Как данные передаются в системе и устройстве? Интерфейсы ARINC

Самолёты, вертолёты, беспилотники, космические аппараты, морские корабли, подводные лодки и многие другие огромные и не очень «железки». Все мы так или иначе сталкиваемся с кем-то из них ежедневно: в новостях, в путешествиях, на дорогах, в детских игрушках и много где ещё. А задавались ли вы вопросом, почему это всё работает? Как управляется?

Подобные «машины» – это великое множество различных систем, которые взаимодействуют друг с другом и в комплексе позволяют выполнять все требуемые от них функции. Говоря иначе, то за счёт того, что оборудование внутри может “общаться” друг с другом, а также за счёт того, что и у человека есть инструменты, чтобы передать “машине” то, что он от неё хочет (например, хочу, чтобы мы сейчас повернули направо), и происходит “magic” в виде возможности управления.

Классно! А общаются они все как? Ну есть некий датчик, например, и есть, снимает он там себе какие-то показания, а дальше что? А как он о них скажет? Человек о них как узнает? Вот об этом “языке” мы будем сегодня говорить.

С одной стороны, можно сказать просто: все устройства связаны друг с другом проводами, в них бегают разные электрические сигналы, а сами приборы что-то с ними делают. Всё равно что в детстве делали телефоны из стаканов и верёвочки. Обобщённо, связь примерно такая же: “Я тебе в стакан говорю ‘Алё!’, а ты на том конце в своём стакане тоже его слышишь.” А у техники также что ли? И что там такое бегает в проводах? Каждое оборудование, установленное хоть на корабле, хоть на маленьком беспилотнике использует интерфейсы, именно они и творят этот “magic” общения техники с техникой и техники с человеком.

Интерфейсы бортовой информационной системы обеспечивают взаимодействие её составных частей – подсистем, блоков, модулей – между собой и с другим бортовым оборудованием. Интерфейсом называют совокупность схемных средств, обеспечивающих взаимодействие составных элементов систем.

Интерфейсы используются на разных уровнях: от взаимодействия между составными частями внутри одного прибора/датчика до связи всех составляющих системы. И под системой мы также воспринимаем конечный продукт: космический аппарат, подводную лодку и даже ваш смартфон. На каждом уровне используются свои интерфейсы, оптимально приспособленные для решения характерных для данного уровня задач, т.е. то, что работает на уровне элементов прибора, может не сработать на уровне целого автомобиля. В том числе, для различных отраслей определены свои стандарты на интерфейсы, так как у каждой из них свои нужды и требования к оборудованию. В этой статье мы рассмотрим тему на примере специальных авиационных интерфейсов, в частности: ARINC 429, ARINC 646, ARINC 717.

ARINC 429

Самым распространённым стандартом в гражданской авиации является ARINC 429, который определяет способы передачи цифровой информации между электронными авиационными системами.

Основной принцип передачи информации: источник, имеющий информацию для передачи, выдает её всем, кому она нужна. Используется последовательная передача, вся информация выдается по витой и экранированной паре проводов (см. рисунок ниже) – кодовой линии связи. Передача информации в обратном направлении по этой же паре проводов запрещена, при необходимости используется отдельная линия.

Все приёмники, заинтересованные в информации от источника, подключаются к этой паре проводов и каждый выбирает из передаваемой информации то, что ему требуется. Передача, как правило, асинхронная, т.е. источник передает данные по мере готовности, а приемник должен быть готов в любой момент принять передаваемые данные или, по крайней мере, поместить их в буфер, чтобы они не пропали. Уведомление источника о том, что данные приняты верно, не предусматривается. Основная информация передается циклически, поэтому неверно принятые данные могут быть приняты в следующем цикле. Но стоит добавить, что часто оборудование разрабатывается так, чтобы определять собственный отказ и передавать информацию об этом в канал связи. Также разработчики могут закладывать в свои изделия возможность определения неисправности линии связи между потребителем и источником или неисправности (недостоверности) информации в ней, что играет существенную роль в работе систем и предупреждении экипажа.

Для простоты понимания того, что описано выше, представим жизненный пример. Представьте, что вы слушаете радио. Любая радиостанция передаёт в эфир различные песни и передачи постоянно, при этом вы, имея лишь свой приёмник, до ведущих радиопрограммы, которую слушаете, не достучитесь. Если вы хотите послушать определённую передачу из программы или определённый трек, тогда вам нужно только быть подключённым нужной станции, принять её вещание и слушать её ровно до тех пор, пока не закончится ваша любимая песня/передача. Радиостанцию не интересует, что именно вы хотите услышать, она вещает всё, что может, а вот вы уже вольны выбирать. Треки будут повторяться, а если намечены технические работы, вас о них предупредят на той же волне или вы сами поймёте, что что-то не так: не те песни транслируют, заставка не та, помехи в вещании и всё прочее.

Схематично взаимодействие по ARINC 429 может выглядеть как на картинке ниже.

Что здесь происходит? Пойдём по порядку. Эта схема структурно показывает нам подключение ряда оборудования на воздушном судне. Стоит держать в голове, что данная картинка полностью оторвана от какой-либо реальной системы на воздушном судне и служит только для примера.

Система электронной индикации (СЭИ) принимает необходимую для отображения информацию от всего оборудования, на два разных контакта, которые дальше будут называться «вход» или «выход». В нашем случае, от вычислителя воздушных скоростей (ВВС) она получит различные параметры ветра; от бортового вычислителя - команды, результаты расчётов, различную информацию для работы, которую она не может самостоятельно получить напрямую. В свою очередь, СЭИ выдаёт на вход вычислителя ряд информации, чаще всего, собственные слова состояния, где, в том числе, может содержаться информация об отказе (выявляется за счёт собственного встроенного контроля) или о том, что СЭИ потеряла связь с определенным оборудованием.

Как писалось ранее, ARINC 429 позволяет любым заинтересованным потребителям быть подключёнными к одному «выходу» одного источника и брать от него необходимую информацию, что наблюдается у ВВС и устройства управления.

А вот на один «вход» потребитель не может принять информацию от двух источников, нужны будут разные контакты, поэтому вычислители как главные «мозги» всего воздушного судна, которые принимают информацию почти от всего оборудования, имеют большое количество входных контактов.

А что конкретно может передаваться в кодовой линии связи? Основной элемент информации – 32-разрядное цифровое слово, т.е., например, информация о текущем угле пространственного положения будет занимать место в 32 бита, т.е. 32 единицы информации, при этом эти 32 разряда разбиты так, чтобы в конечном итоге слово можно было идентифицировать, узнать его источник, сразу понять, на сколько оно достоверно.

Структура слова представлена на рисунке ниже

Первые 8 разрядов слова используются для идентификации содержащейся в слове информации или для идентификации его применения. В ARINC 429 эти 8 разрядов называются label – «ярлык», но в отечественной традиции принято называть их адрес. Каждый источник информации может выдавать до 255 слов с разными адресами (нулевой адрес не используется). Всем основным параметрам, используемым на ЛА, заранее установлены адреса. Для тех параметров, которые в стандарте не упоминаются, адреса выбирает разработчик системы.

Разряды 9,10 - идентификатор источника - используются для указания номера источника информации, если их несколько. Например, бортовой вычислитель принимает данные от двух ВВС и благодаря идентификатору понимает, от какой конкретно ВВС пришёл адрес. Эти разряды могут также использоваться для указания номера приемника, которому адресована информация.

Разряды с 11 по 29 отведены непосредственно под содержание данных, которые мы передаём. В зависимости от типа данных предусматривается 5 основных типов слов:

• двоичный код (ДК);

• двоично-десятичный код (ДДК);

• слова дискретных сигналов (СДС);

• данные техобслуживания;

• цифробуквенная информация.

Матрица знак/состояние (в дальнейшем – матрица состояния, МС) заполняется в соответствии с Руководящим техническим материалом авиационной техники РТМ 1495-75 с изм. 3 «Обмен информацией двуполярным кодом в оборудовании летательных аппаратов.

Как правило, в МС вы можете увидеть следующие состояния:

• нормальная работа;

• предупреждение об отказе – словах ДК означает именно отказ самой системы, для других типов слов сообщение об отказе не предусматривается, система-источник просто должна прекращать выдачу тех слов, которые она не может выдавать правильно;

• нет вычислительных данных (НВД) – информация в слове недостоверна, но по иным причинам, нежели отказ самой системы, разработчик сам может заложить в своё изделие, что оно будет воспринимать как НВД;

• функциональный тест/тест – может выдаваться в информационных (получаем результат теста) и управляющих словах (посылаем команду на выполнение тестирования).

В составе каждого слова передается контрольный разряд. Это 32-й разряд слова, его содержимое заполняется передатчиком при выдаче слова так, чтобы общее число единиц в слове было нечетным. Контроль чётности при приёме слова позволяет приёмнику определить наличие единичного сбоя и не использовать такое недостоверное слово. Т.е. приёмник всегда ждёт только слова с нечётным содержимым, так заложено по стандарту передачи ARINC 429, поэтому если к нему пришло слово с чётным содержимым, он будет считать его ошибочным.

В ARINC 429 есть ещё ряд тонкостей, но для базового понимания этого более чем достаточно. Благодаря своей распространённости, данный интерфейс так или иначе вклинивается в работу других интерфейсов на ЛА.

ARINC 717

Таким примером интерфейса, который связан с ARINC 429, является интерфейс для разработки и установки системы сбора и регистрации. Все же слышали о чёрном ящике на самолётах? Если нет, то кратко введём вас в курс дела. Чёрный ящик – обывательское название бортового накопителя (самописца), который служит для записи различной информации во время полёта, такую как разговоры пилотов, звуки в кабине, показания приборов, радиопередачи. И если случается авиакрушение, какой-нибудь «жёсткий глюк» в полёте, тогда расследование произошедшего производят с помощью дешифровки данных именно с этого устройства. Его вид представлен на рисунке ниже.

Так вот, данные из чёрного ящика возможно достать только с помощью ARINC 717, а вот принимать он может данные для записи, используя ARINC 429, аналоговые сигналы и другие, которые устанавливает стандарт ARINC 717. Чёрный ящик, принимая на вход параметры воздушного судна, преобразует их в 12-разрядную цифровую форму, проще говоря, слова бортового самописца состоят из 12 бит. Биты слова пронумерованы от 1 до 12, начиная с начала слова. Бит 1 передается первым. Бит 12 передается последним. Структура слова приведена на рисунке.

Основные данные организованы в «кадр», который повторяется каждые 4 секунды, согласно стандарту, но современные регистраторы уже имеют более высокую скорость передачи, так что полный объём кадра передаётся за 1 секунду. Каждый кадр состоит из 4 «подкадров». Каждый подкадр состоит из 64, 128, 256 или 512 12-битных слов в зависимости от скорости передачи данных, указанной для системы. Подкадры пронумерованы от 1 до 4, начиная с первого. Структура кадра приведена на рисунке ниже, в нём подкадры состоят из 128 слов.

Первое слово в каждом подкадре называется синхрословом, оно обеспечивает шаблон синхронизации кадров. Этот шаблон состоит из различных конфигураций кода Баркера и включает в себя идентификацию каждого подкадра.

ARINC 646 (Ethernet)

Что в нашей статье делает Ethernet? Можете задать этот вопрос, если интересовались работой локальных сетей самых обыкновенных компьютеров. Технология Ethernet очень распространена, доступно большое количество коммерческих компонентов, которые могут быть применены на ЛА, если их как следует защитить и сертифицировать.

В авиации впервые сеть Ethernet была применена на самолете Boeing 777. Там сеть использовалась только для передачи некритических данных – в системе развлечения пассажиров, на стоянке и т.п. На такую сеть впоследствии был выпущен стандарт ARINC 646 Ethernet Local Area Network.

Так как ARINC 646 построен на стандарте для локальных сетей, то неудивительно, что он обеспечивает двустороннюю связь между оборудованием. Если на борту многие участники систем ЛА используют Ethernet, тогда для удобства передачи информации используют коммутаторы, т.е. устройства, которые обеспечивают передачу информации в локальной сети, которая без изменений и “поломок” быстро дойдёт от источника до потребителя по самому короткому маршруту из возможных. Например, вместо того, чтобы данным пройти через 2-3 и более участников сети с целью просто быть доставленным потребителю, они просто пройдут через коммутатор прямо к своему потребителю. В случае, когда «общается» всего два объекта, тогда он не требуется. Схематичный вид взаимодействия представлен на рисунке.

По сравнению с ARINC 429 применение Ethernet даёт следующие преимущества:

• увеличивается пропускная способность;

• повышается гибкость в архитектуре авионики;

• уменьшается количество проводов.

Но и недостатки у неё имеются:

• снижение реальной скорости передачи данных в сильно загруженной сети, вплоть до её полной остановки, из-за конфликтов в среде передачи данных.

• трудности поиска неисправностей: при обрыве кабеля отказывает весь сегмент ЛВС, и локализовать неисправный узел или участок сети достаточно сложно.

Увеличение пропускной способности позволит удовлетворить все возрастающие требования со стороны бортовых систем. Данные, которыми обмениваются системы, больше не ограничиваются отдельными параметрами. Теперь это может быть рельеф пролетаемого участка местности, или схема аэродрома, или карта погоды. Авиация движется от передачи данных, требующих низкой пропускной способности системы связи, к передаче информации, объемы которой измеряются гигабайтами и требуют поэтому высокой пропускной способности.

ARINC 646 основан на методах произвольного доступа к физическим носителям. Он определяет то, как узел локальной сети получит доступ к передаче информации по кабелю. В нашем случае узлом сети мы считаем какой-либо прибор в составе воздушного судна, который общается с помощью этого интерфейса. Сначала устройство «отслеживает», нет ли в кабеле передачи, потом «принимает решение» о передаче. Если более одного устройства примет такое решение, тогда все, кто используют ARINC 646, должны обнаружить это, остановить свои передачи, использовать тайм-аут и повторить попытку.

Передача информации происходит кадрами, которые состоят из ряда элементов:

1. Преамбула – обеспечивает постоянную и устойчивую синхронизацию физических сигналов с принятым кадром;

2. Разделитель (признак) начального кадра – фиксированная последовательность битов, которая указывает на начало кадра;

3. Адрес приёмника – первый бит определяет, это индивидуальный адрес приёмника или адрес группы приёмников;

4. Адрес источника;

5. Длина/тип кадра – при использовании в системе, совместной с OSI (длина) [The Open Systems Interconnection model, модель взаимосвязи открытых систем], это значение в размере 16 битов, которое указывает сколько таких 16 битов находится в поле данных. Для обеспечения минимального времени распространения и обнаружения столкновений существует какое-то необходимое число таких 16-битных слов. Если длина кадра меньше необходимого, к полю данных добавляются неинформационные добавочные биты, чтобы дополнить его размер до необходимого. В системе несовместимой с OSI (тип кадра) это значение может использоваться в соответствии с требованиями соответствующих протоколов более высокого уровня для того, чтобы было возможно различить последующие блоки информации;

6. Пользовательские данные и pad (те самые неинформативные добавочные биты) – пользовательские данные представлены в виде 8-битных последовательностей;

7. Проверка последовательности кадров (FCS) – Поле FCS содержит 32-разрядное значение кода CRC (cyclic redundancy code, циклический избыточный код) для циклической проверки избыточности. Алгоритмы передачи и приёма построены таким образом, чтобы получать необходимые CRC для сравнения. (AIRLINES ELECTRONIC ENGINEERING COMMITTEE , 1995)

ARINC 646 может обеспечивать следующие основные действия и ответы:

1. Отложить – источник исправен, идёт передача данных в кабеле / минимальный промежуток времени между пакетами данных;

2. Передача – если не поступил сигнал об отложении, тогда данные будут безостановочно передаваться до тех пор, пока не закончатся или не произойдёт «столкновение» с иными данными;

3. Прерывание – при обнаружении «столкновения» источник прекращает передачу кадров и передаёт сигнал о подавлении помех, чтобы проинформировать других участников сети о том, что произошло «столкновение»;

4. Повторная передача – каждый участник после «столкновения» ждёт определённое количество времени, после чего пробует повторную передачу кадров;

5. Задержка – величина задержки после обнаружения «столкновения» для n-ой попытки повторной передачи.

Теперь вы знаете немного больше о «magic», которая происходит, чтобы огромные и не очень «железки» могли успешно работать и выполнять свои задачи. В этой статье мы рассмотрели основные принципы работы трёх интерфейсов оборудования на борту летательных аппаратов. Однако технологии постоянно развиваются, появляются разнообразные требования к передаче информации, и в следующих статьях мы рассмотрим другие интерфейсы.

Переходите на наш телеграм-канал.