Tecnología Electrónica 3º Ingeniero Aeronáutico Características generales de un bus de datos de aviónica Dra. Mª Ángeles Martín Prats Curso 2010/2011
Objetivos Estudiar las características generales de un bus de datos de aviónica. Buses ARINC 429
Reseña a histórica 1950-1960:: conexiones entre los sistemas reducidas al mínimo m dado su elevado grado de complejidad y coste La mayoría a de las gestiones de comandos se realizaban de manera mecánica. Años 70: : las aplicaciones informáticas en la aviónica se multiplican hasta llegar a la instrumentación n y sistemas modernos, tanto de control como de telecomunicación. n. Necesidad de desarrollar buses de datos aviónicos nicos. Estandarización: n: Objetivo: reducir costes y tiempos de desarrollo, debido al rápido r crecimiento de las funciones y complejidad en los sistemas, que en la actualidad son versátiles, flexibles y de bajo coste gracias a los sistemas microprocesadores. Surge nueva tendencia: la aviónica modular integrada
Reseña a histórica Aparece nueva tecnología a para aviación n civil tras II GM Surge necesidad de regulación: adquiere importancia la empresa ARINC (Aeronautical Radio Incorporated) Se establecen estándares en tecnología a de aviación n civil y militar Estándares aplicados originalmente en EEUU, pero que se utilizan después s en todo el mundo Sector de la aviónica muy controlado por los estándares hasta que se liberaliza en 1978 Después s de 1978, sin embargo, se han seguido usando los estándares ARINC
Buses de datos de los Sistemas aviónicos digitales Aumento del número de sistemas y componentes digitales instalados en las aeronaves modernas Necesidad de reducir el cableado Han generado el desarrollo y empleo de nuevas vías de transmisión de datos: Buses aviónicos
Introducción Necesidad de transferir datos entre los distintos sistemas que integran un avión Reducir complejidad del cableado, de los conectores, del mantenimiento Mejorar la fiabilidad Reducir el peso del avión.
Bus de datos: Proporciona un medio para el intercambio de datos y de información entre distintos sistemas, a través de un mismo cable. Multiplexación y demultiplexación de datos.
Buses de datos Los sistemas de a bordo de un avión n procesan y transmiten información: n: Proceso de captura, transmisión n y almacenamiento de datos de vuelo redes Estas redes reciben el nombre de buses de datos y siguen las normas ARINC Necesidad de aumentar la versatilidad de un sistema una modificación n de las especificaciones no implica el cambio de ningún n elemento físico. f
Se pretenden sondear datos de los sistemas del avión. Sistemas de aviónica (Altímetro, Horizonte Artificial, Sistemas de Localización, Emisoras, ) Tanques de fuel. Presión de los neumáticos. Interesa usar protocolos: Flexibles. Sencillos. Compactos. Eficientes. El sistema debe presentar una topología sencilla, de gran seguridad y redundancia.
Introducción Se puede añadir en cualquier instante un elemento al sistema con sólo conectarlo a los buses: arquitectura abierta. Si no hubiera buses se limitaría el número de dispositivos conectados a la CPU. Sistema microprocesador: CPU único maestro. Los dispositivos de memoria y periféricos funcionan como esclavos.
El bus de datos es utilizado como líneas de salida y/o como camino de entrada por la CPU según sea la operación. Los buses que comunican la CPU con el exterior son tres : -Bus de control -Bus de datos -Bus de direcciones Los módulos o dispositivos de aviónica conectados al bus pueden seleccionar y adquirir las señales que necesitan para sus funciones operativas. Arquitectura abierta
Requisitos necesarios en el diseño del bus de datos Evitar conflictos en la conexión de los dispositivos al bus de datos: cortocircuito en orden de lectura. Respetar los tiempos de acceso de los diferentes dispositivos del sistema: fiabilidad de comunicación entre la CPU y sus periféricos. Los buses se diferencian por sus protocolos de arbitraje. Técnicas de detección y corrección del error propio de cada uno de los buses.
Clasificación Atendiendo a: la naturaleza del soporte de la transmisión la topología de la red. la capacidad de tráfico soportado. su nivel de relación (conexión), protocolos de arbitraje y las detecciones y correcciones de errores
Descripción n básica b arquitecturas Los buses de datos aeronáuticos nacen de la necesidad de comunicación de los distintos equipos, indicadores y controladores del avión. Este tipo de buses priorizan dos características principales: fiabilidad y velocidad de transmisión. Dos tipos de arquitectura: unidireccional y bidireccional.
Descripción n básica b arquitecturas Bus Unidireccional: un emisor y un cierto número de receptores conectados al cable del bus. Bus Bidireccional: cualquier usuario puede recibir datos y transmitir. En cada instante sólo está transmitiendo un emisor, mientras que el resto de los T-R permanecen a la escucha.
Diagrama de bloques de las arquitecturas T: transmisor R: receptor Bus unidireccional Bus bidireccional
Control de tráfico en el bus de datos Modelo centralizado: : existe un controlador del bus y todos los usuarios son dirigidos por él. Requiere redundancia de controlador. Modelo distributivo: : todos los usuarios de la red controlan su propio acceso.
BUSES UNIDIRECCIONALES Simple de diseñar. Robusto y tolerante a fallos. Ardua labor de cableado: caro y pesado. BUSES BIDIRECCIONALES Disminución n de peso. Reducción n de la labor de comprobación n de cableado. Complejidad: gran esfuerzo de ingeniería para Integración. n.
Transmisión síncrona y asíncrona Transmisión asíncrona: transmisión de datos de velocidades lentas. La coordinación entre el emisor y el receptor se hace sólo a nivel de carácter. Se conoce como transmisión Start / Stop. Transmisión síncrona: Se envía de una vez un bloque de caracteres estando exactamente en fase emisor y receptor, durante el tiempo que dura la transmisión. Cada carácter va seguido de otro carácter hasta completar un bloque. Dentro de un bloque los bits se transmiten a intervalos de tiempos iguales. Bloque de datos en transmisión síncrona: carácter de sincronismo, identificación del bloque, texto, carácter de fin de bloque y carácter de detección de error
Modos de explotación n del circuito de datos Simplex: Transmisión en un sólo sentido, sin posibilidad de hacerlo en el opuesto. Un solo transmisor y múltiples receptores Semiduplex: Transmisión alternativamente en uno u otro sentido, exigiendo un cierto tiempo para cada inversión. Duplex: Transmisión simultánea e independiente en ambos sentidos, o bien datos en uno y control de los mismos en el otro. Múltiples transmisores y múltiples receptores
BUS IEEE 488 (GPIB) IEEE 488 o GPIB (General Purpose Interface Bus) describe un interface estándar para comunicaciones entre instrumentos y controladores de varios distribuidores. El bus GPIB está constituido por un cable de 24 conductores que permiten a los diferentes aparatos de un sistema comunicarse entre ellos. Estos pueden estar conectados en estrella, en serie, o en combinaciones estrella-serie. Los datos que pueden transmitirse por este bus son de tipo digital.
Tendencia actual Equipo principal que controla todos los demás y recibe información de estos para procesarla y presentarla a la tripulación. Medios de transmisión: cableado y fibra óptica. Características que definen el funcionamiento del bus: Bus de control. La velocidad de transferencia de datos. Las estructuras de las palabras y los mensajes.
Ejemplos de buses empleados en la transmisión n de Datos en las aeronaves civiles: ARINC 419 ARINC 429 ARINC 561 ARINC 575 ARINC 568 ARINC 629
Aviones con ARINC 429 Familia Boeing: 727, 737, 747, 757 y 767
Aviones con ARINC 429 Airbus A-310, A-320, A A-330 A y A-340A
Aviones con ARINC 429 MD-11 Helicópteros Bell
Aplicaciones más m s importantes del ARINC 429 Comunicación de datos en Aeronáutica. Convertidor de serie a paralelo. Convertidor de paralelo a serie.
ARINC 429 Gran parte del equipamiento del avión relacionado con este bus. Los distintos equipamientos vienen identificados con números asignados digitales, llamados EQUIPMENT ID. Un bus de datos ARINC 429 usa señales para transmitir mensajes(32 Bits words). La transmisión secuencial de palabras están separadas por Bits Times NULL (0 voltios). Esto elimina la necesidad de separar los mensajes con una señal de reloj.
ARINC 429 Transmisión de 10+/-1 V de diferencia de las señales, siendo tanto negativas como positivas: conocido como modulación Bipolar return-to-zero BPRZ. La señal puede estar entre uno de estos tres niveles: 1) HI, la diferencia entre los dos cables es de entre 7,5V y 11V. 2) NULL, cuando la diferencia es de 0,5V y -0,5V 3) LO, la diferencia es de entre -7,25 y - 11V. El voltaje recibido depende de la longitud de línea y del número de receptores conectados al bus. Máximo 20 receptores. Los circuitos de transmisión y de recepción se deben diseñar para enviar y detectar la transición nula entre los estados altos y bajos.
Descripción n Bus ARINC 429 Para transmitir se usa una señal binaria RZ: Dos velocidades de transmisión: 12.5 Kbits/s y 100 Kbits/s
Arquitectura Los equipos pueden ser: - Transmisores - Receptores - Transmisores / Receptores Todos los datos son transmitidos por un par de cables trenzados y en una sola dirección.
Características Medio de transmisión: par de cables trenzados de 78 Ω. Este trenzado se tiene que poner a tierra en ambos extremos. Un transmisor es capaz de soportar una carga máxima de 400 Ω. Un receptor debe tener como entrada efectiva mínima una impedancia de 8 k Ω. El transmisor debe tener una impedancia de salida continua de 75 +- 5 Ω balanceada entre los cables del par trenzado. La resistencia de entrada diferencial del receptor y la resistencia a tierra no debe ser inferior a 12.000 Ω, con una impedancia total de entrada no inferior a 8.000 Ω. La capacidad de entrada diferencial no debe ser mayor de 50 Ω.
Descripción n Bus ARINC 429 -Se trata de un Bus Unidireccional de baja velocidad. -El medio físico es Par Trenzado Apantallado. - Impedancia de 78 Ohmios.
Bus de datos y formato de codificación
Descripción n Bus ARINC 429 -Palabras de 32 bits: -Se pueden distinguir 5 campos distintos en cada palabra: Bit de Paridad SSM Datos SDI Etiqueta
ARINC 429 Formato de palabra de 32 bits Paridad Signo + Estado Datos SDI: Identificación origen / receptor Etiqueta identificadora de la información Desventaja: Mucho cableado Sistema caro y pesado
Formatos de palabra y mensaje Emplea modulación bipolar de retorno a cero, RZ. El elemento básico de información: palabra digital de 32 bits. Cada palabra contiene 5 campos: Etiqueta ( Label ): bits 1 a 8. El contenido se suele expresar como un número octal y puede tener diferente significado según la aplicación. Identificador de origen/destino ( SDI ): bits 9 y 10 Dato ( Data Field ): bits 11 a 29 Los formatos de datos comunes son el Binary Coded Decimal (BCD) y el binary encoding (BNR). También podemos encontrarnos un formato mixto de los anteriores. Matriz de Signo/ Estado ( SSM ): bits 30 y 31 0 0 Failure warning 1 0 No computed data 0 1 Functional Test 1 1 Normal operation Paridad ( Parity ): bit 32 (En ARINC 429 bit de imparidad: 1 lógico)
ARINC 429 Circuito típico para la formación de palabras ARINC 429: Subrutina en el sistema transmisor
Decodificación n de palabra ARINC 429
Descripción n bus ARINC 429 - En la especificación del ARINC 429 se incluye una lista de etiquetas para cada equipo y según el avión.
Tipos de datos BCD Breve explicación n teórica. Codificación n en ARINC. Ejemplo de formato de palabra BCD
Tipos de datos BNR Explicación n teórica. (complemento a dos) Localización n de las cifras significativas en ARINC.
Tipos de datos Formatos mixtos Otros formatos Formatos discretos
Información n discreta
Ejemplos de etiquetas BCD Ejemplos de etiquetas BNR