L'uso di I2C ridondante nell'avionica di veicoli spaziali


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Di recente ho letto questo rapporto sul progetto di sviluppo avionico JPL x2000, che ha sviluppato una piattaforma avionica più modulare utilizzando silicio commerciale, per ridurre costi e potenza. Hanno optato per un'architettura di due protocolli ridondanti che collegano tutta l'elettronica nel veicolo spaziale. Un bus 1394 ad alta velocità viene utilizzato per dati di grandi dimensioni, mentre un bus I2C (a 100 khz) viene utilizzato per i controlli a bassa larghezza di banda. Questo è configurato come un bus multi-master, in cui ogni nodo può comunicare tra loro.

Non ho usato I2C per più di singoli sensori, ma da quello che capisco ci sono gravi limiti di distanza. I all'interno di un veicolo spaziale, potrebbero esserci cablaggi di lunghezza significativa.

Oltre ad avere due bus I2C ridondanti, ogni dispositivo ha un ASIC personalizzato che fornisce l'isolamento tra il bus e il chip principale rappresentato qui  e qui . Questo chip fornisce forse anche un qualche tipo di condizionamento?

Qualcuno può spiegare perché potrebbe aver scelto di utilizzare un protocollo progettato per la comunicazione all'interno di un PCB per la comunicazione all'interno di un veicolo di grandi dimensioni?

So che probabilmente non c'è una sola risposta definita, ma sarò interessato a sapere quali fattori in quel tipo di scelta.


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Come te, sono sorpreso da questa scelta. Ho avuto difficoltà con i bus I2C lunghi: Memorie di un bus I2C invaso .
Nick Alexeev

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Si tratta di caricamento capacitivo e velocità di clock. Esistono molti modi per estendere la gamma di I2C, ecco una nota dell'app che può aiutarti: maximintegrated.com/en/app-notes/index.mvp/id/6208 Gli sforzi della Nasa hanno ridotto la velocità di clock a 100kHz e I ho visto implementazioni di successo a filo lungo fino a 10kHz. Il problema più grande con bassa frequenza di clock è mantenere la compatibilità SMBUS se è necessario. Questo può anche aiutare: nxp.com/docs/en/application-note/AN10658.pdf
Jack Creasey,

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@Bruce Nella mia esperienza, la lunghezza significativa del bus I2C inizia, diciamo, a 1 metro. È qui che la capacità del bus e la raccolta di interferenze possono iniziare a diventare un problema. La capacità e l'interferenza possono essere mitigate con buffer e schermatura, ovviamente. Quando si iniziano a considerare molteplici mitigazioni, si inizia anche a chiedersi "Perché stiamo allungando I2C oltre l'uso previsto? Perché non stiamo usando un bus di comunicazione destinato al nostro tipo di intervallo?"
Nick Alexeev

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electronics.stackexchange.com/questions/106265/… "A 100 kHz, con un buon protocollo di recupero errori, 25m possono essere facilmente raggiunti usando i cavi di base. Siamo riusciti persino a raggiungere i 100m una volta con il cavo CAT5"
Bruce Abbott

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Ho lavorato su hardware aerospaziale (principalmente layout PCB), sono sorpreso che I2C sia stato scelto sopra RS-485, che ha sia una migliore reiezione del rumore sia un supporto lungo. Immagino che l'aspetto multi-master fosse una considerazione più importante. 485 ha bisogno di più componenti di supporto, attenzione. I2C è un PITA reale, però, non mi catturerai su un razzo spaziale che usa I2C per far funzionare la caffettiera, per non parlare delle cose importanti :)
Wossname

Risposte:


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Sì, esiste un limite di lunghezza con I2C ma penso che ciò a cui potrebbero essere interessati sia quello di comunicare con altri circuiti integrati sulla stessa scheda o schede situate all'interno dello stesso sottosistema piuttosto che pensare di comunicare con i sensori distribuiti attorno al veicolo spaziale e ad altri veicoli spaziali sistemi correlati. Oggi la maggior parte dei circuiti integrati incorporerà I2C mentre le velocità e la distanza dei dati possono essere viste come limitazioni, per la comunicazione integrata con altri circuiti integrati produce un metodo estremamente affidabile di trasferimento e controllo dei dati. Circuiti integrati come le funzioni di gestione dell'alimentazione (PMIC), sensori di temperatura integrati, accelerometri e giroscopi basati su MEMS, per citarne solo alcuni, I2C è un contendente praticabile.


All'inizio ho avuto gli stessi pensieri, ma poi ho guardato più da vicino lo schema a blocchi a pag.5. Uno dei bus I2C [ce n'è più di uno su quello schema a blocchi] funziona in parallelo con il bus 1394,
Nick Alexeev

Hanno ridondanza @NickAlexeev
Tony Stewart Sunnyskyguy EE75

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  • Non è stato progettato per un endpoint PCB ma piuttosto molti punti multidrop su un corto collegamento di 400pF max. Che potrebbe eventualmente arrivare a 15 m senza buffer o ripetitori utilizzando gli interruttori.
  • L'I2C sarebbe per sensori a larghezza di banda ridotta a corto raggio (pochi m) e il collegamento IEEE 1394 ad alta velocità per comunicazioni a lunga distanza

Miglioramenti dal rapporto **

  • Entrambi i bus sono multi-master e quindi supportano architetture simmetriche scalabili e distribuite.
  • Uno strato di protocollo viene aggiunto al bus I2C. Questo protocollo include un conteggio dei byte dopo l'indirizzo e due byte CRC dopo i dati. Il design X2000 utilizza anche comandi speciali di messaggi hardware per controllare le funzioni critiche. Per questi messaggi, viene inviato il comando seguito dal suo complemento per fornire un ulteriore livello di protezione.

  • In condizioni di guasto catastrofico come un'interruzione dell'alimentazione del bus, entrambi i set di bus COTS potrebbero non funzionare in modo tale da perdere tutte le comunicazioni tra i nodi. Per ristabilire la comunicazione, ciascun nodo può eseguire una procedura di ripristino distribuita che consiste in una sequenza di attività di abilitazione / disabilitazione del collegamento.

  • poiché la causa del disastro catastrofico potrebbe non essere all'interno del sistema avionico, non vi è alcuna garanzia che la procedura di recupero distribuito abbia esito positivo. Pertanto, questo approccio è solo l'ultima risorsa per salvare il veicolo spaziale.

Opinione

  • L'ultimo punto indica il driver del bus e il cavo. Non mi sorprende che l'autore non abbia menzionato alcun argomento correlato a "Integrità del segnale" come la scelta di cavi EMI a sabbia spaziale e di sistema irradiata o livelli di BER vs immunità.
  • Penso che il rapporto sia difettoso a causa di questa soppressione delle informazioni sull'integrità del segnale e sui tassi di errore
  • tutto il rapporto discute sono i livelli digitali sopra il livello fisico 1 dei livelli OSI 7
  • Tuttavia, ciò non significa che non disponessero degli esperti o dei dati analogici, ma non è stato riportato qui.
  • Hanno scelto l'I2C in base al costo, alla disponibilità di COT temprati RAD e alla bassa potenza, quindi se avessero gestito bene i problemi di integrità del segnale, non avrebbero dovuto fare così tanto affidamento su un solido design ridondante di rilevamento / correzione / recupero guasti.
  • Esistono metodi di terminazione non corrispondenti che i driver open collector possono utilizzare per migliorare il margine del segnale come pull-up della sorgente corrente anziché pull-up R passivo.

aneddotico

Questa è un'area che ho supportato Burroughs a metà degli anni '80 nell'aggiornamento dei loro standard di progettazione aziendale per i metodi di test EMC e delle specifiche per i livelli di accettazione dell'immunità al rumore condotto, ESD irradiato, RF a scoppio irradiato, onde del piano irradiato per RF spazzato da campi magnetici a 100 kHz a x GHz di campi irradiati a intensità di campo molto elevate utilizzando bobine magnetiche con amplificatore montato su rack da 1 kW e antenna piatta dodecaedrica con retroazione optoelettrica per la risposta piatta del campo E del servo per verificare errori di 0 bit in 10 ^ 10 bit.

NXP definisce gli attributi di questo standard a due fili chiamato I2C come segue;

• Consumo di corrente estremamente basso
• Elevata immunità al rumore.
• Ampia gamma di tensioni di alimentazione.
• Ampio intervallo di temperature di funzionamento.

Tuttavia, è limitato dalla capacità del cavo e quindi dalla scelta e dalla lunghezza del cavo, dal livello di correnti transitorie vicine elevate o dalla tensione di velocità di risposta elevata, dal tipo di driver attivo tipo di buffer CMOS da 50 ohm o dalla terminazione della sorgente di corrente e da molte variazioni.

Le specifiche NXP indicano che non vi sono problemi per un carico da 100kHz fino a 100pF che può essere tipicamente 20pF / ft a seconda dell'impedenza della coppia e quindi note a piè di pagina per la gestione da 100pF a 400pF max per 100Kbps.

Se fossi in me, sceglierei la coppia intrecciata ad alta impedenza (240 ~ 300 +), quindi utilizzare un dissipatore a corrente costante con protezione latchup.

In ogni caso, un ingegnere progettista di linee di trasmissione di esperienza deve progettare / sottoporre a stress test e verificare l'integrità del segnale per questi collegamenti a corto raggio.

appendice

Gli studenti di Stanford Engineering hanno sviluppato miglioramenti per la comunicazione spaziale che includevano i timer Watch Dog per il riciclo di energia e le porte di bit bang per le opzioni di ripristino multiplexate sul bus.

Opinione

Interpreterei che i problemi principali non erano "l'integrità del segnale" sul tasso di errore in bit ma gravi guasti dovuti a impulsi di radiazione gamma che possono indurre il latch-up anche in dispositivi CMOS litografici di grandi dimensioni a causa delle elevate intensità di campo V / um di queste alte energie impulsi. I loro metodi di recupero dalla mia esperienza sono stati correttamente implementati dalle mie esperienze con ESD a 25kV nel progetto IDA in una casa di prova MTS fino ai primi anni '80

aneddotico

Il progetto IDA era un'impresa di ricerca e sviluppo di Winnipeg Interdiscom Inc. a cui ho partecipato per una WAN su banda larga ISDN personalizzata con payTV, dati meteorologici grafici, polling d'opinione, telefonia digitale, allarmi antintrusione, lettura contatori, tastiera cablata per dati seriali ad alta velocità e 2 archi in pollici di ESD dal tubo a vuoto TV statica e le dita sul nostro set top box in un inverno secco !! È stato il primo SCADA DS1 su larga scala (1.544 Mbps) a due vie su RF a 100 case nel mondo testato e consegnato con successo. Ero responsabile del test di sistema, della progettazione e produzione di varie apparecchiature di test BER e del monitoraggio generale dello stato della rete a 2 vie] e il nostro team ha fatto in modo che funzionasse. Tutte queste 100 case condividevano 1 cavo coassiale e 2 RF per topologia ad albero / bus TDM DS1.

Alla fine fu venduto a una società che possedeva Scientific Atlanta, Intellivision e pochi altri a Filadelfia.


Immagino che il tuo quinto oggetto nell'Oppinion sia il vero motivo per cui la NASA aveva proposto di usare I2C in questo modo. Questa scelta suscita dubbi tra il resto di noi, perché non sappiamo quali tipi di COTS con quali tipi di bus di comunicazione sono disponibili o meno.
Nick Alexeev

@NickAlexeev Avendo fornito a Honeywell molte schede madri avioniche, sono un fornitore importante ma l'autore non ha dovuto giustificare l'esistenza di un sacco di COTS RAD temprati ma come la maggior parte delle cose le decisioni finiscono per essere basate sui costi con un'affidabilità adeguata
Tony Stewart Sunnyskyguy EE75
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