Zastosowanie redundantnego I2C w awionice statków kosmicznych

10

Niedawno przeczytałem ten raport na temat projektu rozwoju awioniki JPL x2000, w ramach którego opracowano bardziej modułową platformę awioniki przy użyciu komercyjnego krzemu, aby obniżyć koszty i moc. Zdecydowali się na architekturę dwóch redundantnych protokołów łączących całą elektronikę w statku kosmicznym. Szybka magistrala 1394 jest używana do dużych danych, natomiast magistrala I2C (przy 100 kHz) jest używana do kontroli niskiej przepustowości. Jest to skonfigurowane jako magistrala multi-master, w której każdy węzeł może komunikować się ze sobą.

Nie używałem I2C do więcej niż pojedynczych czujników, ale z tego, co rozumiem, istnieją poważne ograniczenia odległości. W statku kosmicznym mogą znajdować się wiązki przewodów o znacznej długości.

Oprócz dwóch redundantnych magistral I2C, każde urządzenie ma niestandardowy układ ASIC, który zapewnia izolację między magistralą a głównym układem, pokazanym tu  i tutaj . Czy ten czip może też zapewnia jakiś rodzaj warunkowania?

Czy ktoś może wyjaśnić, dlaczego mógł zdecydować się na użycie protokołu zaprojektowanego do komunikacji w obrębie jednej płytki PCB do komunikacji w dużym pojeździe?

Wiem, że prawdopodobnie nie ma jednej konkretnej odpowiedzi, ale chciałbym dowiedzieć się, jakie czynniki wpływają na taki wybór.

Tim Vrakas
źródło
3
Tak jak ty jestem zaskoczony tym wyborem. Sam miałem trudności z długimi autobusami I2C: wspomnienia o przerośniętym autobusie I2C .
Nick Alexeev
4
Chodzi o ładowanie pojemnościowe i szybkość zegara. Istnieje wiele sposobów rozszerzenia zakresu I2C, oto jedna uwaga dotycząca aplikacji, która może ci pomóc: maximintegrated.com/en/app-notes/index.mvp/id/6208 Wysiłki NASA zmniejszyły częstotliwość taktowania do 100 kHz, a ja widziałem udane implementacje długich przewodów tak niskie, jak 10 kHz. Największym problemem związanym z niską częstotliwością zegara jest utrzymanie kompatybilności SMBUS, jeśli jest to wymagane. Może to również pomóc: nxp.com/docs/en/application-note/AN10658.pdf
Jack Creasey
2
@Bruce Z mojego doświadczenia wynika, że ​​znaczna długość magistrali I2C zaczyna się, powiedzmy, na 1 metrze. W tym miejscu pojemność magistrali i odbiór zakłóceń mogą stać się problemem. Pojemność i zakłócenia można oczywiście złagodzić za pomocą buforów i ekranowania. Zanim zacznie się rozważać wielokrotne łagodzenie, zaczyna się też zastanawiać: „Dlaczego rozciągamy I2C poza jego przeznaczenie? Dlaczego nie używamy magistrali komunikacyjnej przeznaczonej dla naszego rodzaju zasięgu?”
Nick Alexeev
2
electronics.stackexchange.com/questions/106265/... „Przy 100 kHz, z dobrym protokołem odzyskiwania po błędach, można łatwo dotrzeć do 25 m za pomocą podstawowych przewodów. Udało nam się nawet osiągnąć 100 m za pomocą kabla CAT5”
Bruce Abbott
2
Pracowałem na sprzęcie lotniczym (głównie układ PCB), jestem zaskoczony, że I2C został wybrany powyżej RS-485, który ma zarówno lepsze tłumienie szumów, jak i obsługę długiego drutu. Wydaje mi się, że aspekt multi-master był ważniejszy. 485 potrzebuje więcej elementów pomocniczych. I2C to jednak królewska PITA, nie złapiesz mnie na rakiecie kosmicznej, która używa I2C do uruchomienia ekspresu do kawy, nie mówiąc już o ważnych rzeczach :)
Wossname,

Odpowiedzi:

1

Tak, istnieje ograniczenie długości w I2C, ale myślę, że to, co zamierzają to zrobić, to komunikować się z innymi układami scalonymi na tej samej płycie lub tablicach znajdujących się w tym samym podsystemie, zamiast myśleć o komunikacji z czujnikami rozmieszczonymi wokół statku kosmicznego i innego statku kosmicznego powiązane systemy. Obecnie większość układów scalonych będzie zawierać I2C, podczas gdy prędkości transmisji i odległość mogą być postrzegane jako ograniczenia, w przypadku komunikacji na pokładzie z innymi układami scalonymi zapewnia niezwykle niezawodną metodę przesyłania i kontroli danych. Układy scalone, takie jak funkcje zarządzania energią (PMIC), pokładowe czujniki temperatury, akcelerometry oparte na MEMS i żyroskopy, żeby wymienić tylko kilka, I2C jest opłacalnym konkurentem.

Robert H.
źródło
Na początku miałem te same myśli, ale później przyjrzałem się schematowi blokowemu na str. 5. Jedna z magistral I2C [na schemacie blokowym jest więcej niż jedna] działa równolegle z magistralą 1394,
Nick Alexeev
Mają redundancję @NickAlexeev
Tony Stewart Sunnyskyguy EE75
-1
  • Nie został zaprojektowany do jednego punktu końcowego na płytce drukowanej, ale raczej do wielu punktów wielopunktowych w krótkim maks. 400pF linku. Który może do 15 m bez buforów lub repeaterów za pomocą przełączników.
  • I2C byłby przeznaczony do czujników o małej przepustowości na krótkich dystansach (kilka m), a także do szybkiego łącza IEEE 1394 do komunikacji na większe odległości

Udoskonalenia z raportu **

  • Obie magistrale są wielostanowiskowe i dlatego obsługują symetryczne skalowalne i rozproszone architektury.
  • Warstwa protokołu jest dodawana do magistrali I2C. Ten protokół zawiera liczbę bajtów po adresie i dwa bajty CRC po danych. Projekt X2000 wykorzystuje również specjalne komendy komunikatów sprzętowych do sterowania funkcjami krytycznymi. W przypadku tych wiadomości wysyłane jest polecenie, a następnie jego uzupełnienie, aby zapewnić jeszcze jedną warstwę ochrony.

  • W warunkach katastrofalnych awarii, takich jak awaria zasilania magistrali, oba zestawy magistrali COTS mogą zawieść, powodując utratę całej komunikacji między węzłami. Aby ponownie nawiązać komunikację, każdy węzeł może wykonać rozproszoną procedurę odzyskiwania, która składa się z sekwencji działań włączania / wyłączania łącza.

  • ponieważ przyczyną katastrofalnej awarii może nie być system awioniki, nie ma gwarancji, że procedura odzyskiwania rozproszonego zakończy się powodzeniem. Dlatego takie podejście jest tylko ostatnim wyjściem na ratunek statku kosmicznego.

Opinia

  • Ostatni punkt oznacza sterownik magistrali i kabel. Nie dziwię się, że autor nie wspomniał o żadnych tematach związanych z „Integralnością sygnału”, takich jak wybór kabli EMI w przestrzeni i promieniowaniu, czy BER kontra poziomy odporności.
  • Myślę, że raport jest wadliwy z powodu tego tłumienia informacji na temat integralności sygnału i wskaźników błędów
  • cały raport omawia warstwy cyfrowe powyżej fizycznej warstwy 1 warstw OSI 7
  • Nie oznacza to jednak, że nie mieli oni ekspertów ani danych analogowych, po prostu ich tam nie zgłaszano.
  • Wybrali I2C w oparciu o koszty, dostępność COTS utwardzanych RAD i niską moc, więc jeśli dobrze poradziliby sobie z problemami z integralnością sygnału, nie musieliby tak bardzo polegać na solidnej konstrukcji redundantnej do wykrywania / korekcji / odzyskiwania błędów.
  • Istnieją niedopasowane metody terminacji, których mogą użyć sterowniki otwartego kolektora w celu zwiększenia marginesu sygnału, takie jak podciąganie źródła prądu zamiast pasywnego podciągania R.

Anegdota

To obszar, w którym wspierałem Burroughsa w połowie lat 80-tych, aktualizując ich korporacyjne standardy projektowania metod testowania EMC oraz specyfikacje poziomów akceptacji odporności na przewodzone szumy, wypromieniowane wyładowania elektrostatyczne, wypromieniowane fale radiowe RF, promieniowanie fal płaskich dla przemiatania fal radiowych z pól magnetycznych 100 kHz do pól promieniowanych x GHz przy bardzo wysokich natężeniach pola przy użyciu cewek magnetycznych ze wzmacniaczem montowanym w stojaku 1kW i dodekaedrycznej płaskiej antenie z optycznym sprzężeniem zwrotnym dla płaskiej odpowiedzi pola serwo E w celu weryfikacji błędów 0 bitów w 10 ^ 10 bitach.

NXP definiuje atrybuty tego dwuprzewodowego standardu o nazwie I2C w następujący sposób;

• Niezwykle niski pobór prądu
• Wysoka odporność na zakłócenia.
• Szeroki zakres napięcia zasilania.
• Szeroki zakres temperatur pracy.

Jest to jednak ograniczone przez pojemność kabla, a tym samym wybór i długość kabla, poziom pobliskich przejściowych wysokich prądów lub wysokie napięcie narastania napięcia, aktywny typ bufora CMOS typu 50 omów lub zakończenie źródła prądu i wiele odmian.

Specyfikacja NXP mówi, że nie ma problemu dla obciążenia od 100 kHz do 100pF, które może zwykle wynosić 20pF / ft w zależności od impedancji pary, a następnie przypisy do obsługi od 100pF do 400pF max dla 100Kbps.

Gdybym to był ja, wybrałbym skrętkę o najwyższej impedancji (240 ~ 300 +), a następnie zastosowałem odbiornik prądu stałego z zabezpieczeniem zatrzaskowym.

W każdym przypadku doświadczony inżynier projektujący linię przesyłową musi zaprojektować / przeprowadzić test warunków skrajnych i zweryfikować integralność sygnału dla tych połączeń krótkodystansowych.

Uzupełnienie

Studenci z Stanford Engineering opracowali ulepszenia do komunikacji kosmicznej, które obejmowały zegary Watch Dog Timery do ponownego włączenia zasilania i porty bitowe dla opcji odzyskiwania zmultipleksowanych w autobusie.

Opinia

Zinterpretowałbym, że głównymi problemami nie była „integralność sygnału” w bitowej stopie błędów, ale twarde awarie spowodowane impulsami promieniowania gamma, które mogą indukować zatrzaskiwanie nawet w dużych urządzeniach litograficznych CMOS z powodu wysokich natężeń pola V / um tych wysokiej energii impulsy. Ich metody odzyskiwania z mojego doświadczenia zostały poprawnie zaimplementowane z moich doświadczeń z 25kV ESD w Projekcie IDA w domu testowym MTS do wczesnych lat 80-tych

Anegdota

Projekt IDA był przedsięwzięciem badawczo-rozwojowym firmy Winnipeg Interdiscom Inc., w której uczestniczyłem w tworzeniu niestandardowej sieci szerokopasmowej ISDN z payTV, graficznymi danymi pogodowymi, opiniami, telefonią cyfrową, alarmami wstępnymi / alarmowymi, odczytem liczników, przewodową klawiaturą dla szybkich danych szeregowych i 2 cale łuków ESD od statycznych lamp próżniowych TV i palców do naszego dekodera w suchą zimę !! Był to pierwszy SCADA DS1 na dużą skalę (1,544 Mb / s) dwukierunkowy w paśmie radiowym do 100 domów na świecie, które pomyślnie przetestowano i dostarczono. Byłem odpowiedzialny za testy systemu, projektowanie i produkcję różnych urządzeń testujących BER oraz ogólny monitoring stanu sieci dwukierunkowej], a nasz zespół sprawił, że działało. Wszystkie te 100 domów miały wspólny 1 kabel koncentryczny i 2 RF dla topologii drzewa / magistrali TDM DS1.

Ostatecznie został sprzedany firmie, która była właścicielem Scientific Atlanta, Intellivision i kilku innych w Filadelfii.

Tony Stewart Sunnyskyguy EE75
źródło
Sądzę, że twój piąty przedmiot w Oppinion jest faktycznym powodem, dla którego NASA zaproponowała użycie I2C w ten sposób. Ten wybór budzi wątpliwości wśród reszty z nas, ponieważ nie wiemy, jakie typy COTS z jakiego rodzaju magistralami komunikacyjnymi są dostępne, czy nie.
Nick Alexeev
@NickAlexeev Po dostarczeniu firmie Honeywell wielu płyt głównych z awioniką, są one głównym dostawcą, ale autor nie musiał uzasadniać, że istnieje wiele wzmocnionych COTS RAD, ale jak większość decyzji ostatecznie opiera się na kosztach z odpowiednią niezawodnością
Tony Stewart Sunnyskyguy EE75