מאמר זה דן באתגרים של תכנון מערכת איסוף נתונים קלה וקטנה אשר יכולה לספק מאות ערוצי מדידה בסביבה חשופה לנוזלים, רעידות בתדר גבוה וטמפרטורה קיצונית. המאמר מציע דרכים לעיצוב והתקנה של מארז איסוף הנתונים על מנת לנצל ביעילות את חלל ההתקנה הזמין ובאותה העת להקל על ההשפעות של תנאי הסביבה הקשים.
איור 1. צורות וגדלים שונים למארזי 500
קיימת מגמה מתמשכת של הזזת מערכות איסוף הנתונים קרוב ככל הניתן לחיישנים בכדי להפחית את כמות החיווט במערכת ניסויי הטיסה. כתוצאה מכך נדרש להתקין את המכשור במקומות שהם קטנים, קשים לגישה ובכפוף לתנאי סביבה קשים. מספר הערוצים שנדרש לדגום בכל ניסוי הולך וגדל.
מאמר זה דן בהשלכות של דרישות אלה על תכנון מערכת איסוף הנתונים. המאמר מתחיל עם ריכוז כמה מהמושגים החשובים יותר בתכנון מערכת איסוף נתונים לניסוי טיסה כגון אמינות ומודולריות. המאמר חוקר כיצד ניתן ליישם מערכת קטנה תוך כדי שמירה על מודולריות וגמישות. המאמר מציג כמה פתרונות לתנאי הסביבה הקשים שנמצאים בנקודת התקנה מרוחקות, כגון טמפרטורה גבוהה וחשיפה לנוזלים. לבסוף המאמר בוחן כמה מדרישות המערכת מונחות על שלדת רכישת נתונים מודולרי זעירה.
איור 2. השמת אטמים
עקרונות פיתוח מערכת איסוף נתונים
מערכת איסוף נתונים מודרנית דורשת רמה גבוהה מאוד של גמישות בממשקים ובהגדרות. גמישות יכולה להיות מסופקת ברמת המארז על ידי עיצוב המורכב מכרטיסי רכישה מרובים, כאשר כל סוג כרטיס מאפשר ביצוע פונקציה שונה. גמישות נוספת יכולה להיות מסופקת ברמת הכרטיס כך שהוא מאפשר הגדרת ממשקים שונים באותו הכרטיס. ברמת המארז מהנדס מכשור ניסוי טיסה יכול ליצור כמעט כל תצורה עם קטלוג גדול של כרטיסי רכישה.
נפח המעטפת הזמין למערכת איסוף הנתונים ישתנה בהתאם לפלטפורמה. לכן ניתן לטעון שמהנדס מכשור ניסויי טיסה זקוק למגוון סוגים של מערכות, כל אחת מהם עם כרטיסי איסוף נתונים בגדלים שונים. בתרחיש זה כל מארז יגיע עם הקטלוג של כרטיסי האיסוף שלו. למעשה ניתן ליצור צורות וגדלים שונים של מערכות איסוף נתונים תוך שימוש באותם כרטיסי איסוף ובגודל כרטיסים זהה. איור 1 בעמוד הבא מציג דוגמאות רבות של מארז KAM 500 אשר כולם משתמשים בכרטיסי איסוף נתונים זהים. פתרון זה מאפשר להתאים את המארז שלך למעטפות נפח שונות ללא החלפת כרטיסי הדגימה.
כל המארז באיור 1 הוא מארז אחיד במובן זה שיש מארז שאליו כרטיסי רכישת הנתונים מוכנסים. שיטה נוספת של בניית מארז היא לבנות את המארז מכרטיסי הרכישה עצמם. באמצעות שיטה זו ל”פרוסות” אין שלדה נפרדת. המארז נוצר על ידי חיבור כמה כרטיסי רכישה ביחד ואבטחתם באמצעות מנגנון נעילה. לשיטה זו היתרון בכך שמהנדס המכשור יכול לבנות מארז עם כל מספר של חריצים עד ערך מקסימאלי. שימוש בגישת המארז האחוד שמוצגת באיור 1 מאפשר מגוון תצורות מארזים מלבני, מאורך ואפילו מעגלי עבור יישומים הדורשים התקנה על רוטור. יתר על כן, גישת המארז האחוד מאפשרת בניית מארז עם מספר כרטיסים בהתאם לצורך היישום. ניתן לטעון כי התכונה החשובה ביותר במערכת איסוף נתונים היא אמינות. תקלה במערכת האיסוף עלולה לחייב ביצוע של טיסת ניסוי נוספת עבור הנתונים הנבדקים. מה שכמובן גורר עלויות גבוהות. הוכח שפיתוח מערכת איסוף נתונים מבוססת FPGA (מכונת מצבים) מאפשר רמת אמינות מערכת גבוהה. גם אם המערכת נכנסת למצב בלתי צפוי עקב נפילות חשמל במהלך טיסה זה יהיה עבור מחזור עבודה אחד בלבד ואחר כך תחזור לפעול כרגיל. לעומת זאת, במערכות מבוססות מעבד די נפוץ שהמערכת לא תתאושש באופן מלא לאחר אירוע כזה. עקב הצורך לאתחל את המעבדים לטעון דרייברים וכו’. משך הזמן לפעולות אלו עשוי להיות ארוך מידיי ולגרור איבוד נתונים.
איור 3. רשת עם מתגי רשת, יחידות קצה וציוד משורשר
מתקרבים לחיישנים
ציינו בסעיף הקודם כי גישת המארז האחוד מאפשרת גמישות בבניית המארז בגדול ובצורה תוך כדי שימוש באותו “בנק” הכרטיסים. ובכל זאת בכל פיתוח מארז חדש ישנם מספר מגבלות שיקבעו את גודלו המינימלי של המארז. על המארז לכלול מעבר לכרטיסים עצמם גם רכיב או כרטיס ספק, כרטיס בקר שינהל את פעולת המערכת ואת שידור הנתונים מחוץ למארז באמצעות PCM IRIG-106, Ethernet או פרוטוקול אחר. כמות החיווט הנדרשת בהתקנת מכשור ניסוי טיסה תמיד הייתה מקור לדאגה עבור מהנדסי המכשור. משך הזמן שנדרש להגדרת, ייצור והתקנת החיווט. הצורך לבצע התקנות במבנה המטוס והמשקל העצום של חבילת החיווט. כל אלו הן הסיבות לרצון מתמשך להפחית את כמות החיווט במערכת הניסוי. אחת דרכים להפחית את כמות החיווט היא להעביר את מארז איסוף הנתונים קרוב יותר לחיישנים. השינוי מאפשר את החלפת החיווט מהחיישנים בצמת תקשורת אחת שיוצאת מהמארז אל גוף המטוס. אבל, ככל שהמערכת מותקנת קרוב יותר אל מיקום החיישנים כך בדרך כלל נפח המקום שזמין עבור המערכת קטן יותר.
פתרון אחד להתקנה במיקומים דלי נפח יכול להיות פיתוח של תיבת איסוף נתונים ייעודית בממדים הנדרשים. עם זאת מארז ייעודי יפתור את צרכי המקום המסוים בלבד ויהיה צורך במארז נפרד עבור כל מיקום התקנה מכיוון שלכל מיקום הממשקים ומגבלות נפח המתאימים עבורו. הדרך המתאימה לפתור את הבעיה תהיה ליצור מארז מודולרי זעיר שיכול להיות מאוכלס עם כרטיסי רכישה זעירים.
אפילו לגישה זאת יש את המגבלות שלה. כפי שצוין קודם לכן המארז המודולרי הקטן ביותר ידרוש בדרך כלל כרטיס רכישה, משדר ואספקת חשמל. ככל שהמארז קטן יותר משקלו היחסי של ספק המתח בתוך המארז הולך וגדל עקב הצורך לעמוד בסטנדרטים תעופתיים כגון MIL STD 704 כדי לוודא שהמערכת בטוחה לשימוש.
על מנת להתאים את המערכת לחללים קטנים עוד יותר ייתכן שיהיה צורך להתקין את כרטיסי הרכישה עצמם במיקום נפרד מהמארז. בתצורה זאת כרטיס הרכישה ישלח את הנתונים שנרכשו אל המארז באמצעות כבל תקשורת כבל טורי באמצעותו הוא גם יוזן ממתח. בגישה זו כרטיס הרכישה יכול להתאים לנפח בחלל שיהיה גדול ממנו רק באופן זניח. מספר רב של כרטיסים מרוחקים יכול להיות מחובר למארז אחד כדי לאפשר רשת של רכישה זעירה של כרטיסים ממוקמים בחללים שונים. העובדה שכרטיסים אלה יכולים לשמש כפנימיים או חיצוניים למארז יאפשר למגוון גדול יחסית של כרטיסים להיווצר.
חששות סביבתיים
תוצאה נוספת של התקנת המארז קרוב יותר לחיישנים היא שהמארז יהיה חשוף לתנאי סביבה קשים יותר. לדוגמא: מיקום מארז באזור מעטפת המנוע, במהלך חלק משלבי הטיסה טמפרטורת הסביבה של המעטפת תהיה מעל 100 מעלות צלזיוס. ובנוסף קיים חימום עצמי של רכיבי האלקטרוניקה במארז. האמצעים העיקריים להוצאת חום ממארז הם הסעה באמצעות זרימת אוויר והולכה באמצעות המשטח שהמארז מותקן עליו. עם זאת בחלק מהמקומות יש זרימת אוויר דלה והמשטח שעליו המארז מותקן אינו מוליך חום. במקרה זה תלוי כמה הספק נוצר במארז, המארז עשוי להיות חם יותר מהסביבה בין 20 ל-40 מעלות. זה עלול לגרום לטמפרטורות הרכיב לעלות מחוץ לטווח העבודה אפילו לרכיבים צבאיים. פתרון אפשרי הוא הוספת גוף קירור למארז בכדי להגדיל את שטח הפנים ולאפשר ליותר חום שהתפוגג בהסעה. עם זאת כתוצאה מכך נפח המארז גדל ונמנעת האפשרות להתקין אותו ברוב מהמקומות בהם היה ניתן להתקין אותו ללא הקירור.
פתרון נוסף הוא להתקין את כרטיסי הרכישה רחוק מהמארז. פתרון זה יפחית באופן דרסטי את החום שנוצר במארז עצמו ואת ההספק הנצרך על ידי האלקטרוניקה בכרטיסים. גם שטח הפנים של כל כרטיס רכישה יהיה מספיק כדי להפיג באופן משמעותי יותר חום מאשר אם הכרטיסים מותקנים יחד במארז.
מיקום עוין נוסף להתקנה במטוס הוא אזור כן-הנסע המטוס. בעוד הטמפרטורה תהיה נוחה יותר עשוי המארז להיות חשוף יותר לתנאי הסביבה ונוזלים בזמן הנסיעה על הקרקע. אחד האתגרים עם מארז מודולרי הוא להבטיח כי המארז יהיה אטום לנוזלים. ובו זמנית יאפשר החלפת מודולים במהירות ובקלות. לצורך כך נדרשים מרווחים קטנים בין מודולים כאשר הם מותקנים במארז. מרווחים אלו יכולים להיאטם באמצעות אלסטומר (גומי גמיש) על גבי דופן אחת של הכרטיס (כפי שמוצג באיור 2), הלחץ בין כרטיסים צמודים יספק איטום בין שני משטחי הכרטיסים, הדחיסה והלכידות של החומר אלסטומרי יספקו איטום. אטמים אלה יכולים להוליך חשמלית ואף לשמש כמסנן RFI.
פתרונות מערכתיים
בסעיף 3 דנו כיצד הדרישה להעביר את מארז איסוף הנתונים קרוב יותר ויותר אל החיישנים יכול לחייב מארז זעיר עם אוסף של כרטיסים עבורו. עם זאת, חשוב לציין כי כל מארז זעיר יהיה צריך להיות תואם באופן מלא עם מארז איסוף הנתונים הקיים כך שיכולה להיווצר רשת הטרוגנית של מארזים. יש צורך לאפשר תכנות של סוגי מארזים שונים מאותה תוכנת השליטה. כל התצורה צריכה להיות מאוחסנת בקובץ תצורה יחיד, למשל XidML (). יש צורך לאפשר ניתוח משולב של הנתונים שנרכשו משני המארזים באותה תוכנת ניתוח. יתר על כן על מנת לתאם את הפרמטרים מכל הערוצים ברשת הטרוגנית, כל הערוצים חייבים להיות מסונכרנים. ניתן להשתמש בפרוטוקול סנכרון כגון IEEE 1588 () כדי לסנכרן את כל המארזים. מעבר לסנכרון הזמן יש צורך לסנכרן גם את מחזורי דגימה של היחידות השונות בכדי לוודא שכל הנתונים מיוחסים לאותה נקודת זמן ובמרווחים שווים. למעשה כדי לספק גמישות מלאה בתצורה כל מארז זעיר צריך להיות נקודה ברשת. זה יאפשר לכל קבוצת מארזים להתווסף לרשת כולל ציוד צד שלישי. קיימים תקנים רבים שניתן להשתמש בהם ברשתות Ethernet כדי להבטיח פעולה הדדית בין ציוד מיצרנים שונים. בפרט קבוצת INET () שמגדירה קבוצה-על של תקנים אלה בכדי לאפשר ממשק בין ציוד ניסויי טיסה מכל הספקים ונדרשת תמיכה בתקני INET בכדי שמארזי האיסוף יוכלו להשתלב בכל רשת.
על מנת לפשט את ההגדרה, ההתקנה ואתחול של רשת מכשור ניסוי טיסה חשוב שמארזים יוכלו לתקשר אחד עם השני באמצעות Ethernet. ברשת טיפוסית מארז איסוף הנתונים יבנה “חבילות” נתונים ויעביר אותם על גבי הרשת אל יחידת ההקלטה, ערוץ הטלמטריה, מחשב. ברשתות ניסויי טיסה מודרניות פונקציות אלו יכולות להיות משולבות בתוך מארזי איסוף הנתונים.
ברשת Ethernet יחידות רבות מחוברות באמצעות מתג רשת. מתג הרשת יכול להיות תיבה עצמאית או מודול שמתאים למארז רכישת נתונים. למרות שבאופן עקרוני זה הכרחי שכל מארז יכלול גישה למתג, לעיתים בחלק מהתצורות כל הכרטיסים במארז מוקדשים לרכישה ולא נשאר מקום לכרטיס ממשק. פתרון אפשרי אחד לכך הוא להוסיף יכולת שרשור “דייזי” למארז. בתרחיש זה כרטיס בקר במארז יקבל קלט Ethernet ממארז אחר וישלב את חבילות הנתונים שהוא מקבל עם חבילות הנתונים שלו וישדר אותם במשולב לרשת. בשיטה זו ניתן לחבר מספר מארזים ללא צורך במתגי רשת או מודולי מתג. בנוסף בהתחשב בכך שהמארז הוא צומת רשת עצמאית, ציוד רשת של צד שלישי יכול להיות גם לשרשר למארז בדרך זו (איור 3).
סיכום
המגמה להעביר את מארז איסוף נתונים קרוב יותר לחיישן מובילה לאתגרים רבים בעיצוב המארז וברכישת הנתונים. עם השימוש בגישת מארז אחוד ניתן ליצור מארז בגודל שונה המותאם ליישום. היתרון בשימוש באותם כרטיסי הרכישה במארזים שונים בין אם הם נמצאים בגוף המטוס או במיקום מרוחק. עם זאת בחלק מהמקרים נדרש מארז זעיר עקב נפח חלל ההתקנה הזמין. למארז זעיר יהיו דרישות דומות למארז הסטנדרטי במודולריות ואמינות. הוכח שעיצוב מערכת איסוף נתונים באמצעות מכונות מצבים מבוססת FPGA מאפשרת יישום פתרון ברמת אמינות גבוהה. אחד הסיבוכים של מודולריות היא הגבול התחתון לצמצום נפח המארז, פתרון אפשרי אחד לכך הוא כדי למקם את כרטיסי האיסוף רחוק מהמארז. שיטה זאת מאפשרת פתרונות איכוף נתונים במקומות קטנים מאוד.
לבסוף, חשוב שהמארז הזעיר יפעל ברשת הטרוגנית עם המארזים סטנדרטיים מאותו הספק ומצד שלישי. כדי להבטיח זאת, המארז חייב להיות צומת ברשת עם תמיכה מלאה בתקנים פתוחים, לרבות תקני INET. כדי שניתן יהיה לחבר מארזים זעירים מרובים לרשת, נדרשת תמיכה בשירשור “דייזי” ללא צורך במודול נפרד. עם יכולות אלה המארז הזעיר המרוחק יסייע הפתרון האתגרים שעומדים המהנדסים שמתכננים מערכות ניסויי מודרניות.
הכתבה נמסרה באדיבות חברת די.אס.די.איי.
הפניות:
[1] A. Cooke, “History and Evolution of Metadata Standards for the FTI,” in ITC, San Diego, 2014.
[2] IEEE, Precision clock synchronization protocol for networked measurement and control systems, IEEE Std. 1588, 2008.
[3] J. K. M. M. B. A. T Grace, “key components of the INET test article standard,” in ITC, Las Vegas, 2009.
