автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Принципы построения малых бортовых систем

|=т о

сг, сг.

сг>

со

I— С_ I

на правах рукописи

ЦЭВЭЭНИЙ ЭНХ—АМГАЛАН

ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ МАЛЫХ БОРТОВЫХ СИСТЕМ

(на примере системы сбора научной информации ССНИ-ИКИ)

05.11.16— Информационно — измерительные системы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва—1997 г.

Работа выполнена в Институте космических исследований РАН.

Научный руководитель: к.ф—м.н. Чесалин Л.С.

Официальные оппоненты:

д.ф. — м.н., профессор Гальперин Ю.И. к.т.н., Воителев А.И.

Ведущая организация: Научно—производственное

предприятие "Всероссийский научно—исследовательский институт электромеханики".

Защита диссертации состоится 26 июня 1997 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д002.94.03 в Институте космических исследований РАН по адресу: Москва, Профоюзная 84/32, ИКИ РАН, подъезд2 (конференц зал)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИКИ РАН.

Автореферат разослан ¿//^/¿^1997 г.

Общая характеристика работы

Актуальность темы

Развитие вычислительной техники, создание новых материалов, разработка различных логических компонентов высокой степени интеграции открывает возможности построения бортовых систем такой сложности и интеллектуального уровня, которые еще несколько лет назад были нереализуемыми.

Успехи микропроцессорной техники, программных, аппаратных и алгоритмических средств позволяют расширить сферу научных исследований, проводимых на борту как обитаемых, так и автоматических космических объектов, путем создания высокоинтеллектуальных бортовых систем, выполняющих весьма сложные эксперименты и обрабатывающих получаемые в ходе этих экспериментов данные.

Интеллектуальная бортовая система для беспилотного космического аппарата предназначена для получения уникальной информации, не доступной для наземных исследований. Создание такой информационно-измерительной системы представляет собой самостоятельную научно-техническую задачу, трудность решения которой определяется особенностями процесса подготовки и выполнения экспериментов на борту космического объекта. Одним из самых существенных требований к автоматизированной бортовой системе оказывается необходимость обеспечения ее функционирования в течение всего времени 'существования космического объекта без какого бы то ни было обслуживания. Фактически желательное время жизни системы с учетом подготовки объекта оказывается равным десятку лет, что значительно превышает период морального старения микропроцессорных средств. Таким образом, возникает проблема сокращения сроков и повышения качества разработки. Эта проблема решается нами путем использования систем автоматизированного проектирования. ускоряющих разработки организацией сквозного процесса от определения общего облика системы-до конструкции и применения модульного принципа построения, позволившего создать вполне современную систему, удовлетворяющую требованиям проекта "ИНТЕРБОЛ" и допускающую определенные изменения даже в ходе летного эксперимента.

- г -

В процессе проектирования космических электронных приборов и систем учитывается ряд факторов, влияющих на выбор структуры системы и элементной базы. Микропроцессорные системы характеризуются разнообразием архитектурных решений, возможностью реализаций различных алгоритмов без изменения структуры системы.

В настоящее время практически для каждого микропроцессора разработаны базовые структуры, в которые включаются собственно микропроцессор и набор управляющих элементов, обладающий функциональной законченностью. Однако для бортовых микропроцессорных систем необходимо создать немодифицируемую помехо- и отказоустойчивую структуру при наличии жестких требований к потребляемой мощности, массе, габаритам системы и объему передаваемой между космическим объектом и наземным комплексом информации, то есть при проектировании необходимо принять решения, определяющие эффективную структуру системы, используемые мощности, вводимую избыточность. построение удовлетворительной системы резервирования.

' Одним из распространенных методов повышения надежности является способ дублирования или даже мажорирования функционально важных частей системы. При этом для научных приборов чистое резервирование или троирование вычислительных систем обычно оказывается нецелесообразным, так как ведет к неоправданному повышению габаритно-массовых и энергетических затрат на объекте, и выбор оптимальной системной архитектуры играет очень большую роль для эксперимента. Использование оптимальной и дистанционно перестраиваемой архитектуры малых бортовых систем, гибкость программного обеспечения на борту дало возможность исследователям успешнее проводить эксперименты на борту: например, исследовать в определенный промежуток времени какое-то более интересное событие. отложив ранее запрограммированные научные эксперименты, или полностью изменить алгоритм работы с каким-либо прибором.

Условия работы, внешняя среда предъявляют жесткие ограничения на выбор элементной.базы. Кроме ограничений по питанию, массе габаритам, здесь следует учитывать механические, климатические факторы. Для приборов, работающих в космическом пространстве, необходимо обеспечить радиационную защиту. На этапе изготовления и проверки макетных образцов было необходимо отработать вопросы

эксплуатации будущей системы: провести предварительное рассмотрение рациональности разработанной системы, исследовать влияния различных режимов работы системы и их целесообразность.

В работе рассматривается принцип построения малой бортовой системы на примере системы сбора научной информации, представляющий собой типичную задачу проектирования системы, обеспечивающей поддержку научных экспериментов в космосе. Назначением разработки является создание системы сбора научной информации, поставляемой различными приборами - от простейших датчиков до сложных научных комплексов. Система сбора может осуществлять первоначальную обработку массивов данных, формировать из полученных данных информационный поток для непосредственной передачи его при наличии радиосвязи или же для запоминания информации в период отсутствия радиосвязи с ее последующей передачей по радиоканалу. Системы сбора и обмена информацией коммутируют и обрабатывают потоки информации, поступающие в основном от трех источников: научной аппаратуры, датчиков и других бортовых вычислительных комплексов. Эти информационные связи обуславливают две особенности таких систем:

- необходимость развитой интерактивной аппаратуры, обеспечивающей реализацию передачи различной информации (аналоговой, цифровой, цифровых массивов) между системой сбора данных и сопряженной с ней аппаратурой; ■

- необходимость специальной организации программного обеспечения системы, которое должно обеспечивать управление, передачу, обработку и накопление информации в реальном масштабе времени, под управлением заранее подготовленных программ, записанных в запоминающих устройствах.

К особенностям архитектуры систем сбора информации . значительно влияющим на процесс разработки этих бортовых систем , следует отнести: разнородность состава аппаратуры, сложность программного обеспечения, многофункциональность и перестраивае-мость структур, необходимость перераспределения ресурсов, наличие требований по реализации мультипроцессорности в структуре, большой объем аппаратуры, требования по обеспечению высоких технических параметров.

Цели и задачи работы

Целью работы является определение принципов построения малых бортовых информационно-измерительных систем. В качестве типовой системы рассматриваются системы сбора научной информации ССНИ, установленные на "Хвостовом" и "Авроральном" зондах для проекта "ИНТЕРБОЛ", предназначенных для детального исследования процессов переноса энергии, импульса и массы в критических областях системы солнечный ветер-магнитосфера Земли.

Для достижения указанной цели:

- изучаются ранее разработанные бортовые системы обмена и обработки данных;

- исследуются общие принципы построения бортовых систем и их организация;

- исследуется программная организация бортовых систем;

- суммируются требования, предъявляемые к малым бортовым информационно-измерительных системам;

- определяется оптимальная структура системы ССНИ-ИКИ и план ее создания, завершающийся летными испытаниями системы;

- изучается проблема сокращения сроков разработок малых бортовых информационно-измерительных систем.

Методы исследования

Проводится теоретическое рассмотрение надежности и эффективности различных аппаратных и программных архитектурных решений.

Проводятся макетные исследования различных микропроцессорных наборов.

Разрабатываются эффективные программные средства обеспечения отладки й подготовки бортовых программных комплексов.

Анализируются и применяются методы автоматизированного проектирования в рамках общей методики ИКИ РАН по проведению НИР и ОКР.

Научная новизна

Рассмотрены принципы построения малых бортовых систем на примере системы ССНИ-ИКИ. предложены методы сокращения сроков проектирования малых бортовых систем.

Предложены методы настройки микропроцессорных блоков.

Разработаны принципы построения унифицированных вторичных блоков электропитания малых бортовых систем, примененных в ряде бортовых приборов.

Реализация результатов работы, практическая ценность

Разработанная на основе описанных выше принципов система ССНИ фактически является служебной системой "Хвостового зонда" и "Аврорального зонда" проекта "ИНТЕРБОЛ" и успешно функционирует с момента их вывода на орбиту (1995 и 1996 гг.) по настоящее время.

В настоящее время разрабатывается следующее поколение систем сбора научных данных, в частности, система "СТАН" для проекта "РЕЛИКТ2", где применяются предложенные автором методы обмена информацией с научными приборами.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на международной конференции "INTERBALL mission and payload"(Париж, 1995), семинаре в Институте Макс Планка(БерлинЛ994), совещании рабочей группы проекта "ИНТЕРБОЛ"(Прага,1994). семинарах в ИКИ РАН.

Структура диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и имеет объем 125 страниц, включая 14 схем и приложения. Список цитируемой литературы включает 74 работы.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели, содержится краткий обзор прототипов системы сбора научной информации. Дано определение малых бортовых систем. Сформулированы задачи диссертации.

Первая глава посвящена особенностям проектирования малых бортовых систем и включает в себя три подраздела. В первом рассматриваются общие вопросы проектирования сложных систем. При разработке сложных технических систем, к которым, несомненно, относятся и малые бортовые системы, следует четко представлять круг выполняемых проектных работ . на соответствующих этапах и уровнях с использованием определенных методов проектирования и специализированных систем автоматизированного проектирования.

Распределение работ во времени приводит к выделению различных этапов проектирования, а представления о проектируемой системе, отражающие ее существенные свойства с той или иной степенью подробности, определяют составные части процесса проектирования - этапы проектирования и соответствующие им стадии разработки.

Во втором подразделе уделяется внимание основным принципам построения малых бортовых систем и выбору структур систем сбора научной информации . Структура системы определяется множеством характеристик и зависит от типа, вида и режима обмена, числа каналов обмена, способа передачи кодов и их типа, типа управления, параметров контроля, программируемости, адаптивности, перестраи-ваемости, надежности функционирования и собственно аппаратной, пропускной способности, числа абонентов, типа интерфейса, электрических характеристик входных и выходных сигналов канала обмена, типа используемой элементной базы.

Принципам организации вычислительного процесса бортовых систем посвящен третий подраздел. При разработке программного обеспечения следует руководствоваться следующими принципами: иерархичностью. блочностью. унивесальностью. адаптивностью, откры-

тостью, защитой от случайного повреждения.

Во второй главе рассматриваются вопросы выбора элементной базы. Она включает в себя три подраздела. В первом рассматриваются вопросы выбора типа микропроцессора, кратко рассматриваются прототипы системы ССНИ, а также схемные решения, использованные в некоторых разработках, например, оригинальные решения с двумя разнотипными процессорами системы "Старт" для проекта "Гранат", блок сбора и обработки данных прибора ЕУВИТА для проекта СРГ, новые разработки микропроцессоров. Для исследования были выфаны наиболее преспективные в то время новые разработки микропроцессоров Н1806 (российского производства) и 80С186 фирмы INTEL, наиболее подходящие для решения поставленной задачи. В результате проведенного моделирования и отладки был выбран микропроцессор 80С186.

Во втором подразделе рассматриваются вопросы выбора элементной базы бортовых систем из существовавщих 20 семейств логических элементов, уделяется внимание особенностям КМОП элементов.

Третий подраздел посвящен оценке дальнейшего развития перспективных семейств логических интегральных схем.

Третья глава диссертации посвящена методам и возможностям автоматизированного проектирования. Одной из развитых и часто применяемых систем является интегрированная система автоматизации проектирования и подготовки производства "PCAD". которая предназначена для автоматизации процесса подготовки печатных плат на персональных компьютерах типа IBM PC, начиная от этапа замысла и заканчивая подготовкой и созданием управляющих программ на станки с числовым программным управлением для изготовления печатных плат.

При проектировании используется наиболее полный способ, включающий в этапы проектирования такие фазы, как логическое моделирование принципиальной электрической схемы, иерархическое проектирование и автоматическую упаковку логических элементов в корпуса. В процессе проектирования выпускаются принципиальные

электрические схемы, которые становятся основой для проекта.

Проектирование бортовых систем носит более интерактивный характер в отличие от других разработок. Здесь в большей степени учитывается опыт разработчика, используются наработки от предыдущих работ. При разработке конструктива системы использовалась система проектирования ACAD.

Четвёртая глава посвящена практической реализации системы сбора научной информации ССНИ-ИКИ, рассматриваются цели и назначение системы. Рассматриваются методы разработки структурной, функционально-логической и принципиальных схем. Дано описание структуры и функционально-логических блоков (Рисунок). Рассмотрена методика настройки микропроцессорных блоков.

Рассматриваются вопросы отладки и настройки системы, требования к контрольно-измерительной аппаратуре.

Рассмотрены вопросы обмена информации в системе ССНИ-ИКИ. предложены и реализованы способы их решения. Даются практические рекомендации для проектирования интерфейсных блоков систем обмена.

Описывается разработка бортового источника питания, предложена схема унифицированного бортового блока питания.

Рассматриваются вопросы обеспечения надежности и радиационной стойкости.

Указаны особенности разработок бортового программного обеспечения. а также кратко рассматриваются вопросы наземной обработки данных.

В заключении приведены основные выводы диссертации.

I

0

1

1

'ССйй-Жй'-\

ЦЕНТРАЛЬНЫЙ ПРОЦЕССОР 80С186

ОЗУ 259 К

8МБ+8вМБ(ДИСК> ПЛМЯТЬ

ПЗУ1 8К

ПЗУ2

ИНТЕРФЕЙС РАДИОКАНАЛА

к. ТЕЛЕМЕТРИЧЕСКИМ ИНТЕРФЕЙС

ПРИЕМНИК КБВ

СИГНАЛ Б5536ГЦ

ПРИЕМНИК УКС

ПРИЕМНИК ФК

источник пития

0М+

27В

. Основные результаты работы

1. При непосредственном участии автора создана и запущена в эксплуатацию система сбора научной информации ССНИ. установленные на "Хвостовом зонде" и "Авроралъном зонде" проекта "ИНТЕР-БОЛ" и успешно функционирует с момента их вывода на орбиту (1995 и 1996 гг.) по настоящее время.

2. Разработана структура построения системы ССНИ, произведен подбор элементной базы, создано и отлажено программное обеспечение.

3. Разработана методика настройки бортовых микропроцессорных блоков.

4. Разработан бортовой унифицированный источник питания, успешно работающий в научных приборах.

5. Рассмотрены вопросы обмена информации ССНИ-ИКИ, предложены и реализованы способы их решения.

6. На основе опыта проектирования и эксплуатации ССНИ-ИКИ предложены практические рекомендации для проектирования интерфейсных блоков систем обмена.

7. Разработан типовой набор интерфейсов цифровых массивов.

8. Предложен модульный принцип разработки малых бортовых информационно-измерительных систем, позволяющий сохранять современность системы в течение длительного времени подготовки космического проекта. Даны рекомендации по уменьшению сроков разработок малых бортовых систем.

9. На основе опыта системы ССНИ-ИКИ разработана концепция и принципиальные электрические схемы для системы сбора информации "СТАН" для проекта "Реликт2".

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Чесалин A.C., Цэвээний Э.А., Лакутина Е.В., Круковская Е.В., Озолин A.A., Иванов Д.А. Система сбора научной информации

(ССНИ — ИКИ) // Космические исследования. 1996 г. т.34. N4. с.381 —387. ^

2. Цэвээний Э.А., Чесалин A.C., Лакутина Е.В., Круковская Е.В., Парфенова Е.С., Программное обеспечение системы ССНИ.

Препринт ИКИ РАН Пр-1965. 1997

3. Цэвээний Э.А., Чесалин АС., Лакутина Е.В., Круковская Е.В.,

Перепрограммирование системы ССНИ.

Препринт ИКИ РАН Пр -1966. 1997