СПОСОБ РАЗРАБОТКИ БОРТОВЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ НА ОСНОВЕ ИНТЕРФЕЙСА LVDS-M Российский патент 2025 года по МПК G06F11/26 G01R31/3181 

Изобретение относится к способам обработки цифровых данных с помощью электрических устройств для обнаружения и исправления ошибок.

Известен способ разработки бортовых электронных устройств (БЭУ) интерфейса LVDS-M, реализуемый при помощи устройства межмодульного обмена по магистрали LVDS-M с канальным резервированием и прямым доступом в память (патент РФ №2648574). С помощью данного устройства возможно разрабатывать БЭУ космических аппаратов (КА) поддерживающие интерфейс LVDS-M.

Недостатком данного способа является длительное время разработки БЭУ LVDS-M, ввиду длительного времени, необходимого на наземную отладку и обнаружение неисправностей разрабатываемого БЭУ КА.

Наиболее близким (прототипом) является способ разработки устройств LVDS при помощи отладочного устройства NI-6585 (NI-6585 [Электронный ресурс] // Сайт компании National Instruments. 2024. URL: https://www.ni.com/ru-ru/shop/model/ni-6585b.html).

Недостатком данного способа является длительное время разработки БЭУ LVDS-M, ввиду длительного времени, необходимого на наземную отладку и обнаружение неисправностей разрабатываемого БЭУ КА. Данное устройство, реализующее способ, содержит только описание алгоритмов работы с сигналами уровня LVDS, но в описании данного способа отсутствует описание алгоритмов формирования, кодирования (декодирования), обмена сигналами по интерфейсу LVDS-M, что потребует большого количества времени на их разработку, а значит и на разработку разрабатываемого БЭУ.

Для заявленного способа выявлены основные общие с прототипом существенные признаки:

Разрабатывают функциональную схему разрабатываемого БЭУ; на основе функциональной схемы разрабатывают электрические схемы разрабатываемого БЭУ; разрабатывают аппаратно-программные модели (АПМ) функциональных блоков (ФБ) разрабатываемого БЭУ на основе аппаратных модулей, поддерживающих стандарт Peripheral component interconnect extension for instrumentation (PXI) и содержащих в своем составе программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС), которые управляют внешними каналами ввода-вывода этого модуля, имитируя поведение внешних каналов ввода-вывода ФБ разрабатываемого БЭУ; при помощи разработанных АПМ ФБ БЭУ и других моделей БЭУ воссоздают на Земле бортовые системы, состоящие из БЭУ; заменяют некоторые АПМ ФБ разрабатываемого БЭУ натуральными ФБ разрабатываемого БЭУ; проводят серию экспериментов по обмену электрическими сигналами между ФБ БЭУ и АПМ ФБ разрабатываемого БЭУ с целью обнаружения неисправностей объектов контроля; исправляют обнаруженные неисправности разрабатываемых ФБ БЭУ путем их доработки; повторяют итерации контроля и доработки до тех пор, пока, в ходе проводимых экспериментов, не будет обнаружено неисправностей – тогда передают разработанное БЭУ в штатную эксплуатацию конечным потребителем в космическом пространстве

Технической проблемой прототипа является длительное время разработки БЭУ LVDS-M, ввиду длительного времени, необходимого на наземную отладку и обнаружение неисправностей разрабатываемого БЭУ КА.

Поставленная техническая проблема изобретения решается тем, что разрабатывают функциональную схему разрабатываемого БЭУ. На основе функциональной схемы разрабатывают электрические схемы разрабатываемого БЭУ. Разрабатывают АПМ ФБ разрабатываемого БЭУ на основе аппаратных модулей, поддерживающих стандарт PXI и содержащих в своем составе ПЛИС, которые управляют внешними каналами ввода-вывода этого модуля, имитируя поведение внешних каналов ввода-вывода ФБ разрабатываемого БЭУ. При помощи разработанных АПМ ФБ БЭУ и других моделей БЭУ воссоздают на Земле бортовые системы, состоящие из БЭУ. Заменяют некоторые АПМ ФБ разрабатываемого БЭУ натуральными ФБ разрабатываемого БЭУ. Проводят серию экспериментов по обмену электрическими сигналами между ФБ БЭУ и АПМ ФБ разрабатываемого БЭУ с целью обнаружения неисправностей объектов контроля. Исправляют обнаруженные неисправности разрабатываемых ФБ БЭУ путем их доработки. Повторяют итерации контроля и доработки до тех пор, пока, в ходе проводимых экспериментов, не будет обнаружено неисправностей – тогда передают разработанное БЭУ в штатную эксплуатацию конечным потребителем в космическом пространстве. Для обмена электрическими сигналами LVDS-M: задают всем портам и сигналам ПЛИС состояния, определенные им по умолчанию; конфигурируют ПЛИС таким образом, что задают адреса всем устройствам на шине LVDS-M, примененным для проведения экспериментов контроля на Земле. Проводят обмены электрическими сигналами следующим образом, по соответствующему физическому каналу: принимают от передатчика LVDS-M технологический электрический сигнал, сигнализирующий о начале передачи им сообщения в приемник; принимают электрический сигнал, содержащий технологические данные, определяющие направленность принимаемого сообщения; принимают от передатчика электрический сигнал, содержащий технологические данные, определяющие выбор устройства, в которое ведут запись или с которого ведут чтение; принимают от передатчика электрический сигнал, содержащий целевые данные; принимают электрический технологический сигнал от передатчика, сигнализирующий об окончании записи или чтения; декодируют данные, принятые в составе электрического сигнала по соответствующему физическому каналу, в соответствии с протоколом информационно-логического взаимодействия LVDS-M для БЭУ КА, а именно: подадрес, целевые данные и код коррекции. Анализируют электрический сигнал, содержащий полученные от передатчика данные, и формируют ответный электрический сигнал, содержащий ответные данные в соответствии с протоколом информационно-логического взаимодействия LVDS-M для БЭУ КА. Передают сформированные электрические сигналы по соответствующему физическому каналу.

Применение вышеописанного способа позволяет сократить время разработки БЭУ LVDS-M, путем сокращения времени наземной отладки и обнаружения неисправностей разрабатываемого БЭУ КА за счет реализации вышеописанных алгоритмов обмена электрическими сигналами по интерфейсу LVDS-M, при одновременном применении для их реализации определенных аппаратных средств, содержащих ПЛИС, внешние каналы ввода-вывода и реализованных по стандарту PXI.

Способ осуществляют следующим образом.

Разрабатывают функциональную схему разрабатываемого БЭУ. Схема электрическая функциональная (код Э2) – схема разъясняющая определенные процессы, протекающие в отдельных функциональных цепях изделия или в изделии в целом. Графическое построение функциональной схемы должно давать наиболее наглядное представление о последовательности процессов, иллюстрируемых схемой. На основе функциональной схемы разрабатывают электрические принципиальные схемы разрабатываемого БЭУ. Схема электрическая принципиальная (код Э3) – схема, определяющая полный состав элементов и связей между ними и дающая детальное представление о принципах работы изделия. Далее разрабатывают АПМ ФБ разрабатываемого БЭУ на основе аппаратных модулей, стандарта PXI или PXIe содержащих в своем составе ПЛИС, которые управляют внешними каналами ввода-вывода этого модуля, имитируя поведение внешних каналов ввода-вывода ФБ разрабатываемого БЭУ. ПЛИС применяют для реализации режима реального времени при моделировании. Часто БЭУ функционируют на высоких (сверхвысоких) частотах и чувствительны к времени отклика смежных электронных приборов и систем, зачастую, если не обеспечить время отклика с погрешностью, составляющей единицы микросекунд, то для моделируемой бортовой системы это является нештатной ситуацией и не получится запускать прогоны на Земле в режиме реального времени. То есть задача моделирования, а равно и разработки, подобных бортовых систем является сложной и нетривиальной. Современные ПЛИС функционируют на таких же частотах и с таким же уровнем временного детерминизма (время отклика на непредсказуемые запросы из окружающей среды) как БЭУ, при этом обладая гибкостью своего конфигурирования, что делает их применение очень подходящим для моделирования в реальном времени. Таким модулем с ПЛИС может быть, например, National Instruments (NI) PXI-7954R с адаптером NI-6585 (https://www.ni.com/en/shop/electronic-test-instrumentation/flexrio/what-is-flexrio/components-of-a-flexrio-system-with-modular-i-o.html). На языках описания аппаратуры (например, LabVIEW FPGA, Verilog, VHDL) создают проекты ПЛИС, управляющие каналами ввода-вывода модуля PXI АПМ. Преимущество такого подхода состоит в том, что применение аппаратного испытательного модуля в стандарте PXI, позволяет совместить разработанные АПМ с другим оборудованием в стандарте PXI, например с АПМ сторонних производителей, различными осциллографами, мультиметрами, аналоговыми генераторами и прочим оборудованием в стандарте PXI. Сам по себе стандарт PXI является одним из наиболее применяемых и перспективных, на сегодняшний день, стандартов контрольно-испытательного оборудования. Данный стандарт обладает рядом преимуществ по широте номенклатуры стандартизированных типов модулей, их совместимости между собой, стоимости, быстродействию, компактности и пр. Стандарт позволяет проводить синхронизацию оборудования по внутриприборной шине между управляющей ЭВМ и остальной PXI-аппаратурой, дает возможность «горячего» подключения/отключения PXI-устройств к крейтам. PXI-устройства обладают повышенной надежностью, имеют высокую степень защищенности от помех и пр. В приведенном аналоге (патент РФ №2648574) не описано моделирование на магистрально-модульных модулях, содержащих в своем составе ПЛИС, следовательно изобретение по этому патенту не обладает приведенными преимуществами. Можно предположить, что моделирование этого устройства для обнаружения его неисправностей на ранних этапах разработки проводится путем аппаратного макетирования, то есть монтажа электрорадиоизделий (ЭРИ) поверхностного монтажа на печатные платы, что является длительным и дорогостоящим процессом в сравнении с конфигурированием модулей ПЛИС из состава систем PXI. Это усугубляется необходимостью имитации нештатных ситуаций, тогда под каждую нештатную ситуацию придется создавать новый макет. Или, можно предположить, что для отладки БЭУ по данному способу применяется не стандартизованная испытательная аппаратура, которая потребует трудоемких и длительных операций по совмещению ее между собой, согласованию сигналов и пр.

Далее при помощи разработанных АПМ ФБ БЭУ и других моделей БЭУ воссоздают на Земле бортовые системы, состоящие из БЭУ. Подобную имитацию (моделирование) бортовых электронных систем на Земле проводят для проверки функционирования разработанных БЭУ при воспроизведении обменов электрическими сигналами между БЭУ с высокой степенью адекватности. Причем объектами контроля при подобных испытаниях может быть как аппаратная составляющая БЭУ, так и их управляющее ПО, протоколы обмена и пр. Далее, при необходимости, заменяют некоторые АПМ ФБ разрабатываемого БЭУ натуральными ФБ разрабатываемого БЭУ. Такая необходимость может возникнуть при отработке аппаратной составляющей БЭУ или при отсутствии возможности реализовать управляющее ПО разрабатываемого БЭУ в АПМ. Далее проводят серию экспериментов по обмену электрическими сигналами между ФБ БЭУ и АПМ ФБ разрабатываемого БЭУ с целью обнаружения неисправностей объектов контроля. Исправляют обнаруженные неисправности разрабатываемых ФБ БЭУ путем их доработки. Доработки БЭУ проводят путем исправления их электрических схем или управляющего ПО, или протоколов взаимодействия и пр. Повторяют итерации контроля и доработки до тех пор, пока, в ходе проводимых экспериментов, не будет обнаружено неисправностей – тогда передают разработанное БЭУ в штатную эксплуатацию конечным потребителем в космическом пространстве. При обмене электрическими сигналами проводят следующие операции. Задают всем портам и сигналам ПЛИС АПМ и ПЛИС из состава целевых разрабатываемых БЭУ (если они имеются при данном испытании) состояния (значения), определенные им по умолчанию – это делают для приведения БЭУ и АПМ, примененных для испытаний, в исходное состояние. При осуществлении предлагаемого способа авторами, данный параметр назван «Reset». Конфигурируют ПЛИС таким образом, что задают адреса всем устройствам на шине LVDS-M, примененным для проведения экспериментов контроля на Земле. Адрес на шине LVDS-M является уникальным идентификатором каждого ФБ. По значению адреса определяется абонент которому предназначено сообщение. Обмен электрическими сигналами по LVDS-M проводят по одному проводу, который является физическим каналом обмена. Проводят обмены электрическими сигналами следующим образом, по соответствующему физическому каналу: принимают от передатчика LVDS-M технологический электрический сигнал, сигнализирующий о начале передачи им сообщения в приемник; принимают электрический сигнал, содержащий технологические данные, определяющие направленность принимаемого сообщения; (инициатор обмена может передавать данные для их хранения в памяти приемника – это запись, а может запрашивать данные от приемника – это чтение); принимают от передатчика электрический сигнал, содержащий технологические данные, определяющие выбор устройства (Chip select), в которое ведется запись или с которого ведется чтение; принимают от передатчика электрический сигнал, содержащий целевые данные (все данные кроме технологических); принимают электрический технологический сигнал от передатчика, сигнализирующий об окончании записи или чтения; декодируют данные, принятые в составе электрического сигнала по соответствующему физическому каналу, в соответствии с протоколом информационно-логического взаимодействия LVDS-M для БЭУ КА, а именно: подадрес, целевые данные и код коррекции (СRC). Анализируют электрический сигнал, содержащий полученные от передатчика данные, и формируют ответный электрический сигнал, содержащий ответные данные в соответствии с протоколом информационно-логического взаимодействия LVDS-M для БЭУ КА; передают сформированные электрические сигналы по соответствующему физическому каналу. Код коррекции подсчитывают по алгоритму CRC-8 (https://ru.wikipedia.org/wiki/Циклический_избыточный_код).

LVDS – это метод передачи цифровых данных дифференциальными сигналами с малыми перепадами уровня (http://www.gaw.ru/html.cgi/txt/interface/lvds/lvds.htm). Этот метод приведен в двух стандартах: TIA/EIA. Данные стандарты определяют только электрические характеристики и не ограничивают функциональные спецификации, протоколы, характеристики кабелей, соединений. Технология и стандарты LVDS предполагают разработку частных прикладных интерфейсов, которые, в свою очередь, так же могут быть стандартизированы. Одним из таких интерфейсов является LVDS-M, который разработан в АО «РЕШЕТНЁВ» для предприятий Роскосмос и применяется для разработки КА ретрансляции, навигации и геодезии. Интерфейс LVDS-M описан в приведенном аналоге (патент РФ №2648574), а так же в данной заявке на изобретение.

Устройство NI-6585 (https://www.ni.com/en/shop/electronic-test-instrumentation/flexrio/what-is-flexrio/components-of-a-flexrio-system-with-modular-i-o.html), при помощи которого реализуется способ, принятый в качестве аналога, содержит только описание алгоритмов работы с сигналами уровня LVDS, но в описании данного способа отсутствует описание алгоритмов формирования, кодирования (декодирования), обмена сигналами по интерфейсу LVDS-M, что потребует большого количества времени на их разработку, а значит и на разработку разрабатываемого БЭУ.

Таким образом, предложенный в рамках данной заявки, Способ разработки БЭУ КА на основе интерфейса LVDS-M позволяет сократить время разработки БЭУ LVDS-M, путем сокращения времени наземной отладки и обнаружения неисправностей разрабатываемого БЭУ КА за счет реализации вышеописанных алгоритмов обмена электрическими сигналами по интерфейсу LVDS-M, при одновременном применении для их реализации определенных аппаратных средств, содержащих ПЛИС, внешние каналы ввода-вывода и реализованных по стандарту PXI.

Предложенный способ разработки БЭУ КА на основе интерфейса LVDS-M применен при разработке БЭУ КА АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М.Ф. Решетнёва» и подтвердил сокращение сроков, необходимых на их разработку.

Изобретение относится к способам обработки цифровых данных с помощью электрических устройств для обнаружения и исправления ошибок. Техническим результатом является сокращение времени разработки бортовых электронных устройств (БЭУ) LVDS-M космических аппаратов (КА). Способ заключается в том, что разрабатывают функциональную схему разрабатываемого БЭУ, затем на ее основе разрабатывают электрические схемы разрабатываемого БЭУ. Разрабатывают аппаратно-программные модели (АПМ) функциональных блоков (ФБ) разрабатываемого БЭУ на основе аппаратных модулей, поддерживающих стандарт PXI и содержащих в своем составе программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС), которые управляют внешними каналами ввода-вывода этих модулей, имитируя поведение внешних каналов ввода-вывода ФБ разрабатываемого БЭУ. При помощи разработанных АПМ ФБ БЭУ воссоздают на Земле бортовые системы, состоящие из БЭУ. Заменяют некоторые АПМ ФБ разрабатываемого БЭУ натуральными ФБ разрабатываемого БЭУ. Проводят серию экспериментов на Земле с целью обнаружения неисправностей объектов контроля. Исправляют обнаруженные неисправности разрабатываемых ФБ БЭУ путем их доработки. Повторяют итерации контроля и доработки до тех пор, пока, в ходе проводимых экспериментов, не будет обнаружено неисправностей – тогда передают разработанное БЭУ в штатную эксплуатацию конечным потребителем в космическом пространстве.

Способ разработки бортовых электронных устройств (БЭУ) космических аппаратов (КА) на основе интерфейса Low voltage differential signaling modified (LVDS-M), заключающийся в том, что разрабатывают функциональную схему разрабатываемого БЭУ; на основе функциональной схемы разрабатывают электрические схемы разрабатываемого БЭУ; разрабатывают аппаратно-программные модели (АПМ) функциональных блоков (ФБ) разрабатываемого БЭУ на основе аппаратных модулей, поддерживающих стандарт Peripheral component interconnect extension for instrumentation (PXI) и содержащих в своем составе программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС), которые управляют внешними каналами ввода-вывода этого модуля, имитируя поведение внешних каналов ввода-вывода ФБ разрабатываемого БЭУ; при помощи разработанных АПМ ФБ БЭУ воссоздают на Земле бортовые системы, состоящие из БЭУ; заменяют некоторые АПМ ФБ разрабатываемого БЭУ натуральными ФБ разрабатываемого БЭУ; проводят серию экспериментов по обмену электрическими сигналами между ФБ БЭУ и АПМ ФБ разрабатываемого БЭУ с целью обнаружения неисправностей объектов контроля; исправляют обнаруженные неисправности разрабатываемых ФБ БЭУ путем их доработки; повторяют итерации контроля и доработки до тех пор, пока, в ходе проводимых экспериментов, не будет обнаружено неисправностей – тогда передают разработанное БЭУ в штатную эксплуатацию конечным потребителем в космическом пространстве, отличающийся тем, что задают всем портам и сигналам ПЛИС состояния, определенные им по умолчанию; конфигурируют ПЛИС таким образом, что задают адреса всем устройствам на шине LVDS-M, примененным для проведения экспериментов контроля на Земле; проводят обмены электрическими сигналами следующим образом, по соответствующему физическому каналу: принимают от передатчика LVDS-M технологический электрический сигнал, сигнализирующий о начале передачи им сообщения в приемник; принимают электрический сигнал, содержащий технологические данные, определяющие направленность принимаемого сообщения; принимают от передатчика электрический сигнал, содержащий технологические данные, определяющие выбор устройства, в которое ведут запись или с которого ведут чтение; принимают от передатчика электрический сигнал, содержащий целевые данные; принимают электрический технологический сигнал от передатчика, сигнализирующий об окончании записи или чтения; декодируют данные, принятые в составе электрического сигнала по соответствующему физическому каналу, в соответствии с протоколом информационно-логического взаимодействия LVDS-M для БЭУ КА, а именно: подадрес, целевые данные и код коррекции; анализируют электрический сигнал, содержащий полученные от передатчика данные, и формируют ответный электрический сигнал, содержащий ответные данные в соответствии с протоколом информационно-логического взаимодействия LVDS-M для БЭУ КА; передают сформированные электрические сигналы по соответствующему физическому каналу.