Модулі COM Express підвищують надійність і захищеність спеціальної авіоніки

27.08.2016

Модулі COM Express підвищують надійність і захищеність спеціальної авіоніки

Сучасні авіаційні системи і платформи стрімко розвиваються. І пов’язано це, зокрема, з тим, що на безпілотні літальні апарати покладається виконання все більшої кількості найважливіших завдань, пов’язаних з наглядом за навколишнім оточенням і забезпеченням безпеки. Тому необхідні високопродуктивні малогабаритні системні платформи, за допомогою яких можливий збір величезної кількості розвідувальних даних в реальному часі і досягнення поліпшеної ситуаційної обізнаності.

Здатність відповідати сучасним вимогам в частині продуктивності обробки графічної інформації, низького енергоспоживання і високонадійної роботи в жорстких умовах експлуатації, забезпечуючи при цьому економічно ефективний перехід на нові технології в міру розвитку додатків авіоніки, доводять «комп’ютери-на-модулі» (Computer-on-Module – COM) на базі технології COM Express.

Технології створення бортовий авіаційної електроніки продовжують стрімко розвиватися, завдяки чому бортове радіоелектронне обладнання стає все більш складним і при цьому більш захищеним і надійним. В одному літаку поміщаються буквально сотні таких систем, що дозволяє створювати відповідальні додатки, наприклад збір і колективне використання відеоінформації і даних від сенсорів, підвищуючи обізнаність про поточну ситуацію і дозволяючи керівництву приймати правильні рішення. У таких додатках все більш важлива роль відводиться захищеним малогабаритним системам, оскільки армійське керівництво все в більшій мірі віддає перевагу доручати виконання завдань спостереження і розвідки безпілотним літальним апаратам або приладів.

Але, незважаючи на постійний розвиток технологій (удосконалюються можливості зв’язку, навігації, управління зброєю і т. П.), Проблема обмеженості фізичного простору в летальному апараті залишається актуальною. Проектувальникам бортової електроніки доводиться враховувати такі характеристики:

  • розмір;
  • вага і енергоспоживання (size, weight and power – параметр SWaP);
  • стійкість до ударів і вібрації;
  • температурні вимоги і висота польоту

оскільки спектр літальних апаратів (ЛА) спеціального призначення досить широкий – це пілотовані і безпілотні ЛА з немислимим перш різноманітністю завдань і корисного навантаження.

Відповідати всім цим суворим вимогам повинні бортові вбудовуються комп’ютерні системи високої готовності, які не потребують великих витрат на їх впровадження та функціонування. Для подібного типу обладнання оптимально підходять такі малогабаритні платформи, як «комп’ютери-на-модулі» (COM-модулі), в яких захищеність від впливу жорстких факторів навколишнього середовища і розширені температурні можливості поєднуються з малогабаритним портативним дизайном і енергоефективністю.

Захищені комп’ютери-на-модулі в стандарті COM Express, який підтримується консорціумом PICMG (PCI Industrial Computer Manufacturer Group), – ідеальний вибір для створення мережевих додатків ЛА на базі серійно-випускаються (COTS) модулів. Авіаційна електроніка, з накладаються на неї вкрай жорсткими кліматичними обмеженнями, особливо виграє від обчислювальної потужності і надійних характеристик, якими володіють ці компактні компоненти.

Оптимальний SWAP-параметр – в малих обсягах

Багато безпілотні системи знаходять застосування в вигляді літальних апаратів обмежених розмірів або портативних / мобільних пристроїв, які запускаються індивідуально бійцями. Для високонадійних високопродуктивних додатків такого типу добре підходять COM-модулі в стандарті COM Express, оскільки це майже повністю зібрані комп’ютери, змонтовані на платах-носіях, і можуть виступати в ролі готових для конкретного застосування платформ.

У стандарті COM Express передбачений мінімальний формфактор COM-модулів, який відмінно підходить для застосування в бортових системах з точки зору параметра SWAP; крім того, в них закладені опції настройки введення-виведення сигналів. Це формфактор mini – найменший з передбачених в даному стандарті. За розмірами він порівнянний з кредитною карткою (55 мм × 84 мм) і при цьому дозволяє «упакувати» в невеликому просторі відмінні робочі характеристики.

Завдяки максимально низькою розсіюваною потужності і малому формату, COM-модулі формату mini добре підходять для мобільних додатків на батарейках. І коштувати ці додатки будуть недорого. Завдяки широкому спектру живлячих напруг (від 5 до 14 В), COM-модулі формату mini ідеально підходять для створення малогабаритної авіоніки, особливо якщо враховувати їх можливість роботи в екстремальних кліматичних умовах і витримувати температури від -40 до +85 ° C.

Початок COM-модулів свого часу поклав легендарний формфактор ETX, визнаними послідовниками якого стали формати COM Express basic (95 мм × 125 мм) і compact (95 мм × 95 мм). Формат compact ідеально підходить для відповідальних бортових або мобільних додатків; інтерфейси, місця установки роз’ємів і схеми розташування їх контактів на 100% сумісні з форматом basic і підтримують широкий спектр вхідних напруг – від 8,5 до 18 В. Сполучні отвори і методи охолодження однакові, що гарантує просту взаємозамінність цих комп’ютерів-на-модулі на платі-носієві. Таким чином, забезпечується гнучкий підхід до проектування і можливість постійного поліпшення робочих характеристик створюваних додатків.

У всіх COM-модулях можуть використовуватися найсучасніші процесори на базі архітектури x86, забезпечуючи такі графічні та обчислювальні можливості, для реалізації яких раніше було потрібно кілька плат. Модулі COM Express встановлюються на плату-носій, яка містить всі інтерфейси введення-виведення і спеціалізовані схемні елементи, необхідні для конкретного авіаційного додатки, утворюючи стандартизовану високопродуктивну малогабаритну систему з низьким енергоспоживанням. Завдяки широкій ринкової підтримки, проектувати такі системи просто. Якщо в майбутньому з’явиться необхідність замінити модулі на більш нові, у розробників є доступ до добре склалася екосистемі відповідних ресурсів.

Гнучкість введення-виведення і межсоединений розширюють можливості проектування авіаційних систем

При створенні стандарту COM Express консорціум PICMG передбачив різні схеми розподілу контактних висновків одного або двох 220-контактних роз’ємів. Таке розташування роз’ємів гарантує максимально просту взаємозамінність модулів всіх трьох форматів; самі ж роз’єми стійкі до ударів і вібрацій і забезпечують найвищу пропускну здатність при високошвидкісних передачах даних.

Завдяки комп’ютерам-на-модулі COM, які забезпечують передачу сигналів вводу-виводу від відповідних чіпсетів до плати-носія через зміцнені коннектори, у розробників систем з’являються гнучкі можливості їх проектування. Комерційно доступна широка комбінація інтерфейсів вводу-виводу, їх потрібно лише ввести в конструкцію за допомогою спеціалізованої для конкретного додатка плати-носія. На ринку є COM-модулі з портами LAN, SATA, відео, аудіо, варіантами USB і PCI Express – всі вони доступні і вибираються лише в залежності від вимог, які пред’являються до створюваної кінцевої прикладної системі.

Крім того, в COM-модулях об’єднується відеообробка і візуалізація відеоданих, що дуже важливо для додатків з інтенсивною обробкою графіки, які характерні для бортових авіаційних систем. У стандарті COM Express враховані цілком можливі потреби довготривалої підтримки відео на апаратному рівні в рамках чіпсета (native support), до якого передбачений доступ через стандартний коннектор для інтерфейсів VGA, LVDS, SDVO, а тепер DisplayРort, DVI і HDMI. При цьому зникає необхідність в додаванні відеокарт, що могло б знадобитися при використанні інших платформ, або в перерозподілі процесорних ресурсів, доступ до яких вже обмежений з боку чіпсета і пам’яті.

Крім того, COM Express – це перший незалежний стандарт на модулі, створений з урахуванням передових інтерфейсів типу USB 3.0. Завдяки новим схемам розподілу контактів роз’єму Type 6 і Type 10 забезпечується довготривалий захист інвестицій у впровадження нових систем. Тепер у технології COM Express є можливість взяти під своє крило майбутні розробки, зберігаючи при цьому концепцію роз’ємів, загальні технологічні принципи і максимальну зворотну сумісність з усталеними контактними схемами Type 1 і Type 2.

Контактна схема Type 6 заснована на схемі Type 2, найбільш широко прийнятої в даний час, різниця полягає в тому, що контакти, виділені в схемі Type 2 для сигналів PCI, в схемі Type 6 підтримують цифровий відеоінтерфейс і додаткові лінії PCI Express. Це дозволяє створювати більш продуктивні пристрою в порівнянні з тими, у яких використовувалися більш ранні опції роз’ємів, і удосконалювати графічні архітектури четвертого покоління, які часто використовувалися в передових відеододаток, таких як завдання спостереження для так званої ситуаційної обізнаності.

Крім того, в контактній схемі Type 6 передбачені потреби майбутніх проектів; контакти, виділені раніше для інтерфейсу IDE (в схемі Type 2) тепер зарезервовані для тих інтерфейсів, які поки ще розробляються. Завдяки цьому проектувальники нових систем мають більше можливостей щодо включення більш широкого вибору власних (native) дисплейних опцій і більш високої пропускної здатності, ніж це було можливо раніше. Підтримка власних дисплейних опцій для новітніх інтерфейсів спрощує також процес проектування плати-носія, в результаті чого авіаційні і спеціальні додатки з інтенсивною графічної обробкою швидше виходять на ринок, а показник TCO – сукупна вартість володіння – знижується.

Підтримка в контактній схемі Type 6 технології PCI Express досить розвинена, розрахована на перспективу і відображає тенденцію переходу від успадкованих паралельних інтерфейсів до повного використання послідовних інтерфейсів передачі даних при проектуванні вбудованих систем. Це дасть більш високу пропускну здатність і менші часи затримок. Розробники систем спеціального призначення можуть поступово переходити до наступних поколінь пристроїв, використовуючи більш швидкі дисководи і периферійні пристрої, що дуже важливо при впровадженні авіаційних систем з тривалим терміном служби.

Підвищена надійність для спецсістем

Крім усього вищесказаного, бувають COM-модулі для роботи в розширеному діапазоні температур – або спроектовані для цих цілей спочатку (by design), або реконструйовані і пройшли випробування на функціонування в розширеному температурному діапазоні. Для систем спеціального / авіаційного або промислового призначення це зазвичай температури від -40 до +85 ° C, деякі компоненти можуть бути з підмножини для роботи в промисловому температурному діапазоні від -25 до +75 ° C. Постачальники спеціалізованих (by design) COM-модулів (див. Малюнок) пропонують тестувати закінчені системи та окремі компоненти на стійкість при роботі в конкретних кліматичних умовах, що істотно важливо для сверхкомпактной високопродуктивної відповідальної авіоніки.

компьютер-на-модуле kontron

«Комп’ютер на модулі» Kontron COMe-bIP6XT на базі стандарту COM Express c контактної схемою роз’ємів Type 6. У ньому передбачено підключення трьох незалежних дисплеїв з інтегрованим графічним процесором GMA, швидке відключення і робота в розширеному діапазоні температур від -40 до +85 ° C

Для спеціальної авіоніки нового покоління потрібно широка смуга пропускання, висока продуктивність і низька розсіює потужність в обсязі герметизованого корпусу. Для систем такого типу добре підходить високопродуктивний вбудований комп’ютер COBALT (Computer Brick Alternative) компанії Kontron. Це безвентиляторна, малогабаритна (8,5 дюйм (ширина) × 7,0 дюйм (глибина) × 3,4 дюйм (висота)), герметично закрита система з ефективним управлінням температурним режимом. Вона важить менше 7 фунтів.

У розпорядженні розробників є цілий спектр гнучких опцій. Залежно від вимог конкретного застосування вони можуть масштабувати продуктивність комп’ютерних обчислень – від реалізацій на базі малопотребляющего процесора Intel Atom до потужних систем на базі Intel Dual Core i7. Діапазон робочих температур від -40 до +71 ° C сумісний з вимогами, що пред’являються до всього спектру безпілотних літаючих апаратів (БПЛА) і військових літаків.

COM Express і авіоніка

Найбільші труднощі для розробників високонадійних систем, призначених для роботи в розширених температурних діапазонах, пов’язані з проектуванням складної Авіаелектроніка. Це системи, які постійно перебувають під впливом екстремальних зовнішніх і внутрішніх умов, таких як широкий розкид температур, низько / високотемпературний запуск, вологість, пил та інші умови, які можуть серйозно вплинути на технічні характеристики системи. З ускладненням авіаційної електроніки, наприклад зі збільшенням кількості відеокамер та датчиків в системах спостереження або з розширенням номенклатури бортового обладнання, серед якого можуть бути і роботи, ці суворі вимоги будуть ще більш посилюватися.

Просто збільшувати кількість обладнання на БПЛА не має сенсу, оскільки потреба в більш розвинених можливості датчиків або в гнучкою заміні або відновленні матриць спеціалізованих датчиків продовжує бути актуальною. Тому все більш зростає потреба в компактній високопродуктивної модульною системою на основі відкритих стандартів і створюється основа для виходу на сцену довів свою спроможність стандарту на малогабаритні формати модулів типу COM Express.

Завдяки ефективним принцип роботи даного продукту і продуктивності модулів COM Express, які стимулюють OEM-виробників постійно вдосконалювати свої пристрої і додатки, на перше місце при проектуванні виходять питання надійності і гнучкості. В основі масштабування систем лежать можливості сьогоднішніх напівпровідникових пристроїв, плюс до цього використовується логіка взаємодії компонентів на рівні плати і такі корисні речі, як уже готові до застосування драйвери, які є на ринку.

Проектувальники систем можуть слідувати одним і тим же контактним схемам і розташуванню роз’ємів, при цьому забезпечується можливість поступового збільшення ефективності створюваної системи з кожною появою нового покоління COM-модулів – будуть масштабироваться можливості по енергоспоживанню, продуктивність, температурні характеристики і параметри обробки графіки. В результаті будуть з’являтися оптимальні платформи для авіаційних програм.

Р. Д. Мак-Ларен (RJ McLaren), Kontron

За матеріалами Kontron і RTSoft

Статьи

30.04.2018

Ринок індустрії 4.0, Internet of Things (IoT) і Industrial Internet of Things (IIoT) буде продовжувати розвиватися в 2018 році, як прогнозують аналітики ринку галузевої (читать далее)

27.04.2018

Всесвітня торгова ярмарка Embedded World відбулася в 15-й раз з 27 лютого по 1 березня 2018 року в Нюрнберзі. Як завжди, не обійшлося без (читать далее)