Область применения микросхем приёмопередатчиков

СОДЕРЖАНИЕ

Введение…………………………………………………………………………………….....3

1.ПЛИС-системы как средство повышения отказоустойчивости…………........................4

     1.1 Тенденция развития……………………………………………………………....5

     1.2 Анализ надёжности ПЛИС…………………………………………………….....5

     1.3 Примеры использования ПЛИС…………………………………………………6

     1.4 Особенности технических решений на основе ПЛИС………………………....7

2.Область применения микросхем приёмопередатчиков………………………………….8

      2.1 Интерфейс RS-485………………………………………………………………..9

      2.2 Интерфейс LVDS…………………………………………………………………12

      2.3 CAN-протокол…………………………………………………………………….13

      2.4 Основные постулаты, используемые при построении каналов……………….14

      2.5 Интерфейс магистральный для бортовой аппаратуры космических аппаратов……………………………………………………………………………………..15

      2.6 Сравнение по скорости передачи пакетов и надёжности передачи

 информации  CAN-протокол и MIL-STD-1553B…………………………………………..17

Выводы………………………………………………………………………………………..19

Список литературы…………………………………………………………………………..20

ВВЕДЕНИЕ

     Актуальность  темы обусловлена тем, что в настоящее время, с каждым годом увеличивается количество спутников, запущенных с разными целями: для прогноза погоды, для исследования природных ресурсов Земли, для решения коммуникационных и военных задач, и т.д. Системы спутниковой связи и телевизионного вещания являются основным средством увеличения объема и качества получаемой и передаваемой информации, в интересах всех отраслей экономики. Обычно такие бортовые системы должны обладать свойствами отказоустойчивости и живучести во время их функционирования, поскольку их отказы могут быть весьма дорогостоящими и иметь опасные последствия.

     С первого дня появления вычислительных машин начались исследования повышения  надежности их работы. В классических работах на эту тему показан путь к повышению надежности, заключающийся в резервировании. В период до конца 60-х годов прошлого столетия основная направленность исследований состояла в повышении безотказности спутниковых систем в течение достаточно ограниченных сроков активного существования (САС), не выше 3-5 лет, достигаемой в первую очередь за счет введения различных форм избыточности (аппаратной, функциональной, временной и др.). Эти исследования и полученные результаты базировались в основном на математических методах (методы теории вероятностей и математической статистики, случайных процессов, теории графов, исследования операций и др.) В области радиационной стойкости были разработаны методические подходы к заданию требований по радиационной стойкости интегральных микросхем (ИМС), начаты исследования дозовых и временных эффектов в комплектующих элементах и аппаратуре в условиях воздействия ионизирующих излучений (ИИ) (в первую очередь, высокоинтенсивных воздействий искусственных источников) - ученными Агаханяным Т.М., Першенковым B.C., Поповым В.Д..

     С возникшей сегодня потребностью увеличения сроков активного существования космического аппарата (КА) эта проблема приобрела особую актуальность и значимость и стимулировала проведение исследований и разработку адекватной поставленным в работе цели и задачам. Так в современных же условиях конкурентоспособность и рентабельность проектов предоставления услуг космической связи определяют необходимость создания КА САС 12 и более лет. Существующие методы не полностью обеспечивали требуемые характеристики надежности бортовых вычислительных систем. Однако, указанные методы не позволяли в необходимой мере учитывать влияние на стойкость ИМС бортовых систем в условиях специфических воздействий внешней среды космического пространства, прежде всего к дозовым эффектам при воздействий низкоинтенсивных ионизирующих излучений космического пространства, так как в центре внимания указанных исследований были вопросы стойкости электронных систем к высокоинтенсивным ионизирующим полям искусственного происхождения; Опыт, накопленный предприятиями космической отрасли показал, что прогресс в создании КА с такими САС невозможен без изменения традиционного подхода резервирования в области обеспечения отказоустойчивости их электронных систем.

Именно  все это и определило важность и актуальность решаемой научно-технической задачи - разработки методики обеспечения отказоустойчивости бортовых вычислительных систем реального времени.

     Цель  работы состоит в разработке методики и средств обеспечения отказоустойчивости бортовых вычислительных систем реального времени, позволяющих повысить надежности систем в условиях низкоинтенсивных ионизирующих излучений (ИИ), использующих резервирование, активную защиту от отказов и режим принудительного переключения. 

Для достижения поставленной цели представляется целесообразным решение следующих задач: 

• Сравнительного  анализа существующих концепций обеспечения  отказоустойчивого  функционирования и  принципов построения современных отказоустойчивых вычислительных систем.
• Разработки методики обеспечения отказоустойчивости бортовых вычислительных систем с целью предотвращения сбоя или отказа от воздействия низкоинтенсивных ионизирующих излучений на элементы системы с традиционной схемой резервирования.
• Организации активной защиты от отказов в бортовых вычислительных системах реального времени для обеспечения отказоустойчивости системы от воздействия низкоинтенсивных ионизирующих излучений на элементы системы.
• Оценки эффективности применения активной защиты от отказов в иерархических бортовых вычислительных системах.

1. ПЛИС-СИСТЕМЫ КАК СРЕДСТВО ПОВЫШЕНИЯ ОТКАЗОУСТОЙЧИВОСТИ

     В связи с большими темпами развития микропроцессорной техники становятся доступными все новые и новые возможности реализации многих, до сих пор невозможных, проектов. Уже не вызывает сомнения и то, что в подходах к проектированию микропроцессоров происходят большие изменения, связанные с организацией внутренней структуры. Все эти изменения не могут быть не отмеченными научным сообществом. В связи с этим проводились многочисленные исследования одного из таких относительно новых подходов к реализации отказоустойчивых систем, как программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС, англ. Programmable logic device, PLD), а именно ПЛИС такого вида, как программируемые пользователем вентильные матрицы (ППВМ, англ. Field – programmable gate array, FPGA), которые, благодаря своей гибкой структуре, позволяют не только реализовывать сложные проекты на одном кристалле и проводить многоуровневую верификацию на всех этапах разработки, но и позволяют осуществлять оперативную реконфигурацию внутренней архитектуры в процессе их функционирования. Именно поэтому использование ПЛИС-систем дает возможность по-новому подойти к решению вопросов резервирования и распараллеливания процессов управления, тем самым совершив переход на новую фазу развития многоверсийных систем (МВС) и технологий (МВТ), обеспечивающих отказоустойчивость информационно-управляющих систем (ИУС). 
 

1. ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ

     Анализ  основных тенденций и перспективных  направлений построения отказоустойчивых и гарантоспособных объектов ИТ-технологий показывает, что они направлены в первую очередь на предупреждение появления отказов (сбоев) системы средствами оперативной (автоматической) их нейтрализации и устранения внутри функциональных блоков системы, а также на предотвращение непреднамеренных и злонамеренных вторжений в процесс работы систем за счет аппаратной, программной и временной избыточности. Все это существенно усложняет структуру и архитектуру

системы, с одной стороны, а с другой, требует эффективных мер по обеспечению достаточного уровня надежности за счет:

     а) микроминиатюаризации аппаратно-программных  вычислительных средств;

     б) частичной передачи системных технологий обеспечения отказоустойчивости из области чисто аппаратных средств в сферу программного обеспечения;

           в) частичной интеллектуализации логики процессов противостояния негативным влияниям.

     В этом контексте ПЛИС-технология выходит  на передний план и становится одним  из ключевых элементов концепции построения "системы на кристалле" (System on Chip-SOC). Новые поколения таких микросхем способны конкурировать со сверхбольшими интегральными схемами (СБИС) как по числу вентилей, производительности и надежности, так и по функциональности. Кроме того, уже сегодня существуют ПЛИС, не требующие внешних средств для хранения и загрузки базовой конфигурации и готовые к работе с момента подачи питания.

     Таким образом, внедрение концепции "системы  на кристалле" является одним из приоритетных направлений развития современной электроники, что, по сути, определяет технологию построения электронной аппаратуры будущих поколений. Среди основных преимуществ "системы на кристалле", спроектированной на базе ПЛИС, следует выделить глубокую оптимизацию внутренней структуры и отсутствие чрезмерной избыточности, характерной для систем, построенных на основе универсальных компонентов. Так, например, поток данных организовывается непосредственно между контроллерами, а не через микропроцессорную шину. В таких системах за счет высокой оптимизации достигается снижение энергопотребления, повышение надежности и производительности, уменьшение объема аппаратной отладки. 

1.2 АНАЛИЗ НАДЁЖНОСТИ ПЛИС 

     В процессе разработки отказоустойчивых и гарантоспособных систем, который  начинается с тщательной подготовки к проекту и заканчивается многоуровневой верификацией и тестированием, так или иначе ключевым является момент выбора оптимальной элементной базы, которая должна удовлетворять определенным требованиям.

     Самые высокие требования предъявляются, например, к электронным компонентам

бортовых систем космических аппаратов. В табл. 1 подведены итоги сравнительного анализа рисков, связанных с применением ПЛИС и микропроцессоров. Таким образом, применение ПЛИС позволяет снизить риски десяти из шестнадцати видовобщих рисков, которые возникают как в случае применения ПЛИС, так и в случае применения микропроцессоров. В то же время рассмотрение специфических рисков, возникающих в случае применения ПЛИС, позволило сделать вывод, что риски данной группы незначительны и могут быть снижены с использованием стандартных или специальных апробированных решений. 

Таблица 1. Результаты сравнения рисков, связанных с  применением ПЛИС и микропроцессоров

1.3 ПРИМЕРЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПЛИС 

     ПЛИС  получили применение в системах управления военной техникой, например, авиационных  и ракетно-космических системах управления APACHE, COMANCHE, B-52, F-14, F-15, F-16, F-18, системах радиоэлектронной борьбы, управления запуском и наведением ракет, системах управления радарами, системе управления танком ABRAMS, системе запуска и наведения ракет PATRIOT, TOMAHAWK, STINGER и др. Наиболее значимыми и масштабными примерами применения ПЛИС-систем в управлении космической техникой являются системы управления ARIAN-5 и Space-Shuttle и др. ПЛИС находят широкое применение в авиационных системах, разработанных в Украине и других странах. Компания Boeing имеет опыт применения микросхем Xilinx в самолетах Boeing 737, 777 в системе обработки изображения. Одно из ведущих национальных предприятий-разработчиков систем управления для авиационных проектов – Научно-техническое специализированное конструкторское бюро "Полисвит" (объединение "Коммунар", г. Харьков) более 6 лет использует для разработок бортовых цифровых систем ПЛИС производства фирм Altera, Xilinx. К настоящему времени накоплен многолетний опыт их применения в различных модификациях бортовых систем управления и контроля в самолетах Ан-70, Ан-140. 

1.4 ОСОБЕННОСТИ ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ НА ОСНОВЕ ПЛИС 

     Основными причинами отказов устройств являются дефекты разработки (ДР) (development faults), физические дефекты (ФД) (physical faults) и дефекты взаимодействия (ДВ) (interaction faults). Учитывая вышеприведенные преимущества ПЛИС-систем над МП по снижению потенциальных рисков и малую частоту отказов (10 FIT), в дальнейшем мы не будем рассматривать их отказы по причине ФД как чисто аппаратные. Вместо этого более подробно рассмотрим причины и последствия возникновения неисправностей по причине ДР.

     Недостатками МП являются ограничение их структуры с точки зрения выявления ошибок и способности их исправления, а также многочисленные неисправности, вызванные ДР. К тому же сложная арифметика и инструкции обработки остаются не контролируемыми. Такие особенности накладывают ряд ограничений, одним из которых является ISSN 1028-9763. Математичні машини і системи, 2010, № 1 203 необходимость применения исключительно внешней структуры обеспечения отказоустойчивости, что может привести к малоэффективному использованию аппаратных средств. В этом аспекте, в отличие от МП, ПЛИС имеют преимущество в гибкости разработки системы на кристалле и наличии внутренней памяти. Такие преимущества могут быть использованы для: 

1) расширения  структуры обеспечения отказоустойчивости и обеспечения широкого охвата ошибок вычислительного процесса на базе кристалла;

2) обеспечения  последовательности восстановления  типа "остановка - фиксация -

перезапуск";

3) отключения  не всего вычислителя, а его  частей, являющихся причиной ошибок. 

     Перечисленные выше решения являются также удобными с учетом большой гранулярности ПЛИС, благодаря чему можно достичь высокой элементарности действий. Такие элементарные действия являются алгоритмическими средствами, с помощью которых еще при проектировании разработчик системы может определить, какие взаимодействия и пересечения процессов нужно предотвратить (по возможности), чтобы сохранить целостность работы системы. Таким образом, разделяя главный вычислительный процесс и формируя его в определенной последовательности элементарных действий, проектировщик получает возможность создавать сложные вычислители с необходимой степенью обнаружения ошибок в его вычислительном процессе и управления их распространением.

     Учитывая  гибкость проектирования с использованием ПЛИС-технологии, становится возможным и удобным не только построение условно-распределенного вычислительного комплекса, но и построение модуля обнаружения неисправности и управления переключением на базе одного кристалла. Это, в свою очередь, позволит реализовать аппаратно-управляемое восстановление, которое не будет выходить за рамки кристалла (системного модуля).

     Также, учитывая то, что на сегодняшний  день фундаментальным решением проблемы защиты от ДР вычислительных систем является принцип многоверсионности, то, руководствуясь этим принципом, можно достичь высоких показателей отказоустойчивости систем за счет использования N-версионных ПЛИС-проектов, которые будут базироваться на различных вариантах реализации многопроцессорных схем, основанных на технологии "soft" и «зашиваемых» в кристалл в виде IP-ядер.

Такой подход позволит частично избавиться от чрезмерной аппаратной избыточности за

счет "усовершенствования" алгоритма вычислений по сравнению с простым «копированием» вычислительных каналов. А также за счет независимо разработанных, отличных друг от друга, симплексных блоков решения и выполнения перекрестного контроля и / или приемо-сдаточного теста станет возможным получение частичной отказоустойчивости благодаря отладке или маскировке неправильных исходных результатов, которые могут быть произведены одним из блоков. Выполнение такого подхода на одном кристалле позволяет достичь высокой скорости передачи данных и избавиться от дополнительных роутеров и синхронизаторов сигнала.

     Отдельным вопросом при решении проблемы обеспечения  отказоустойчивости является обслуживаемость (maintability), особенно в бортовых комплексах (БК) космических аппаратов.

     Разработчики  таких систем почти не имеют возможности исправить ошибки проектирования и не ISSN 1028-9763. Математичні машини 204 і системи, 2010, № 1

могут бороться с моральным старением  этих систем. Данная проблема осложняется  тем, что срок использования некоторых таких систем достигает 20 – 40 лет. В этом контексте технология ПЛИС-систем, имеющих возможность перепрограммирования, позволяет частично решить такую проблему. Данный путь ее решения состоит в использовании дистанционного перепрограммирования или частичного перепрограммирования вычислителей путем изменения их логической структуры через интерфейс JTAG, без изъятия ПЛИС из состава схемы ISP (In System Programming). Таким образом, получаем возможность выполнять "динамическое реконфигурирование", за счет которого становится возможным автоматическое перераспределение функций отказавшего устройства среди исправных. 
 

2. ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ МИКРОСХЕМ ПРИЁМОПЕРЕДАТЧИКОВ 

     В настоящее время в мире широко применяются системы автоматического  управления (САУ) реального времени, которые изначально создавались для автоматических производств, а на сегодняшний день распространились в область управления бортовым оборудованием различных движущихся средств, в том числе и космическими аппаратами.

     Применяются также системы сбора и обработки  информации (ССОИ), которые активно используются в различных областях, например в биомедицинской технике.

В основе любой САУ или ССОИ лежит обработка  сигналов от источников информации, на основе которых возможно принятие решения  о сигналах управления. При этом перед разработчиком таких систем встает вопрос использования стандартных протоколов и интерфейсов передачи данных.

     При выборе протокола  и интерфейса для  использования в  вашей системе  нужно определить следующие параметры  сети передачи данных:

• геометрические размеры сети;
• обеспечение гарантированного времени доставки сообщений;
• скорость передачи данных;
• достоверность и надежность передачи информации;
• удобство работы с выбранным стандартом в плане стандартизации решений и унификации оборудования;
• оптимальное соотношение возможностей и цены.

     В любом модуле, осуществляющем обмен  информацией (данными), существует электронный  блок, отвечающий за связь модуля через  мультиплексный канал с системой (обычно он называется терминалом). В  его составе можно выделить два  обязательных блока:

• аналоговый приемопередатчик, который осуществляет предварительную аналоговую обработку данных с целью обеспечения интерфейса цифровых логических схем терминала и шины данных;
• контроллер протокола, который организует обмен данными в соответствии с выбранным протоколом и выполняет кодирование-декодирование сигналов, определение правильности кодирования выбранным кодом приходящих сообщений, обработку и распознавание слов, адреса и сообщений, а также связь с основной частью модуля.

   Рассмотрим основные характеристики и методы реализации перечисленных интерфейсов передачи данных: RS-485, LVDS, CAN, MIL-STD-1553 (ему соответствует в нашей стране ГОСТ 26765.52-87). Приведенные интерфейсы являются наиболее распространенными. 

2.1 ИНТЕРФЕЙС RS-485 

     Данный  интерфейс RS-485 (TIA/EIA 485) имеет магистральную (шинную) организацию. В нем для  дифференциальной передачи сигнала  используется пара проводов, присутствует также провод земли. Типичная двухпроводная  реализация RS-485 приведена на рис. 1. Возможна и четырехпроводная реализация RS-485. На приемном конце линии вычисляется разность между сигналами. При дифференциальной передаче удается в значительной мере подавить помеху, поэтому основным достоинством дифференциального интерфейса RS-485 является высокая помехоустойчивость. Недостаток RS-485, как и прочих дифференциальных интерфейсов, — относительно высокая стоимость, а также сложности при выполнении парных согласованных каскадов передатчиков и приемников. Область применения RS-485 в координатах «длина кабеля — скорость передачи данных» показана на рис. 3. Данный интерфейс может быть реализован в дуплексном режиме, с четырьмя информационными проводами и в полудуплексном режиме — с двумя. 

Основные требования интерфейса RS-485 приведены в табл. 1  

Таблица 1

Рассмотрим  микросхемы приемопередатчиков для интерфейса RS-485, изготавливаемые некоторыми производителями. 

     Микросхемы  фирмы AnalogDevices для RS-485 одни из наиболее распространенных в нашей стране: ADM485, ADM3491, ADM3485E, ADM1485, ADM483, ADM488, ADM489. Все  эти микросхемы разработаны по смешанной  технологии БиКМОП. В них совмещены следующие свойства: низкий ток потребления, свойственный КМОП-технологии, и быстрое переключение сигналов, свойственное биполярной технологии. По скорости микросхемы этой фирмы делятся на пять типов, приведенных в табл. 2. Микросхемы с буквой E в конце — это ИС с повышенной защитой против электростатических выбросов и высокочастотных электрических и электромагнитных помех. Детальное описание внутренней структуры фирма не представляет. Все микросхемы удовлетворяют условиям, приведенным в табл. 1. 

Таблица 2

     Микросхема  приемопередатчика для RS-485 ISO485 фирмы Burr-Brown является устройством с гальванической изоляцией конденсаторного типа.   

Таблица 3

     Использовать  такую конденсаторную развязку при передаче импульсов можно только в случае, когда скорость изменения напряжения между землями передающей и приемной частей в несколько раз ниже фронтов передаваемых импульсов, что для условий применения изолирующих интерфейсов встречается редко. Для изоляции используются специальные высоковольтные керамические конденсаторы емкостью 0,4 пФ, что уже создает защиту от относительно медленно меняющихся напряжений между приемником и передатчиком. Эта защита дополнена дифференциальным способом передачи сигнала через два одинаковых конденсатора. От сбоев в результате воздействия внешних электростатических полей канал передачи защищен внутренним экраном. В результате примененных решений изменение напряжений между землями приемника и передатчика до 1600 В/мкс у типичного изделия не приводит к сбоям.