המרת פרוטוקולים – נותנים לך לדבר באותה השפה

מאת: דוד קופל – Excalibur Systems

כל מכשיר במטוס חייב לענות על כמה דרישות – דרישות פיסיות של גודל ומשקל, דרישות הספק, יכולת פיזור חום, היכולת לעמוד בפני רעידות, לחות ובפני כוחות G. לאחר מכן, ישנם כמה שיקולים סטנדרטיים נוספים, כמו עלות וזמינות.
כל אלו נכונים, עוד לפני שעסקנו בדרישות שקשורות בפונקציונליות של המכשיר.
תאר לעצמך שמצאת מכשיר שעונה על כל הדרישות והנתונים שבמפרט הטכני, מבצע בדיוק את מה שאתה צריך ומתאים לתקציב שלך – מצויין! מלבד העובדה שהוא מתחבר בתקשורת מסוג אחד והמטוס שלך או המסוק שלך מדברים בתקשורת מסוג אחר.
למשל, המטוס שלך בתקן
MIL-STD-1553 והמכשיר בתקשורת ARINC-429 או בחיבור טורי או בחיבור Ethernet. מה אתה יכול לעשות? האם אתה יכול להרשות לעצמך לחפש מכשיר אחר? האם אתה יכול לוותר על חלק מהדרישות שלך? למשל, לוותר על עמידות בטמפרטורה? על עלות או על הפונקציונליות?
האם היית יכול לשכנע את היצרן לשנות את המוצר באופן כזה שיענה על דרישותיך? אם שם החברה שלך הוא Boeing או Lockheed ייתכן אפילו שתצליח, אבל גם אז, יחלוף זמן עד שיסתיים תהליך הפיתוח של גרסת המוצר בהתאמה האישית שלך.
זהו האתגר שלקחה על עצמה חברתExcalibur Systems  כאשר החליטה לפתח את ממיר התקשורת המוטס הזעיר  (Miniature Airborne (Communications Converter הדרישות עבור מכשיר כזה היו מאיימות. הממיר MACC  אמור היה להיות קטן, מוקשח, עמיד להפרעות אלקטרו-מגנטיות (EMI)  ולהפרעות תדר רדיו (RFI), עמיד בתנאי מזג אוויר קיצוניים, ועם זאת גמיש וניתן לקונפיגורציה שתאפשר לו להתאים למבחר רחב של יישומים.
את הממיר MACC ניתן להגדיר  – בקונפיגורציות רבות וגמישות והוא מאפשר לך להשתמש למשל, בבקר מבוסס Ethernet כדי לשלוט במכשיר שפועל בתקן MIL-STD-1553 או במכשיר שפועל לפי ARINC-429 או בבקר שפועל בתקן MIL-STD-1553 כדי לשלוט במכשיר שפועל לפי RS-232/422/485 או בכל אחד מבין המספר הרב של שילובים אחרים של מכשירים, שבדרך כלל אינם תואמים זה לזה.

תכנון החומרה של הממיר  MACC
הגורם המגביל בהקשר לגודל הוא המחברים. על מנת להיות מותאמים לתקנים הצבאיים, בחרנו במחברים המקובלים לשימוש שפועלים בתקן  MIL-DTL-38999 סדרה 3. בחרנו שני מחברים של 22 פינים עבור ה-I/O  בכניסה וביציאה, ומחבר של שלושה פינים עבור המתח. כל המחברים נמצאים בצד אחד של הממיר כדי להקטין למינימום את דרכי הגישה הנדרשות מסביב ליחידה.
הגודל של הממיר הוא 50X140 מ”מ. על מנת להגדיל את ה – MTBF של הממיר תכננו את ה – MACC ללא חוטים פנימיים. מעגל מודפס בתכנון מיוחד פותח כדי להתחבר לשלושת המחברים. שני הלוחות הנותרים, שמהם מורכב הממיר מתחברים בלחיצה אל תוך לוח המחברים ומוחזקים באופן מהודק יחד, בצורת “U”.
שני הלוחות הללו הם: הלוח הראשון –  הלוח הלוגי שכולל את כל ממשקי הכניסות והיציאות, יכולת זיכרון פלאש, יכולת לוגית ויכולת עיבוד. והלוח שני הוא ספק הכוח בתקן MIL-STD-704E  שממיר מתח שבין 9-36 וולט, (שבדרך כלל קיים במטוסים) למתח של 5 וולט שנדרש לממיר.
התכנון הייחודי של המעגל הלוגי כולל את הדרישות הפונקציונליות המורכבות של הממיר.  הממיר בנוי במבנה גנרי, אך עם זאת הוא בעל גמישות והתאמה למבחר רחב של יישומים. האיזון בין גמישות לבין צורת המבנה היה הכוח המניע שמאחורי תכנון המערכת. כך התאפשר לממיר לעמוד בדרישות הקפדניות של כל פרויקט, וזאת מבלי שיידרש קוד שמותאם אישית לכל יישום.

איך זה עובד?
הניסיון שלנו עם ממירים של הדורות הקודמים לימד אותנו שסביר שאותם lables, packets  או הודעות שבהם יטפל הממיר לא יישארו קבועים. לדוגמה, אם lables בתקן ARINC-429  הם הקלט של הממיר, סביר להניח שהם ישתנו במהלך הפרוייקט כמה וכמה פעמים. היה לנו כבר נסיון עם מבנים גמישים הפועלים בתקן ARINC-429 ובתקן MIL-STD-1553 שאותו רכשנו במהלך הפיתוח של מודולים מסוג  1553Px ו- 429RTX החלטנו לשלב את המכשירים האלו בתוך ה – MACC, כדי לשמר את הגמישות שלהם.
מאחר שהממיר אמור לפעול באופן עצמאי במהלך טיסה, יצרנו מבנה מבוסס זיכרון פלאש שייטען באופן אוטומטי בהפעלת המתח. תכננו טבלאות שמאפשרות למשתמש להגדיר בקונפיגורציה את הממיר במעבדה (או במתקן התחזוקה) דרך חיבור פשוט של USB של מחשב PC. הטבלאות האלו מגדירות את הרשימות או את ה- lables  בתקן  ARINC-429  או את ההודעות בתקן MIL-STD-1553 שאמורות להיות משודרות או נקלטות, בד בבד עם נתוני תזמון ופרמטרים אחרים ייחודיים למפרט הטכני.
הנוסחה להמרה מ-I/O אחד לאחר נכללת גם היא בטבלאות האלו. ועם זאת, שמנו לב שעל מנת שהממיר יהיה כלי רב עוצמה באמת, עדיין אנו צריכים ליצור את האפשרות להתאמה אישית של הקוד. פירושו של דבר, שהממיר יתמוך בהורדה של קושחה (firmware)   חדשה ואפילו בהורדה של לוגיקת חומרה חדשה.
כדי להכיל את הגמישות הזו, הממיר מתוכנן בשלושה חלקים. מתאמי כניסות ויציאות בתקן ARINC-429, בתקן
MIL-STD-1553, מתאם לכניסות ויציאות טוריות ומתאם לכניסות ויציאות Discrete, כולם מבוססים על המודולים התואמים בסדרת ה-M4K של Excalibur Systems, שבמשפחת הכרטיסים 4000. ממשק ה – Ethernet מבוסס ליבה והוא דומה לתכנון שמשמש בכרטיס AFDX – הכל תוכנן על מנת להקטין למינימום את מעורבותו של המעבד, עובדה קריטית עבור יישום זמן אמת מהסוג הזה.
מעבד אחד בלבד משמש לקריאה של ה- I/O מהמתאמים השונים ולהמרה ביניהם. על מעבד עצמאי אחר הוטלו משימות שהן פחות רגישות לזמן אמת, כמו הורדת קושחה, הורדה של טבלת הגדרות קונפיגורציה ושמירת שגיאות בזיכרון הפלאש, או אם אפשר, דיווח שגיאות בזמן אמת דרך חיבור טורי נוסף.
להקטנת רשימת החלקים, וכתוצאה מכך הגדלת ה- MTBF והקטנה של יצירת החום ושל בעיות אינטגרציה, אנחנו משתמשים במעבדים מבוססי ליבה ומתאימים את כל הלוגיקה והמעבדים לשבב FPGA יחיד. בנוסף ליתרונות הברורים של שבב יחיד, הוא משמש גם כמחסום מפני התיישנות. לעולם אינך נתקל בבעיה בעת רכישת עותקים של מעבד מבוסס ליבה או זיכרון מבוסס ליבה.
יתרון נוסף של מעבדים מבוססי ליבה נעוץ בעובדה שהמהדר חופשי ובחינם, ובכך מעניק ללקוחותינו את האפשרות לכתוב את ההמרות שלהם המותאמות אישית, למען הנוחות שלהם או לשם דרישות הסודיות של התוכנית.

כלי הניהול של הממיר
הממיר MACC מצויד בתוכנית ממשק GUI  מבוססת PC שהיא כלי הניהול של ה- MACC ונקראת
MACC Management Tool.  ה- MMT מנחה את המשתמש דרך כל הצעדים הנדרשים לבנייה של טבלאות ההמרה, להורדה שלהן אל ה- MACC ולניפוי שגיאות שלהן בשלבים המוקדמים של הפרוייקט.
התוכנה מספקת קבוצה של גיליונות נתונים עם כותרות לעמודות, המסבירות את השימוש בכל שדה. ברגע שהטבלאות הושלמו, התוכנה מבצעת בדיקה לאיתור שגיאת טווח ולשגיאות לוגיות. לדוגמה, אם משתמש מנסה להמיר נתונים אל תווית  ARINC 429  שלא תוזמנה לשידור, הוא יקבל התראה. לאחר השלמת הטבלאות, התוכנה תטען את הטבלאות לממיר שם הן יאוחסנו בזיכרון הפלאש. התוכנה גם יכולה להעלות נתונים מהממיר לבדיקת קונפיגורציות וכדי לקבל הבנה טובה יותר של הפעולה בזמן אמת של המערכת.
התוכנה יכולה לאחסן גרסאות רבות של קושחה וטבלאות קונפיגורציה, באופן כזה שהמשתמשים יכולים להתנסות בו זמנית בקונפיגורציות שונות בסביבה יעילה. התוצאה המתקבלת היא כלי רב עוצמה שיכול לתרגם בין סוגי תקשורת שונים עם הבדלים בתבניות חומרה, בפרוטוקולים, בתזמונים וב- Engineering Units.
ההשפעה החשובה יותר של הממיר היא היכולת להגדיל את הבחירה הזמינה של המכשירים לכל מטרה נתונה במטוס. האילוץ המלאכותי של תאימות תקשורת אינו אמור להיות הכוח המניע בבחירה של יחידות מורכבות, שלהן יש עשרות פרמטרים חשובים נוספים ששייכים לתפקוד בטיחותי ויעיל של כלי הטייס.
מנקודת מבטו של יצרן המכשירים, עבור מכשירים שפותחו עבור פרוטוקול תקשורת יחיד, קבלת מערכת עם ממיר MACC מובנה מציעה את האפשרות לחוש את השווקים החדשים מבלי להשקיע השקעה משמעותית במו”פ, בשטח שאינו תחום ההתמחות של היצרן.
קשה למדי למצוא את המכשיר המתאים לעבודה מבלי שנצטרך להיות מוטרדים לתאימות של סוגי התקשורת. למזלנו, עכשיו כבר אין צורך.