ПРЕСС-ЦЕНТР

Модули COM Express повышают надёжность и защищённость специальной авионики

МКА:ВКС №1/2014

Р. Д. Мак-Ларен (RJ McLaren), Kontron

Современные авиационные системы и платформы стремительно развиваются. И связано это, в частности, с тем, что на беспилотные летательные аппараты возлагается выполнение всё большего количества важнейших задач, связанных с наблюдением за окружающей обстановкой и обеспечением безопасности. Поэтому необходимы высокопроизводительные малогабаритные системные платформы, с помощью которых возможен сбор огромного количества разведывательных данных в реальном времени и достижение улучшенной ситуационной осведомлённости. Способность соответствовать современным требованиям в части производительности обработки графической информации, низкого энергопотребления и высоконадёжной работы в жёстких условиях эксплуатации, обеспечивая при этом экономически эффективный переход на новые технологии по мере развития приложений авионики, доказывают «компьютеры на модуле» (Computer-on-Module– COM) на базе технологии COM Express.

Технологии создания бортовой авиационной электроники продолжают стремительно развиваться, благодаря чему бортовое радиоэлектронное оборудование становится всё более сложным и при этом более защищённым и надёжным. В одном самолёте помещаются буквально сотни таких систем, что позволяет создавать ответственные приложения, например сбор и коллективное использование видеоинформации и данных от сенсоров, повышая осведомлённость о текущей ситуации и позволяя руководству принимать правильные решения. В таких приложениях всё более важная роль отводится защищённым малогабаритным системам, поскольку армейское руководство всё в большей степени предпочитает поручать выполнение задач наблюдения и разведки беспилотным летательным аппаратам или приборам.

Но, несмотря на постоянное развитие технологий (совершенствуются возможности связи, навигации, управления оружием и т. п.), проблема ограниченности физического пространства в летальном аппарате остаётся актуальной. Проектировщикам бортовой электроники приходится учитывать такие характеристики, как её размер, вес и энергопотребление (size, weight and power – параметр SWaP), устойчивость к ударам и вибрации, температурные требования и высота полёта, поскольку спектр летательных аппаратов (ЛА) специального назначения весьма широк – это пилотируемые и беспилотные ЛА с немыслимым прежде разнообразием задач и полезной нагрузки.

Соответствовать всем этим строгим требованиям должны бортовые встраиваемые компьютерные системы высокой готовности, не требующие больших затрат на их внедрение и функционирование. Для подобного типа оборудования оптимально подходят такие малогабаритные платформы, как «компьютеры-на-модуле» (COM-модули), в которых защищённость от воздействия жёстких факторов окружающей среды и расширенные температурные возможности сочетаются с малогабаритным портативным дизайном и энергоэффективностью. Защищённые модули в стандарте COM Express, который поддерживается консорциумом PICMG (PCI Industrial Computer Manufacturer Group), – идеальный выбор для создания сетевых приложений ЛА на базе серийно-выпускаемых (COTS) модулей. Авиационная электроника, с налагаемыми на неё крайне жёсткими климатическими ограничениями, особенно выигрывает от вычислительной мощи и надёжных характеристик, которыми обладают эти компактные компоненты.

Оптимальный SWAP-параметр – в малых объёмах

Многие беспилотные системы находят применение в виде летательных аппаратов ограниченных размеров или портативных/мобильных устройств, которые запускаются индивидуально бойцами. Для высоконадёжных высокопроизводительных приложений такого типа хорошо подходят COM-модули в стандарте COM Express, поскольку это почти полностью собранные компьютеры, смонтированные на платах-носителях, и могут выступать в роли готовых для конкретного применения платформ. В стандарте COM Express предусмотрен минимальный формфактор COM-модулей, который отлично подходит для применения в бортовых системах с точки зрения параметра SWAP; кроме того, в них заложены опции настройки ввода-вывода сигналов. Это формфактор mini – наименьший из предусмотренных в данном стандарте. По размерам он сравним с кредитной картой (55 мм × 84 мм) и при этом позволяет «упаковать» в небольшом пространстве отличные рабочие характеристики. Благодаря максимально низкой рассеиваемой мощности и малому формату, COM-модули формата mini хорошо подходят для мобильных приложений с батарейным питанием. И стоить эти приложения будут недорого. Благодаря широкому спектру питающих напряжений (от 5 до 14 В), COM-модули формата mini идеально подходят для создания малогабаритной авионики, особенно если учитывать их возможность работы в экстремальных климатических условиях и выдерживать температуры от –40 до +85 °C.

Начало COM-модулям в своё время положил легендарный формфактор ETX, признанными последователями которого стали форматы COM Express basic (95 мм × 125 мм) и compact (95 мм × 95 мм). Формат compact идеально подходит для ответственных бортовых или мобильных приложений; интерфейсы, места установки разъёмов и схемы расположения их контактов на 100% совместимы с форматом basic и поддерживают широкий спектр входных напряжений – от 8,5 до 18 В. Соединительные отверстия и методы охлаждения одинаковы, что гарантирует простую взаимозаменяемость этих COM-модулей на плате-носителе. Таким образом, обеспечивается гибкий подход к проектированию и возможность постоянного улучшения рабочих характеристик создаваемых приложений.

Во всех COM-модулях могут использоваться самые современные процессоры на базе архитектуры x86, обеспечивая такие графические и вычислительные возможности, для реализации которых раньше бы потребовалось несколько плат. Модули COM Express устанавливаются на плату-носитель, которая содержит все интерфейсы ввода-вывода и специализированные схемные элементы, необходимые для конкретного авиационного приложения, образуя стандартизованную высокопроизводительную малогабаритную систему с низким энергопотреблением. Благодаря широкой рыночной поддержке, проектировать такие системы просто. Если в будущем появится необходимость заменить модули на более новые, у разработчиков есть доступ к хорошо сложившейся экосистеме соответствующих ресурсов.

Гибкость ввода-вывода и межсоединений расширяют возможности проектирования авиационных систем

При создании стандарта COM Express консорциум PICMG предусмотрел различные схемы распределения контактных выводов одного или двух 220-контактных разъёмов. Такое расположение разъёмов гарантирует максимально простую взаимозаменяемость модулей всех трёх форматов; сами же разъёмы устойчивы к ударам и вибрациям и обеспечивают высочайшую пропускную способность при высокоскоростных передачах данных.

Благодаря COM-модулям, которые обеспечивают передачу сигналов ввода-вывода от соответствующих чипсетов к плате-носителю через упрочнённые коннекторы, у разработчиков систем появляются гибкие возможности их проектирования. Коммерчески доступна широкая комбинация интерфейсов ввода-вывода, их нужно лишь ввести в конструкцию с помощью специализированной для конкретного приложения платы-носителя. На рынке есть COM-модули с портами LAN, SATA, видео, аудио, вариантами USB и PCI Express – все они доступны и выбираются лишь в зависимости от требований, которые предъявляются к создаваемой конечной прикладной системе. Кроме того, в COM-модулях объединяется видеообработка и визуализация видеоданных, что очень важно для приложений с интенсивной обработкой графики, которые характерны для бортовых авиационных систем. В стандарте COM Express учтены вполне возможные потребности долговременной поддержки видео на аппаратном уровне в рамках чипсета (native support), к которому предусмотрен доступ через стандартный коннектор для интерфейсов VGA, LVDS, SDVO, а теперь DisplayРort, DVI и HDMI. При этом исчезает необходимость в добавлении видеокарт, что могло бы потребоваться при использовании других платформ, либо в перераспределении процессорных ресурсов, доступ к которым уже ограничен со стороны чипсета и памяти.

Кроме того, COM Express – это первый независимый стандарт на модули, созданный с учётом передовых интерфейсов типа USB 3.0. Благодаря новым схемам распределения контактов разъёма Type 6 и Type 10 обеспечивается долговременная защита инвестиций во внедрение новых систем. Теперь у технологии COM Express есть возможность взять под своё крыло будущие разработки, сохраняя при этом концепцию разъёмов, общие технологические принципы и максимальную обратную совместимость с устоявшимися контактными схемами Type 1 и Type 2.

Контактная схема Type 6 основана на схеме Type 2, наиболее широко принятой в настоящее время, разница заключается в том, что контакты, выделенные в схеме Type 2 для сигналов PCI, в схеме Type 6 поддерживают цифровой видеоинтерфейс и дополнительные линии PCI Express. Это позволяет создавать более производительные устройства по сравнению с теми, в которых использовались более ранние опции разъёмов, и усовершенствовать графические архитектуры четвёртого поколения, которые часто использовались в передовых видеоприложениях, таких как задачи наблюдения для так называемой ситуационной осведомлённости.

Кроме того, в контактной схеме Type 6 предусмотрены потребности будущих проектов; контакты, выделенные ранее для интерфейса IDE (в схеме Type 2) теперь зарезервированы для тех интерфейсов, которые пока ещё разрабатываются. Благодаря этому проектировщики новых систем имеют больше возможностей по включению более широкого выбора собственных (native) дисплейных опций и более высокой пропускной способности, чем это было возможно ранее. Поддержка собственных дисплейных опций для новейших интерфейсов упрощает также процесс проектирования платы-носителя, в результате чего авиационные и специальные приложения с интенсивной графической обработкой быстрее выходят на рынок, а показатель TCO – совокупная стоимость владения – снижается. Поддержка в контактной схеме Type 6 технологии PCI Express весьма развита, рассчитана на перспективу и отражает тенденцию перехода от унаследованных параллельных интерфейсов к полному использованию последовательных интерфейсов передачи данных при проектировании встраиваемых систем. Это даст более высокую пропускную способность и меньшие времена задержек. Разработчики систем специального назначения могут постепенно переходить к следующим поколениям устройств, используя более быстрые дисководы и периферийные устройства, что очень важно при внедрении авиационных систем с длительным сроком службы.

Повышенная надёжность для спецсистем

Кроме всего вышесказанного, бывают COM-модули для работы в расширенном диапазоне температур – либо спроектированные для этих целей изначально (by design), либо реконструированные и прошедшие испытания на функционирование в расширенном температурном диапазоне. Для систем специального/авиационного или промышленного назначения это обычно температуры от –40 до +85 °C, некоторые компоненты могут быть из подмножества для работы в промышленном температурном диапазоне от –25 до +75 °C. Поставщики специализированных (by design) COM-модулей (см. рисунок) предлагают тестировать законченные системы и отдельные компоненты на стойкость при работе в конкретных климатических условиях, что существенно важно для сверхкомпактной высокопроизводительной ответственной авионики.

"Компьютер на модуле" Kontron COMe-bIP6XT на базе стандарта COM Express c контактной схемой разъёмов Type 6

«Компьютер на модуле» Kontron COMe-bIP6XT на базе стандарта COM Express c контактной схемой разъёмов Type 6. В нём предусмотрено подключение трёх независимых дисплеев с интегрированным графическим процессором GMA, быстрое отключение и работа в расширенном диапазоне температур от –40 до +85 °C

Для специальной авионики нового поколения требуется широкая полоса пропускания, высокая производительность и низкая рассеиваемая мощность в объёме герметизированного корпуса. Для систем такого типа хорошо подходит высокопроизводительный встраиваемый компьютер COBALT (Computer Brick Alternative) компании Kontron. Это безвентиляторная, малогабаритная (8,5 дюйм (ширина) × 7,0 дюйм (глубина) × 3,4 дюйм (высота)), герметично закрытая система с эффективным управлением температурным режимом. Она весит менее 7 фунтов. В распоряжении разработчиков есть целый спектр гибких опций. В зависимости от требований конкретного приложения они могут масштабировать производительность компьютерных вычислений – от реализаций на базе малопотребляющего процессора Intel Atom до мощных систем на базе Intel Dual Core i7. Диапазон рабочих температур от –40 до +71 °C совместим с требованиями, предъявляемыми ко всему спектру беспилотных летающих аппаратов (БПЛА) и военных самолётов.

COM Express и авионика

Наибольшие трудности для разработчиков высоконадёжных систем, предназначенных для работы в расширенных температурных диапазонах, связаны с проектированием сложной авиаэлектроники. Это системы, которые постоянно находятся под воздействием экстремальных внешних и внутренних условий, таких как широкий разброс температур, низко/высокотемпературный запуск, влажность, пыль и другие условия, которые могут серьёзно повлиять на технические характеристики системы. С усложнением авиационной электроники, например с увеличением количества видеокамер и датчиков в системах наблюдения или с расширением номенклатуры бортового оборудования, среди которого могут быть и роботы, эти строгие требования будут ещё более ужесточаться.

Просто увеличивать количество оборудования на БПЛА не имеет смысла, поскольку потребность в более развитых возможностях датчиков или в гибкой замене или обновлении матриц специализированных датчиков продолжает быть актуальной. Поэтому всё более растёт потребность в компактной высокопроизводительной модульной системе на основе открытых стандартов и создаётся основа для выхода на сцену доказавшего свою состоятельность стандарта на малогабаритные форматы модулей типа COM Express.

Благодаря эффективным рабочим характеристикам и производительности модулей COM Express, которые стимулируют OEM-производителей постоянно совершенствовать свои устройства и приложения, на первое место при проектировании выходят вопросы надёжности и гибкости. В основе масштабирования систем лежат возможности сегодняшних полупроводниковых устройств, плюс к этому используется логика взаимодействия компонентов на уровне платы и такие полезные вещи, как уже готовые к применению драйверы, которые есть на рынке. Проектировщики систем могут следовать одним и тем же контактным схемам и расположению разъёмов, при этом обеспечивается возможность постепенного увеличения эффективности создаваемой системы с каждым появлением нового поколения COM-модулей – будут масштабироваться возможности по энергопотреблению, производительность, температурные характеристики и параметры обработки графики. В результате будут появляться оптимальные платформы для авиационных приложений.