Использование избыточного I2C в авионике космического корабля

10

Недавно я читал этот отчет о проекте по разработке авионики JPL x2000, который разработал более модульную платформу авионики, использующую коммерческий кремний, чтобы сократить расходы и электроэнергию. Они выбрали архитектуру двух избыточных протоколов, связывающих всю электронику в космическом корабле. Высокоскоростная шина 1394 используется для больших данных, а шина I2C (100 кГц) используется для управления с низкой пропускной способностью. Это настроено как мультимастерная шина, где каждый узел может связываться друг с другом.

Я не использовал I2C для более чем одного датчика, но насколько я понимаю, существуют серьезные ограничения по расстоянию. В космическом корабле могут быть жгуты проводов значительной длины.

В дополнение к наличию двух резервированных шин I2C каждое устройство имеет собственную ASIC, которая обеспечивает изоляцию между шиной и главным чипом, изображенным здесь  и здесь . Может быть, этот чип также обеспечивает какую-то функцию кондиционирования?

Может ли кто-нибудь объяснить, почему они решили использовать протокол, предназначенный для связи в пределах одной печатной платы, для связи в большом транспортном средстве?

Я знаю, что, вероятно, нет однозначного ответа, но мне было бы интересно узнать, какие факторы влияют на такой выбор.

Тим Вракас
источник
3
Как и вы, я удивлен этим выбором. Я сам испытывал трудности с длинными автобусами I2C: воспоминания о заросшем автобусе I2C .
Ник Алексеев
4
Все дело в емкостной нагрузке и тактовой частоте. Есть много способов расширить диапазон I2C, вот одна заметка приложения, которая может вам помочь: maximintegrated.com/en/app-notes/index.mvp/id/6208 Усилия Nasa снизили тактовую частоту до 100 кГц, и я Мы видели успешные реализации длинных проводов с частотой до 10 кГц. Самая большая проблема с низкой тактовой частотой - это поддержание совместимости SMBUS, если это требуется. Это также может помочь: nxp.com/docs/en/application-note/AN10658.pdf
Джек Криси,
2
@ По моему опыту, значительная длина шины I2C начинается, скажем, с 1 метра. Именно здесь емкость шины и интерференция могут стать проблемой. Емкость и помехи, конечно, могут быть уменьшены с помощью буферов и экранирования. К тому времени, когда кто-то начинает рассматривать множественные меры по смягчению, он также начинает задаваться вопросом: «Почему мы расширяем I2C за пределы его предполагаемого использования? Почему мы не используем коммуникационную шину, предназначенную для нашего вида диапазона?»
Ник Алексеев
2
electronics.stackexchange.com/questions/106265/… "При частоте 100 кГц и хорошем протоколе восстановления после ошибок можно легко добраться до 25 м с помощью базовых проводов. Мы даже смогли достичь 100 м за один раз с помощью кабеля CAT5"
Брюс Эбботт,
2
Я работал над аэрокосмическим оборудованием (в основном компоновка печатных плат), и я удивлен, что I2C был выбран выше RS-485, который имеет как лучшее подавление шума, так и поддержку при длительной проводной связи. Я предполагаю, что аспект мультимастера был более важным фактором. Обратите внимание, что 485 нужно больше вспомогательных компонентов. I2C - это королевская PITA, вы не поймаете меня на космической ракете, которая использует I2C для запуска кофеварки, не говоря уже о важных вещах :)
Wossname

Ответы:

1

Да, у I2C есть ограничение по длине, но я думаю, что они, возможно, намерены это для связи с другими микросхемами на той же плате или платах, расположенных в той же подсистеме, а не думать о связи с датчиками, установленными вокруг космического корабля и другого космического корабля связанные системы. Большинство современных микросхем будут включать I2C, в то время как скорость передачи данных и расстояние могут рассматриваться как ограничения, для бортовой связи с другими микросхемами это обеспечивает чрезвычайно надежный метод передачи и контроля данных. Такие микросхемы, как функции управления питанием (PMIC), встроенные датчики температуры, акселерометры на основе MEMS и гироскопы, и многие другие, I2C - достойный конкурент.

Роберт Х
источник
Сначала у меня были те же мысли, но потом я более внимательно посмотрел на блок-схему на стр.5. Один из I2C автобусов [есть больше чем одна на этой блок - схеме] работает параллельно с 1394,
Ник Алексеевым
У них есть избыточность @NickAlexeev
Тони Стюарт Sunnyskyguy EE75
-1
  • Он не был предназначен для одной конечной точки печатной платы, а скорее для множества многоточечных точек по короткому каналу 400 пФ максимум. Который может быть до 15 м без буферов или повторителей с использованием переключателей.
  • I2C будет использоваться для датчиков малой пропускной способности на короткие расстояния (несколько метров) и высокоскоростной линии связи IEEE 1394 для связи на большие расстояния.

Улучшения из отчета **

  • Обе шины являются мультимастерными и поэтому поддерживают симметричные масштабируемые и распределенные архитектуры.
  • Уровень протокола добавляется к шине I2C. Этот протокол включает в себя количество байтов после адреса и два байта CRC после данных. Конструкция X2000 также использует специальные команды аппаратных сообщений для управления критическими функциями. Для этих сообщений отправляется команда с последующим дополнением для обеспечения еще одного уровня защиты.

  • В условиях катастрофического сбоя, такого как сбой питания шины, оба набора шин COTS могут выйти из строя, так что вся связь между узлами будет потеряна. Чтобы восстановить связь, каждый узел может выполнить процедуру распределенного восстановления, которая состоит из последовательности действий по включению / отключению канала.

  • поскольку причина катастрофического сбоя может быть не в системе авионики, нет гарантии, что процедура распределенного восстановления будет успешной. Поэтому такой подход является лишь последним средством спасения космического корабля.

мнение

  • Последний пункт означает драйвер шины и кабель. Я не удивлен, что автор не упомянул какие-либо темы, относящиеся к «целостности сигнала», такие как выбор кабелей и электромагнитных помех, излучаемых системой, или уровни BER в сравнении с уровнями помехоустойчивости.
  • Я думаю, что отчет имеет недостатки из-за этого подавления информации о целостности сигнала и частоты ошибок
  • все, о чем говорится в отчете, это цифровые уровни выше физического уровня 1 уровней OSI 7
  • Однако это не означает, что у них не было экспертов или аналоговых данных, об этом просто не сообщалось.
  • Они выбрали I2C на основе стоимости, доступности ROT-защищенных COTS и низкого энергопотребления, поэтому, если бы они действительно хорошо справлялись с проблемами целостности сигнала, им не пришлось бы так сильно полагаться на надежную конструкцию обнаружения / исправления / восстановления с резервированием.
  • Существуют несовпадающие методы завершения, которые драйверы с открытым коллектором могут использовать для увеличения запаса сигнала, такие как подтягивание источника тока вместо пассивного подтягивания R.

анекдотичный

Именно в этой области я поддерживал Берроуза в середине 80-х годов в обновлении их стандартов корпоративного проектирования для методов испытаний на электромагнитную совместимость и спецификаций для приемлемых уровней помехоустойчивости к проводимому шуму, излучаемому ESD, излучаемому взрывному радиочастотному излучению, излучению плоских волн для развернутого радиочастотного сигнала от магнитных полей 100 кГц. для излучаемых полей x x Гц при очень высокой напряженности поля с использованием магнитных катушек с усилителем мощностью 1 кВт, установленным в стойку, и плоской додекаэдрической антенны с опто-обратной связью для плоского отклика электронного поля сервопривода для проверки ошибок 0 бит в 10 ^ 10 бит.

NXP определяет атрибуты этого двухпроводного стандарта, называемого I2C, следующим образом;

• Чрезвычайно низкое потребление тока.
• Высокая помехоустойчивость.
• Широкий диапазон напряжения питания.
• Широкий диапазон рабочих температур.

Однако он ограничен емкостью кабеля и, таким образом, выбором и длиной кабеля, уровнем близких переходных высоких токов или высокого напряжения нарастания, типом драйвера активного 50-омного типа CMOS-буфера или нагрузкой на источник тока и многими вариациями.

В спецификации NXP говорится, что нет проблем при нагрузке от 100 кГц до 100 пФ, которая обычно может составлять 20 пФ / фут в зависимости от полного сопротивления пары, а затем сноски для обработки от 100 пФ до 400 пФ макс. Для 100 кбит / с.

Если бы это был я, я бы выбрал витую пару с самым высоким сопротивлением (240 ~ 300+), а затем использовал бы постоянный ток с защитой от замыкания.

В любом случае опытный инженер-проектировщик линии электропередачи должен спроектировать / провести стресс-тестирование и проверить целостность сигнала для этих коротких линий связи.

добавление

Студенты из Stanford Engineering разработали усовершенствования для космической связи, которые включали в себя сторожевые таймеры для повторного включения питания и порты ударов по битам для вариантов восстановления, мультиплексированных на шине.

мнение

Я хотел бы интерпретировать, что основными проблемами были не «целостность сигнала» на частоте ошибок по битам, а серьезные сбои из-за импульсов гамма-излучения, которые могут вызвать защелки в даже больших литографических КМОП-устройствах из-за высокой напряженности поля V / um этой высокой энергии импульсы. Их методы восстановления, основанные на моем опыте, были правильно реализованы, исходя из моего опыта использования электростатического разряда 25 кВ в Project IDA в тестовом доме MTS в начале 80-х годов.

анекдотичный

Проект IDA представлял собой научно-исследовательское предприятие Winnipeg Interdiscom Inc., в котором я принимал участие для создания настраиваемой широкополосной глобальной сети ISDN с платным телевидением, графическими данными о погоде, опросами общественного мнения, цифровой телефонией, сигнализацией о неисправности / взломе, считыванием показаний счетчика, проводной клавиатурой для высокоскоростных последовательных данных и 2 дюймовые дуги от статического электричества от вакуумной трубки ТВ и пальцы к нашей приставке в сухую зиму !! Это был первый крупномасштабный SCADA DS1 (1,544 Мбит / с) с двухсторонней связью по радиочастотам до 100 домов в мире, успешно протестированных и поставленных. Я отвечал за тестирование системы, разработку и производство различного оборудования для тестирования BER и общий мониторинг состояния сети в двух направлениях, и наша команда заставила его работать. Все эти 100 домов использовали один коаксиальный кабель и 2 RF для топологии дерева / шины TDM DS1.

В конечном итоге он был продан компании, которая владела Scientific Atlanta, Intellivision и несколькими другими в Филадельфии.

Тони Стюарт Sunnyskyguy EE75
источник
Я полагаю, что ваш 5-й пункт в «Миссии» - это реальная причина, по которой НАСА предложило использовать I2C таким образом. Этот выбор вызывает сомнение среди остальных из нас, потому что мы не знаем, какие типы COTS с какими типами коммуникационных шин доступны или нет.
Ник Алексеев
@NickAlexeev Поставив Honeywell множество материнских плат для авионики, они являются крупным поставщиком, но автору не нужно было оправдывать существование большого количества закаленных COTS RAD, но, как и большинство решений, в конечном итоге решения принимаются на основе затрат с адекватной надежностью
Тони Стюарт Sunnyskyguy EE75