Microprocesadores en Avionica

MICROPROCESADORES EN AVIÓNICA

Antonio Bautista Pardo. Microprocesadores para comunicaciones. 5º E.T.S.I.T. Curso 2007/08.

Microprocesadores en aviónica. Curso 2007/2008. MPC.

INDICE

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¿Qué es la aviónica? Algunos sistemas de aviónica

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Introducción

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Sistemas COTS

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Procesadores en aviónica PC7448 PC8641D Otros procesadores

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Buses en aviónica ARINC 429 ARINC 664

- Aplicaciones SAFEE ADS-B -

Referencias

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¿Qué es la aviónica?

La aviónica, del inglés, avionics y éste de aviation (aviación) y electronics (electrónica), son los sistemas electrónicos instalados en las aeronaves para su mando y control. El cambio más radical que la aviación ha experimentado desde la aparición del motor a reacción, ha sido, sin duda, la aplicación de la informática a las cabinas de vuelo (cockpit), persiguiendo dos motivos principales: reducir la carga de trabajo en cabina, mejorando con ello la seguridad, y aumentar la rentabilidad de la operación. De este rediseño de la cabina derivan no pocas consecuencias y algún que otro trauma, como por ejemplo la paulatina reconversión de un querido miembro de la tripulación técnica, el mecánico de vuelo, hasta hace pocos años imprescindible. La cantidad de electrónica que se ha introducido en las aeronaves en los últimos años relacionada con la navegación, la aproximación, el aterrizaje, la instrumentación general, etc. es tremenda. Cualquiera que haya tenido oportunidad de entrar en la cabina de un avión de última generación, tras una mirada rápida, se ha dado cuenta que los únicos instrumentos redondos convencionales son el anemómetro, el altímetro y horizonte. Aunque los nuevos sistemas integrados nos puedan parecer más complejos, ya que están basados en tecnología digital (bus digitales de datos, microprocesadores, etc.) lo cierto es que en apariencia visual nos da sensación de haber descargado tremendamente las cabinas. Por ejemplo, si consideramos, el Boeing 747-400, este tiene 150 indicadores menos que el más antiguo de los B737.

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Algunos sistemas de aviónica.

Los sistemas de aviónica se dividen en 3 grandes grupos: Sistemas autónomos: No necesitan equipo de tierra para funcionar. Dentro de este grupo tendríamos los de control de vuelo, de navegación, de motor o de control del avión. Sistemas dependientes: Necesitan de los equipos de tierra para funcionar. Estos son sistemas que sin antenas, torres de control y otras ayudas que tienen en tierra los aviones sería una utopía volar. Estos son los de aproximación, los de radares, de emergencia, telemétricos o satelitales entre otros muchos. Sistemas electrónicos integrados multifunción En este grupo se incluyen todos esos sistemas que no pueden incluirse dentro de los otros dos, pero que son igualmente necesarios. Hablamos, por nombrar a los más conocidos, del piloto automático o del sistema de alerta de tráfico.

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Introducción

Hoy en día los procesadores con lo que se diseña los sistemas de aviónica de los aviones, tanto comerciales como militares, no se caracterizan por ser excesivamente complejos, ya que cada sistema de los que se implementa (ordenadores de vuelo, sistemas para el tren de aterrizaje, radares…) utiliza procesadores cuyos núcleo no trabajan a mas de 2 Ghz y las memorias caché no suelen superar el megabyte de capacidad. Sin embargo en algunas ocasiones si podremos encontrar procesadores que tengan mas de un núcleo pero nunca mas de 2. Sin embargo la verdadera importancia de que la aviónica funcione se consigue gracias a la utilización de buses que permiten conectar todos estos sistemas de una forma óptima, lo que disminuye la complejidad en el diseño de los aparatos y proporciona una mayor seguridad. Estos buses aparecen porque a medida que la aviónica se volvía mas compleja, aumentaban las conexiones y el número de cables que atravesaban los aviones, debido a que antes estas conexiones se realizaban punto a punto, por tanto había que encontrar la manera de enviar muchos datos por pocos cables y que la vez se tratara de un sistema seguro y robusto que no condujera a fallos.

Esquema de un bus

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Sistemas COTS

En la actualidad el uso de software basado en COTS (Commercial OffThe-Shelf) se ha hecho muy común dado que ofrece una solución de infraestructura y aplicaciones en áreas como es el tema que estamos tratando. Ya se ha pasado la etapa en la que las empresas se daban el lujo de producir sus propias aplicaciones de bases de datos, redes y la infraestructura de administración de la interfaz de usuario. Ventajas Disponibilidad inmediata. Evita el desarrollo costoso. Evita el mantenimiento costoso. Buena funcionalidad. Actualizaciones frecuentes que anticipan las necesidades del cliente. Organización dedicada al soporte. Independencia de hardware y software. • • • • • • •

Desventajas Retrasos por licenciamiento. Pagos por licenciamiento. Pagos frecuentes por mantenimiento. Confiabilidad desconocida o inadecuada. No se tiene control de las actualizaciones y mantenimiento. Dependencia al proveedor. • • • • • •

Cuando un cliente adquiere un software COTS este tiene que adaptar sus necesidades a las ofertas del mercado. El proveedor puede agregar algunas partes que requiera el cliente pero no todas. Esto significa que el cliente no puede esperar que todos sus requerimientos estén en la solución adquirida. Los requerimientos para integrar un nuevo sistema COTS con uno ya existente son difíciles porque los proveedores pueden utilizar diferentes formas de integrarlo y con otros sistemas diferentes. Cuando ya se ha realizado la compra el proveedor puede tener un monopolio de facto ya que solo él puede ampliar el sistema o integrarlo con otros sistemas.

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Procesadores en aviónica

Hoy en día y debido a la fuerte competitividad existente entre las compañías que fabrican los aviones, conocer exactamente que procesadores y para que se utilizan en los sistemas de aviónica se antoja complicado. Se sabe, más o menos, que procesadores se mueven en el mercado de la aviación pero su verdadera aplicación dentro de los sistemas de aviónica es un misterio salvo para algunos caso puntuales. Entre estos casos puntuales tenemos 2 procesadores: el PC7448 y el PC8641D. Sin embargo se conoce la existencia de otros muchos de los que no se sabe para que se utilizan, pero si que se utilizan en los sistemas de aviónica. PC7448

Este es un procesador fabricado por varias compañias entre las que se encuentran Atmel, Freescale… Se caracteriza por su alto rendimiento unido a su bajo consumo y su tecnología de 90nm. Es un procesador de tipo RISC, superescalar con un bus de datos de 32 bits y memoria caché de 1 Megabyte. Su frecuencia de trabajo oscila entre 1 y 1,25 Ghz según diferentes versiones y su aplicación en el campo de la aviónica se refleja en el diseño de radares y de las pantallas que se usan dentro de la cabina o cockpit. Este diseño se caracteriza porque es ideal para aplicaciones embebidas y para uso donde la fiabilidad y las condiciones externas afecten notablemente al funcionamiento del procesador.

PC8641D

Al igual que en el caso anterior este procesador esta fabricado por varias compañías. Sus características principales son aun alto rendimiento, como todo procesador que se emplee en aplicaciones de aviónica, y una latencia muy baja entre el microprocesador y la memoria caché. La tecnología utilizada es de 90nm y a diferencia del anterior este implementa una estructura de doble 7


núcleo con caché individual para cada uno de ellos su frecuencia de trabajo llega hasta 1,5 Ghz y se utiliza para diseñar los ordenadores de a bordo de los aviones. Es también un procesador superescalar y aporta una característica bastante interesante como es el multiprocesamiento simétrico (SMP) que permite que se ejecute un SO en cada núcleo pero desde el punto de vista del programador parece que esta escribiendo uno solo.

Otros procesadores

También existen otros procesadores en el mercado con características similares con respecto a la frecuencia de trabajo y a la memoria pero que debido al secretismo no se conoce exactamente cual es su aplicación práctica en cada uno de ellos. PC603R

PC107

PC8245

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Buses en aviónica

Una vez hemos hablado de los procesadores que se utilizan en los sistemas de aviónica, vamos a comentar que es lo que necesitan estos sistemas para que funcionen y se puedan enlazar entre si sin provocar ningún tipo de problemas al avión. Para conseguir esto se hace uso de los buses que son la clave para que todos los diseños de procesadores y sistemas de aviónica que los llevan funcionen correctamente. Su desarrollo se llevo a cabo para facilitar las conexiones entre los distintos sistemas y gracias a su robustez podemos enviar gran cantidad de datos sin temor a que se produzcan fallos. Hoy en día estos buses deben implantar sistemas de seguridad como los sistemas modulares triples o los buses duplicados. La conexión de los buses puede ser unidireccional o bidireccional (requiriéndose para esta dos buses, uno para cada sentido). También se pueden utilizar diferentes topologías para conectar los sistemas LRU. Este tipo de conexión permite que múltiples transmisores puedan transmitir a múltiples receptores mediante diversos buses. Este tipo de tecnología, que casi parece que fuera punto a punto, proporciona una alta fiabilidad a la hora de transmitir grandes paquetes de datos.

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ARINC429

Es el bus de datos más comúnmente empleado en los aviones de transporte comercial. ARINC 429 son unas especificaciones que definen como los equipos y sistemas de aviónica deben comunicarse entre sí. Éstos están interconectados por pares trenzados. La transmisión y recepción se hace por puertos distintos de modo que son necesarios bastantes cables en los aviones, ya que éstos usan un gran número de sistemas de aviónica. Las palabras con la que se transmiten los datos son de 32 bits y la conexión a través de los distintos puertos proporciona una gran fiabilidad y seguridad a la hora de transmitir los datos. ARINC664/AFDX

El bus ARINC 664/AFDX es el bus que hoy en día se esta implantando en los aviones mas modernos. Las siglas AFDX (Avionics Full Duplex Switched Ethernet) hacen referencia a un estándar que define las especificaciones eléctricas y el protocolo para el intercambio de datos entre subsistemas de la aviónica. Se caracteriza porque es mil veces mas rápido que su predecesor, el ARINC429, porque usa palabras de 32 bits para el intercambio de datos y porque las conexiones entre los diferentes sistemas de avionica son mediante ethernet y no “casi” punto a punto como en el ARINC429.

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Aplicaciones

Gracias a todos estos procesadores y buses, día a día, los aviones se convierten en medios más seguros, prácticos y cómodos para transportar a millones de personas a través de todo el mundo. Se trabaja en la mejora de los sistemas de avionica, en las comunicaciones, en la seguridad de los sistemas y los pasajeros… y todo eso es consecuencia a la evolución constante a la que se someten todos los microprocesadores y buses, los que existen y los que están por diseñar. De entre todo lo que se trabaja para mejorar he rescatado dos sistemas: SAFEE Y ADS-B. SAFEE

SAFEE, acrónimo de Security of Aircraft In The Future European Environment (seguridad aérea en el futuro entorno europeo), es un proyecto con el que se intenta restablecer la seguridad total en la industria del transporte aéreo, gracias a la creación de un sistema de seguridad avanzado que evite los ataques terroristas en los vuelos y corrija la trayectoria del avión si es necesario, para impedir que se estrelle contra un edificio o una montaña. El sistema se basa en la instalación de cámaras y sensores en las cabinas, que detectan gestos y conversaciones de los pasajeros durante el vuelo. Cualquier anomalía sospechosa genera una alerta que puede abortar un secuestro aéreo o desencadenar un sistema de gestión de emergencia, que conducirá automáticamente al aparato hasta el primer aeropuerto. El SAFEE fue lanzado en febrero de 2004 con la participación de empresas como Airbus, EADS, BAE Systems, Siemens, Thales, Airtel, con el apoyo de la Comisión Europea. El sistema podría estar disponible comercialmente entre 2010 y 2012. ADS-B

El equipo utilizará servicios de posicionamiento basados en satélites y enlaces aéreos para transmitir la posición, velocidad y otra información de los aviones a tierra, permitiendo a los aviones eliminar un gran número de sistemas de radares secundarios que están en uso en la actualidad, y que proporcionan información similar pero menos precisa. El ADS-B ha sido elegido como el sistema de vigilancia de próxima generación que estará activo en el año 2020. El sistema transmitirá elementos de 15 datos, como longitud y anchura del avión, posición, velocidad, altitud barométrica, matrícula, categoría de la aeronave (en función de su estela turbulenta), así como la aviónica de la que dispone o el equipo de emergencia que lleva a bordo. Todo ello posibilitará dirigir a los aviones por aerovías mucho más precisas que optimicen las separaciones y las altitudes, lo que a su vez redundará en el ahorro de combustible. Además, el equipo permitirá a los controladores situar más aviones en un espacio aéreo determinado, incrementando así la capacidad de éste. Se estima que debido al crecimiento que está experimentando la aviación, junto con los aviones no tripulados, para el 2025 los actuales radares serán insuficientes. Además creen que la implementación de este sistema supondrá 11


un horro de 10 billones de dólares, principalmente por el combustible, los costes operativos y la reducción de las distancias para el 2035.

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Referencias •

www.wikipedia.es

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www.ads-b.com

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www.aviationtoday.com

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www.powerdeveloper.org

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www.eetimes.com

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www.atmel.com

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www.freescale.com

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www.arinc.com

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www.vatmex.org

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www.isdefe.es

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Trabajo de la asignatura de 4º ETSIT Integracion de equipos para comunicaciones, “buses para aviónica” klabs.org/richcontent/conferences/faa_nasa_2005/presentations/cotsskaves.pps

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Microprocesadores en Avionica

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