Reti di comunicazione (bus dati)

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1 Tecnologie dei sistemi di controllo per l Aeronautical Reti di comunicazione (bus dati) Gianantonio Magnani Molte immagini utilizzate nelle slide sono prese dai tutorial disponibili online sugli standard ARINC e MIL di

2 Architetture avioniche e bus dati Esempio Tripla ridondanza Flap Modulo gestione volo (FMM) MIL-STD 1553B Modulo controllo volo (FCM) Elevatore Timone... Display multifunzione Display multifunzione ARINC 429 MIL-STD 1553B (triplex)... GPS Radar Dati aria Motore (con ridondanze)

3 Comunicazioni digitali Funzioni di un sistema di comunicazioni digitali - Modello ISO/OSI) Applicazione 7 Presentazione 6 Sessione 5 Trasporto 4 Protocollo di livello 7 Protocollo di livello 6 Protocollo di livello 5 Protocollo di livello 4 Applicazione 7 Presentazione 6 Sessione 5 Trasporto 4 Rete 3 Protocollo di livello 3 Rete 3 Collegamento 2 Protocollo di livello 2 Collegamento 2 Fisico 1 Nodo A Protocollo di livello 1 Collegamento fisico Fisico 1 Nodo B Grande varietà di bus dati (o reti di comunicazione) Es. ARINC 429, MIL-STD 1553B, AFDX, STANAG3910, e molti altri Es. FoundationFieldbus, Profibus, CANbus, MODbus, Come si caratterizzano e differenziano?

4 Collegamento fisico Comunicazioni digitali (seriali( seriali) Nodo 2 N.0 Nodo 1 Nodo 1 Nodo 2 Nodo 3 punto a punto (stella) Topologie di reti Nodo 1 Nodo 2 Nodo 3 Nodo 4 a bus lineare (multidrop) bus lineare con hub hub Nodo 1 Nodo 2 daisy-chain Nodo 3 Nodo 4

5 Livello fisico Si occupa del trasferimento di bit su un canale di comunicazione Trasmissione seriale Problematiche tipo di codifica elettrica del segnale logico; tipo e funzione di ogni segnale di controllo; livelli di tensione e corrente; numero di conduttori; tolleranze massime e minime dei tempi di salita, commutazione, ecc. dei segnali elettrici; tipo di collegamento (single ended o differenziale), isolamento, mezzi trasmissivi; caratteristiche meccaniche dei connettori, dei cavi, ed in generale degli apparati.

6 Livello fisico Mezzi trasmissivi - Cavi in rame (doppino piatto o intrecciato con o senza schermo, con uno o più doppini in un solo schermo), diametro dei fili da frazioni di mm 2 a oltre 1 mm 2. - Cavi in rame, coassiali - Fibre ottiche - massima insensibilità ai rumori ma di costo elevato - si utilizzano tendenzialmente quando non si può farne a meno. - Trasmissioni radio (presente/futuro)

7 Livello fisico Tipo di codifica del segnale logico (bit) dato NRZ RZ Codifica polare (es.±15v) Freq. <= 0.5bit rate Manchester Segno della transizione Evita trasmissione clock Freq. <= bit rate clock 10MHz=10Mbit/s

8 Livello fisico (comunicazioni seriali) Standard elettrici e meccanici per comunicazioni seriali RS 232C (Recommended Standard EIA fatto proprio da CCITT) Definizione nel 1962 (RS-232) nel 1969 (RS-232C) evoluzioni più recenti: RS-232D e RS-232E Definisce: segnale elettrico, caratteristiche meccaniche del connettore (sub-d o vaschetta, a 25 pin), pin-out Codifica polare inversa ( 3 15 V per 1 e 3 15 V per 0) distanza max 15 m, velocità di trasmissione max 20 kbit/s. RS-232D e RS-232E: distanza e velocità: kbit/s su un massimo di 3 m, 19.2 kbit/s su 30 m e 9.6 kbit/s su 60 m.

9 Livello fisico Standard elettrici e meccanici per comunicazioni seriali RS 232C (Recommended Standard) Uso tipico 3 fili: GND (ritorno comune), TXD (trasmissione dati) e RXD (ricezione) Cavo (connessione null modem): a 3 fili (minimo), oppure a 7 fili AWG24 (0.22mm 2 ) o AWG22 (0,34mm 2 ), schermo per migliorare protezione contro disturbi elettrici, capacità complessiva minore di 2500 pf (tipico cond-cond 100 pf/m, cond-schermo 160 pf/m) Con 7 fili: segnali di controllo (per regolare il flusso dei dati e/o per verificare la disponibilità dell apparato con cui si comunica): DTR (Data Terminal Ready), DSR (Data Set Ready), CTS (Clear To Send) e RTS (Request To Send). Connessione: punto a punto

10 RS 422 Livello fisico Standard elettrici e meccanici per comunicazioni seriali Prestazioni: velocità 115 kbit/s distanza fino a 1200 m, che si riduce a 12 m a 10 Mbit/s. Segnali elettrici di trasmissione/ricezione differenziali, più immuni a disturbi di modo comune. Codifica polare inversa ( V per 1 e V per 0) Più adatto del RS 232 all ambiente industriale. Collegamento, sulla stessa linea, di un massimo di 10 ricevitori. Cavi con imp. caratt. Z0=100Ω Un solo apparato trasmette e fino a 10 possono ricevere contemporaneamente

11 Livello fisico Standard elettrici e meccanici per comunicazioni seriali RS 485 Molto diffuso Può connettere fino a 32 trasmettitori e 32 ricevitori Codifica polare Trasmettitori non attivi in alta impedenza (tri-state) Tipica architettura multidrop (collegamenti multipli bidirezionali a bus) prestazioni come RS 422 realizzazione con 2 (trasmissione half-duplex) o 4 fili (trasmissione full-duplex) comune l uso in half-duplex con protocolli di comunicazione ad interrogazione impedenza caratteristica cavo Z0=120 Ω

12 Livello fisico Modalità di trasmissione asincrona Il trasmettitore decide quando iniziare a trasmettere Trasmissione per carattere start bit bit 0 bit bit n parità stop bit USART gestiscono la modalità a/s scaricando la cpu Efficienza: caso 1s+5car+1s 5/7 (bassa) caso 1s+8car+1p+2s 8/12 Controllo del flusso dei dati (handshake protocol)

13 Livello fisico Modalità di trasmissione sincrona L informazione è trasmessa a blocchi preceduti/seguiti da caratteri di inizio e fine blocco Frame o trama start frame indirizzo destinatario indirizzo mittente dati checksum end frame Gestita da USART / processori dedicati Efficienza: n. bit dati / n. bit frame può raggiungere il 97,7% con 255byte (prot. SDLC) bassa efficienza con pochi dati utili (numero minimo byte) Adatta per trasmettere quantità elevate di dati/sec

14 Livello data link (o collegamento) Si occupa di realizzare connessioni prive di errori fra coppie di nodi della rete Standard IEEE livello LLC MAC Ethernet CSMA/CD livello 1 LLC Logical Link Control - controllo del collegamento logico MAC Medium Access Control - controllo accesso al mezzo fisico

15 Livello data link Controllo accesso al mezzo fisico (allocazione del) MAC sono stati definiti finora tre standard alternativi: CSMA/CD (802.3) Token-Bus (802.4) Token-Ring (802.5) bus arbiter o bus controller CSMA/CD (Carrier Sensing Multiple Access / Collision Detection) definito per Ethernet non è in grado di garantire un limite superiore certo al ritardo di risposta non ritenuto adatto per le applicazioni in cui questo deve essere garantito velocità molto elevata problema può essere poco critico

16 Livello data link Controllo accesso al mezzo fisico (allocazione) Token-Bus metodo di accesso sequenziale, ciclico e con priorità reti a bus lineare I nodi si passano in sequenza circolare (round-robin) il token (gettone - un codice particolare). Trasmette solo il nodo che possiede il token (Struttura logica ad anello) Stazioni attive (master) e passive (slave) Il ritardo di risposta di ogni unità ha un limite superiore (worst-case) - Si ha un tempo d attesa inutile Arbitro di bus esempio: MIL-STD 1553B

17 Livello data link LLC - Controllo del collegamento logico prepara i frame da trasmettere esegue il controllo del collegamento logico (collegamento virtuale tra nodi al livello 2) Funzioni eseguite da integrati (USART - ASIC Application Specific Integrated Circuits) dedicati Protocollo HDLC (High Level Data Link Control) Protocollo Ethernet

18 Ethernet: lo standard + diffuso Ethernet Sviluppata da Xerox nel rete più usata nelle applicazioni per ufficio Livello fisico e topologia Codifica Manchester (sincronizzazione intrinseca dei clock) Struttura originale 10Base5 (10 Mbit/s, banda base, 500 m lunghezza tratte): Thick Ethernet - backbone cavo coassiale da 1/2 - velocità: 10 Mbit/s Evoluzione 10Base2: Thin Ethernet (con tratte di lunghezza fino a 185 m). Usa il cavo coassiale sottile (5 mm di diametro). Daisy chain. Connettori BNC. Più semplice da installare ed economica

19 Ethernet: lo standard + diffuso Ethernet 10BaseT: Twisted Pair Ethernet, con concentratore (hub), topologia a stella (tutti i nodi collegati punto-a-punto al concentratore), distanza massima 100m. Connettore RJ45. HUB: dispositivo elettronico che simula i segnali su un cavo Ethernet. Piccola scatola con prese RJ BaseTX; Fast Ethernet 802.3u, per reti con concentratore (hub) e distanza massima da esso di 100 m (100 Mbps) Gbit Ethernet

20 Ethernet: lo standard + diffuso Ethernet Broadcast (tutti ricevono il messaggio trasmesso) bus (il mezzo di trasmissione è unico) Non viene confermata la ricezione del messaggio Due doppini per trasmissione full duplex Ogni trasmissione è limitata in durata (essendo limitata la lunghezza di un messaggio) Viene lasciato del tempo morto (idle) tra una trasmissione e l altra, per consentire anche ad altri di accedere alla rete.

21 Ethernet: lo standard + diffuso Livello data link Ethernet Frame Ethernet II (802.2) Preambolo 7 byte + SFD SFD = Indirizzo Indirizzo Frame check mittente Tipo destinatario dati CRC 6 byte 6 byte 2 byte byte 4 byte Indirizzo fissato nel hardware (scheda d interfaccia) dal costruttore - Se si cambia la scheda cambia l indirizzo Unico indirizzo - diverso da quello di tutti gli altri - per ogni dispositivo L interfaccia ignora i pacchetti con indirizzo diverso dal proprio (non carica la cpu con questo test) Utilizzato dal protocollo TCP/IP (Internet)

22 Ethernet: lo standard + diffuso Ethernet: non determinismo (del ritardo di risposta) Esigenza di aumentare il determinismo della rete Architettura a stella con unità Switched hub (Sh) - suddivisione della rete in segmenti e connessione dei segmenti mediante Sh che scelgono il corretto instradamento dei dati sulla base del MAC address Bande di comunicazione a 100 Mbit/ e 1 Gbit/s riducono i rischi di collisione Ethernet con TCP/IP permette la visualizzazione dei dati con un browser e server web embedded

23 AFDX (Airbus A380 e A400M) AFDX: Avionics Full Duplex Switched Ethernet Realizzazione proprietaria dello standard ARINC 664 Basato sullo standard IEEE (allocazione bus) banda di comunicazione a 10 Mbit/ o 100 Mbit/s protocollo speciale per assicurare comportamento deterministico e gestione della ridondanza Componenti: collegamenti, switches, end systems (nodi) ( ec00cf1ea2d5226)

24 AFDX (Airbus A380 e A400M) AFDX: Avionics Full Duplex Switched Ethernet

25 AFDX (Airbus A380 e A400M) End Systems, Switches,, Full Duplex Connections Lo switch ha buffer per memorizzare i dati ricevuti e trasmessi e trasmette solo agli end system destinatari: le collisioni sono evitate!

26 AFDX (Airbus A380 e A400M) End Systems e sistemi avionici Un computer, e un End System, possono gestire più sistemi avionici Per evitare invasioni di campo tra i diversi sottosistemi nello stesso computer si restringono gli spazi d indirizzo e si limita l allocazione della cpu I dati vengono scambiati attraverso porte

27 AFDX (Airbus A380 e A400M) Porte di comunicazione tra End System e sistemi avionici Le porte sono univocamente definite in tutta la rete

28 AFDX (Airbus A380 e A400M) Virtual Link collegamenti virtuali da uno a più punti Gli switch trasmettono i frame Ethernet dall ES sorgente ai soli ES destinatari (collegamento virtuale da uno a più punti come in ARINC 429) Gli ES hanno un indirizzo univoco di 8 bit (Network ID) + 8 bit (Equipment ID) che viene inserito negli indirizzi (sorgente e destinatario) del frame Ethernet (MAC address)

29 AFDX (Airbus A380 e A400M) Virtual Link trasmissione di dati da una porta ad altre Gli indirizzi delle porte sono inseriti nei frame Ethernet (payload) trasmessi (indirizzi UDP/IP). Gli ES estraggono l informazione sulla porta di destinazione

30 AFDX (Airbus A380 e A400M) Virtual links Un ES può avere più VL (su un unico collegamento fisico) La frequenza di trasmissione può essere diversa per ogni VL e andare da 1/128 Hz a 1000 Hz Limitando dimensioni dei pacchetti e scegliendo le frequenze opportunamente si evitano interferenze tra i VL

31 AFDX (Airbus A380 e A400M) Ridondanza Due reti indipendenti, A e B Gli ES trasmettono i pacchetti ad entrambe le reti Allo stesso modo ricevono i pacchetti doppi (dalle due reti) Gli ES eseguono funzioni di Integrity checking e Redundancy management

32 AFDX (Airbus A380 e A400M) Struttura dei messaggi Possono accomodare i messaggi con label standard ARINC 429

33 ARINC 429 (Mark 33 DITS) ARINC 429: specifica per le comunicazioni tra LRU commerciali (garantire intercambiabilità e interoperabilità delle LRU di costruttori diversi) Derivato da ARINC 419 del 1966 (vedere tutorial ultima slide) Definisce Caratteristiche elettriche Caratteristiche dei dati protocolli Topologia Installato sulla maggior parte dei velivoli commerciali Airbus (310/320, 330/340), Boeing (727, 737, 747, 757, 767), MD 11, elicotteri Bell Agusta. Alta affidabilità ARINC 629 sul Boeing 777 (> velocità, bidirezionale < numero fili)

34 ARINC 429 (Mark 33 DITS) Topologie Trasmissione unidirezionale (per Trasmettere e Ricevere si devono usare porte e cavi twistati separati). Fino a 20 R collegati a un singolo T Necessità di molti fili ma alta affidabilità

35 AFDX ARINC 429 Copyright AIM GmbH

36 ARINC 429 (Mark 33 DITS) Cavo Cavo schermato e twistato da 78 Ω (singolo) Lmax 150ft (tipico) Codifica bipolare con ritorno a zero (RZ) Livelli di tensione: 10, 0 e -10V (uscita T) Velocità di trasmissione 12.5 o 100 Kbit/s

37 ARINC 429 (Mark 33 DITS) Formato di parola (32 bit) P bit di parità SSM info di stato (hardware/validità del dato) dipendenti da LABEL LABEL identifica il tipo di dato trasmesso e i parametri ad esso associati (es. 310 ottale Present Position Latitude, 312 Ground speed, 315 Wind speed) SDI Source Destination Identifier (per ricevitori multipli) DATA può essere di diversi formati anche non standard Messaggi: per la maggior parte sono costituiti da una singola parola

38 ARINC 429 (Mark 33 DITS) Ordine di trasmissione (da sinistra) Tipi di dati Binary: BNR notazione in complemento a due Binary Coded Decimal BCD Discrete: combinazioni di BNR, BCD, o bit singoli Protocollo / formato per File transfer (trasmissione di più di 21 bit) Dati di manutenzione e acknowledge

39 MIL-STD STD-1553 MIL-STD STD-1553B è una specifica di un Digital Time Division Command/Response Multiplexed Data Bus Dual redundant (due percorsi dei dati paralleli) Bidirezionale Codifica Manchester II Tutte le comunicazioni iniziate da bus controller (allocazione bus) Tutti i nodi (terminali remoti) rispondono a comando del controller Specifica Operazioni e collegamenti dei terminali Struttura e formati delle parole Protocolli di comunicazione Caratteristiche elettriche (hardware, topologia) (vedere tutorial ultima slide)

40 MIL-STD STD-1553 Collegamenti punto a punto e a bus lineare MIL-STD-1553A nel 1975 MIL-STD-1553B nel 1978 per F16 e AH-64A Standard per integrazione piattaforme militari (+ Shuttle e Space Station) complesso costoso voluminoso Architettura federata Copyright AIM GmbH

41 Single level (+ usato) MIL-STD STD-1553 Topologia e componenti hardware Bus Controller (BC) Più BC possono essere presenti ma uno solo può essere attivo in ogni momento Remote Terminal (RT) Fino a 31 RT, ciascuno che può avere fino a 31 sottoindirizzi Bus Monitor (BM)

42 MIL-STD STD-1553 Componenti hardware Bus controller Decide l allocazione del bus e coordina il trasferimento di tutte le informazioni su di esso (metodo comando / risposta: BC invia un comando a un RT e questo risponde) Remote Terminal (RT) Embedded RT (sensore con embedded I/F al bus) e stand alone RT (I/F tra dispositivi esterni e 1553 bus) Bus Monitor (BM) raccolta dati, usato per individuare problemi di funzionamento

43 MIL-STD STD-1553 Topologie multlivello Struttura gerarchica di bus. Bus di livello superiore: global bus, che controlla gli altri Copyright AIM GmbH

44 MIL-STD STD-1553 Componenti hardware Bus dati in senso stretto Linea di trasmissione realizzata con doppino twistato e schermato ed un numero di stubs di interfacciamento. Le linee sono sempre doppie ma i messaggi transitano su una sola decisa dal bus. Lunghezza non specificata Accoppiamento Diretto (lunghezza stub < 3ft) A trasformatore migliore isolamento galvanico Migliore reiezione di modo comune (lunghezza stub < 20ft)

45 MIL-STD STD-1553 Componenti hardware Copyright Condor Engineering

46 Codifica Manchester MIL-STD STD-1553 Trasmissione, codifica e sincronizzazione Tensioni valide in ingresso a un RT tra 0.86 e 14V pp Specificate le distorsioni massime dei segnali Velocità: 1 Mbit/s (+-1000Hz, Hz in un secondo) Comunicazioni half-duplex Broadcast

47 MIL-STD STD-1553 Messaggi e parole (20 bit) I messaggi sono costituiti da command, data e status word

48 MIL-STD STD-1553 Command word E costituita da sync, indirizzo del RT, T/R bit, campo sottoindirizzo/modo, conteggio delle parole, parità Sync T/R bit = il ricevitore dovrà trasmettere o ricevere Indirizzo RT 5 bit = 31 indirizzi di terminali più broadcast (11111) Sottoindirizzo = uso specifico per stand alone terminal (subindirizzo) Conteggio parole = numero parole (data word) che il ricevitore dovrà trasmettere o ricevere

49 MIL-STD STD-1553 Data word E costituita da sync, dato, parità Sync Dato = 1 bit

50 MIL-STD STD-1553 Status word Sono trasmesse da ogni RT in risposta ai comandi e contengono informazioni di stato, errori, ecc del RT o dei messaggi scambiati E costituita da sync, indirizzo del RT, informazioni di errore ed altro Alcuni comandi (come quelli trasmessi broadcast) non prevedono risposta di status

51 MIL-STD STD-1553 Messaggi Composti da command e status word e data word. Trasmissione sempre decisa da BC. 10 tipi di messaggi di cui i tre principali sono: # intermessage gap 4 µs ** response time da 4 a 12 µs Status word trasmesso da un RT in risposta ad ogni comando Allocazione bus e controllo logico del link eseguiti con word e messaggi Gli RT verificano la correttezza sintattica di parole e messaggi

52 MIL-STD STD-1553 Funzioni di elaborazione dei terminali (livello fisico) Ricevitore e trasmettitore analogico Interfaccia o front end verso il bus include trasformatore e resistori Come ricevitore filtra rumore, squadra il segnale, produce uscita digitale per il decoder Come trasmettitore pilota il segnale Manchester bifase, cessa la trasmissione dopo max 800 µs Encoder / decoder -Decoder (in ricezione): dal segnale squadrato estrae sincronismo, dati e parità, identifica tipo di parola -Encoder (in trasmissione): prepara le parole e controlla lo stadio finale di uscita Encoder e decoder sono realizzati in un unico integrato

53 MIL-STD STD-1553 Funzioni di elaborazione dei terminali (livello fisico) Copyright Condor Engineering

54 MIL-STD STD-1553 Funzioni di elaborazione dei terminali (livello data link) Processore di messaggi in ricezione decodifica la command word, verifica l indirizzo, verifica la corretta lunghezza del messaggio, estrae i dati In trasmissione prepara i messaggi Interfaccia verso l host (trasferimento dati seriale, parallelo, DMA)

55 STANAG3910 (EFAbus) Il bus dell EFA (European( Fighter Aircraft) (vedere tutorial Aggiunge alla MIL-STD 1553B da 1 Mbit/s dual redundant Low Speed (LS) un High Speed (HS) bus su fibra ottica a 20 Mbit/s. Concepito Come evoluzione della 1553B per soddisfare esigenze di elevate velocità di trasmissione Per mantenere l affidabilità della 1553B Per mantenere un protocollo deterministico Master/slave in attesa di un vero High Speed Data Bus (o Data Network) per l avionica

56 STANAG3910 (EFAbus) Il bus dell EFA (European( Fighter Aircraft) Fino a 31 RT con doppio collegamento (opz) Il bus LS controlla e comanda lo HS mediante Action Words inviate sul LS bus Nel EFA2000 utilizzano il sottoindirizzo (26)

57 STANAG3910 (EFAbus) Il bus dell EFA (European( Fighter Aircraft) Livello fisico High Speed Bus Fibra ottica per eliminare interferenze elettromagnetiche Diverse soluzioni realizzative (un esempio in figura) Copyright AIM GmbH

58 STANAG3910 (EFAbus) Il bus dell EFA (European( Fighter Aircraft) Livello fisico HS bus soluzione EFA2000 Wavelength nm Transmitter Output /- 3.5dbm (peak) Receiver Sensitivy - 37 dbm (peak) Bit Error Rate < Fibre 200/280 μm, step index, numerical aperture 0.24 Copyright AIM GmbH

59 Tutorial Tutorial di alcuni dei più importanti avionics data bus o avionics data networks, rispettivamente ARINC 429, MIL-STD-1553 e ARINC 664, si trovano ai seguenti indirizzi web (di Condor Engineering) Tut.pdf bd030f1b97f284d41ec00cf1ea2d5226 Altri tutorial si trovano agli indirizzi e