсы МКИО и ДПК, обеспечить разработчику доступ к удобной системе отладки и изучения новых микросхем для последующего применения полученных навыков при создании аппаратуры.
Литература
1. ГОСТ 18977-79. Комплексы бортового оборудования самолетов и вертолетов. Типы функциональных связей. Виды и уровни электрических сигналов.
2. ГОСТ Р 52070-2003. Интерфейс магистральный последовательный системы электронных модулей. Общие требования.
3. Руководство по эксплуатации LDM-HELPER-SI.
4. Руководство по эксплуатации LDM-HELPER-K1986BE1QI.
5. Руководство по эксплуатации LDM-HELPER-MB501.
6. Техническое описание на микросхемы 1586ИН3У, 4У, 4АУ.
7. Техническое описание на микросхемы 1586ИН2У, 2АУ.
--------------------------------------------------------------------------------
[1] 1 LDM-SYSTEMS, ceo@ldm-systems.ru.
2 ОАО НПО "Физика", andrey@npofizika.ru.
Отзывы читателей
