Применение MicroPC в вычислительных комплексах специального назначения

Вы­со­кие тех­ни­чес­кие па­ра­мет­ры кон­трол­ле­ров Micro-PC фир­мы Octagon Systems обес­пе­чи­ли им до­стой­ное мес­то в ши­ро­ком спек­т­ре про­мыш­лен­ных при­ме­не­ний. Од­на­ко из­де­лия фир­мы не име­ют тех­ни­чес­ких ус­ло­вий, чет­ко ог­ра­ни­чи­ва­ю­щих их воз­мож­нос­ти, фор­маль­но не со­от­вет­ству­ют тре­бо­ва­ни­ям стан­дар­тов для от­вет­ствен­ных при­ме­не­ний.

С дру­гой сто­ро­ны, спе­ци­фи­чес­кое пол­оже­ние, в ко­то­ром ока­за­лись сей­час оте­чес­твен­ные раз­ра­бот­чи­ки аэро­кос­ми­чес­кой элек­тро­ни­ки, при­ве­ло к не­об­хо­ди­мос­ти оцен­ки пер­спек­тив­нос­ти ис­поль­зо­ва­ния из­де­лий за­ру­беж­ных фирм и в пер­вую оче­редь фир­мы Octa­gon Systems в со­ста­ве бор­товых и на­зем­ных спе­ци­а­ли­зи­ро­ван­ных сис­тем для автономных кос­ми­чес­ких ап­па­ра­тов (КА) на­ро­дно­хо­зяй­ствен­но­го на­зна­че­ния.

При этом сра­зу име­лась в ви­ду не-­об­хо­ди­мость про­ве­де­ния ис­пы­та­ний и до­ра­бот­ки из­де­лий, пред­на­зна­чен­ных для не­тра­ди­ци­он­но­го при­ме­не­ния. На­ши ра­бо­ты бы­ли под­дер­жа­ны фир­мой Octagon Systems и ее дис­трибь­юто­ром в Рос­сии фир­мой «Про­софт», в ре­зуль­та­те че­го, по­ми­мо про­ве­де­ния сво­их раз­ра­бо­ток, АО «Сис­те­ма» РНИИ кос­ми­чес­ко­го при­бо­рос­тро­е­ния ста­ло вы­пол­нять фун­к­ции ди­ле­ра и сис­тем­но­го ин­тег­ра­то­ра для поль­зо­ва­те­лей с не­тра­ди­ци­он­ны­ми за­про­са­ми.

С фир­мой Octagon Systems под­пи­са­но спе­ци­аль­ное со­гла­ше­ние, поз­во­ля­ю­щее ко­ор­ди­ни­ро­вать про­во­ди­мые ра­бо­ты и обес­пе­чи­вать пос­тавку из­де­лий по­вы­шен­ной над­еж­нос­ти. По ре­зуль­та­там ра­бо­ты в даль­ней­шем бу­дут вы­пу­ще­ны тех­ни­чес­кие ус­ло­вия для спе­ци­а­ли­зи­ро­ван­ных при­ме­не­ний на сбор­ки из плат MicroPC с га­ран­ти­я­ми на­ше­го пред­при­ятия для при­ме­не­ния как в сво­их раз­ра­бот­ках, так и для воз­мож­ных пос­та­вок смеж­ни­кам.

В статье при­во­дят­ся ос­нов­ные ре­зуль­та­ты ра­бот, вы­пол­нен­ных в РНИИ КП и АО НПП «Сис­те­ма» в 1995-96 гг.

За это вре­мя бы­ли про­ве­де­ны ис­пы-­та­ния кон­трол­ле­ров на пла­тах MicroPC, раз­ра­бо­та­на до­ку­мен­та­ция и из­го­тов­ле­ны пер­вые об­раз­цы

• от­ка­зо­ус­той­чи­во­го бор­то­во­го кон­трол­ле­ра для це­ле­вой сис­те­мы КА с дли­тель­ным сро­ком ак­тив­но­го су­щес­тво­ва­ния (САС);
• мно­го­ма­шин­но­го вы­чис­ли­тель­ного ком­плек­са для кон­троль­но-про­ве­роч­ной ап­па­ра­ту­ры (ВК КПА) бор­то­вых ра­дио­тех­ни­чес­ких сис­тем и ком­плек­сов;
• ре­зер­ви­ро­ван­но­го ВК для на­зем­но­го ком­плек­са уп­рав­ле­ния (НКУ).

В ре­зуль­та­те сис­тем­ной про­ра­бот­ки струк­тур ВК для пред­пол­ага­е­мых борто­вых при­ме­не­ний на­ибо­лее пер­спек­тив­ны­ми, по на­ше­му мне­-нию, яв­ля­ют­ся сле­ду­ю­щие про­цессор­ные пла­ты MicroPC:

• 6024, 6012 (с расширением 5600) для пер­вых бор­то­вых при­ме­не­ний как на­ибо­лее от­ра­бо­тан­ные, с ма­лым пот­реб­ле­ни­ем, с мак­си­маль­ным вре­ме­нем на­ра­бот­ки на от­каз и име­ю­щие удоб­ные вы­ход­ные се­че­ния;
• 5025А, 5648 для при­ме­не­ний в на­зем­ной ап­па­ра­ту­ре;
• 4020, 4040 весь­ма пер­спек­тив­ны по объ­яв­лен­ным ха­рак­те­рис­ти­кам и, воз­мож­но, ста­нут еди­ными ба­зо­вы­ми пла­та­ми пос­ле на­ча­ла их се­рий­но­­го про­из­вод­ст­ва и про­ве­де­ния со­от­вет­ству­ю­щих ис­пы­та­ний.
  
  

Кро­ме из­де­лий Octagon Sys­tems, в ап­па­ра­ту­ре пред­пол­а­га­ет­ся ис­поль­зо­ва­ние плат флэш-па­мя­ти фир­­мы M-Sys­tems и мо­ду­лей пи­та­ния фир­мы In­ter­po­int, а так­же специ­али­зи­ро­ван­ных узлов на базе вы­со­ко­на­деж­ных оте­чес­твен­ных КМОП ИС се­рии 564В (ана­лог CD-4000).

Ис­пы­та­ния

Ис­пы­та­ни­ям под­вер­га­лись два кон­трол­ле­ра (БК-1 и К2) с при­ме­не­ни­ем про­цес­со­ров NEC V20 (пла­ты 6012, 5600, 5640) и 386 (пла­ты 5025А, 5710, PC-FD-4, 5500). Кон­трол­лер БК-1 был со­бран в спе­ци­аль­ном кон­струк­ти­ве, обес­пе­чи­ва­ю­щем до­пол­ни­тель­ную ус­той­чи­вость к ме­ха­ни­чес­кой на­груз­ке. Ре­зуль­та­ты ис­пы­та­ний и за­ме­ча­ния по их ито­гам при­ве­де­ны в таб­ли­це 1.

В про­цес­се вы­пол­не­ния те­ку­щих раз­ра­бо­ток ис­пы­та­ния бу­дут про­дол­же­ны с целью оп­ре­де­ле­ния воз­мож­нос­ти ра­бо­ты вне гер­ме­тич­но­го кон­тей­не­ра КА. Про­во­дят­ся ис­пы­та­ния на уро­вень вы­де­ле­ния га­за в ва­ку­у­ме и раз­ру­ша­ю­щий кон­троль ка­чес­т­ва плас­тмас­со­вых кор­пу­сов. На­чи­на­ют­ся фор­си­ро­ван­ные ре­сур­с­ные ис­пы­та­ния для под­твер­жде­ния ве­ро­ят­нос­ти без­от­каз­ной ра­бо­ты (ВБР). Рас­чет­ная ВБР кон­трол­ле­ра, рас­смот­рен­но­го да­лее, — 0,98 (САС – 7 лет).

Бор­то­вой кон­трол­лер

В ка­чес­т­ве ана­ло­га для пер­вых при­ме­не­ний MicroPC в бор­то­вой ап­па­ра­ту­ре КА был вы­бран хо­ро­шо за­ре­ко­мен­до­вав­ший се­бя от­ка­зо­ус­той­чи­вый кон­трол­лер сис­те­мы, на­хо­дя­щей­ся в эк­сплу­а­та­ции на ор­би­те око­ло 10 лет. 

В на­сто­я­щее вре­мя на­ме­ти­лись на­прав­ле­ния мо­дер­ни­за­ции всей сис­те­мы. По­­­это­му воз­мож­ность быс­т­рой ком­по­нов­ки ядра контроллера из плат MicroPC ка­за­лась до­ста­точ­но за­ман­чи­вым ре­ше­ни­ем, не тре­бу­ю­щим боль­ших за­трат и тру­до­ем­кой раз­ра­бот­ки.

Мож­но вы­де­лить сле­ду­ю­щие осо­бен­нос­ти бор­то­вых кон­трол­ле­ров и ЭВМ для сис­тем КА.

1. Крат­ность ре­зер­ви­ро­ва­ния 2...4.
2. Ра­бо­та в мно­го­за­дач­ном цик­ли­ческом ре­жи­ме, син­хро­ни­зи­ру­е­мом по внеш­ней син­хро­сет­ке.
3. Спе­ци­а­ли­зи­ро­ван­ные ин­тер­фей­сы, в том чис­ле не име­ю­щие ана­ло­гов в вы­чис­ли­тель­ных сред­ст­вах ши­ро­ко­го на­зна­че­ния.
4. Вы­со­кая ве­ро­ят­ность ис­ка­же­ния ин­фор­ма­ции за счет внеш­них по­мех и, сле­до­ва­тель­но,  до­пол­ни­тель­ные тре­бо­ва­ния по ее за­щи­те и вос­ста­нов­ле­нию.

Струк­тур­ная схе­ма от­ка­зо­ус­той­чи­во­го кон­трол­ле­ра при­ве­де­на на рис. 1.

В кон­трол­ле­ре ис­поль­зу­ет­ся мик­ро­ЭВМ на ба­зе плат MicroPC це­ле­вой по­став­ки: 6024 (в даль­ней­шем 4020) и 5600. В сис­тем­ной и ин­тер­фей­с­ных пла­тах ис­поль­зу­ют­ся в ос­нов­ном оте­чес­твен­ные мик­рос­хе­мы.

Ос­нов­ная про­бле­ма — обес­пе­че­ние от­ка­зо­ус­той­чи­вос­ти — ре­ша­ет­ся по став­шей тра­ди­ци­он­ной схе­ме про­грам­м­­но-ап­па­рат­но­го уп­рав­ле­ния (па­тент РФ № 205470, при­ори­тет от 15.8.93) тре­мя ком­плек­та­ми мик­ро­ЭВМ и дву­мя ка­на­ла­ми ин­тер­фей­с­ных со­гла­со­ва­те­лей по вхо­ду и вы­хо­ду. Для свя­зи УПО (уз­ла под­дер­ж­ки от­ка­зо­ус­той­чи­вос­ти) и ин­тер­фей­с­ных со­гла­со­ва­те­лей с мик­ро­ЭВМ ис­поль­зу­ют­ся пор­ты LPT, Com1-3 пла­ты 6024 и три пор­та пла­ты 5600. Име­ют­ся пе­ре­вяз­ки на вхо­де и вы­хо­де кон­трол­ле­ра, меж­ду ин­тер­фей­сны­ми ка­на­ла­ми и каж­дым про­цес­со­ром с воз­мож­нос­тью меж­про­цес­сор­но­го об­ме­на (МПО). Каж­дая грань ре­зер­ви­ро­ва­ния про­цес­со­ра и ин­тер­фей­сов за­пи­ты­ва­ет­ся от со­бствен­но­го мо­ду­ля вто­рич­но­го ис­точ­ни­ка пи­та­ния.

В УПО со­сре­до­то­че­ны ап­па­рат­ные сред­ст­ва, са­мос­то­я­тель­но ре­а­ли­зу­ю­щие ал­го­ритм вы­бо­ра ве­ду­ще­го (ВД) ком­п­лек­та мик­ро­ЭВМ в за­ви­си­мос­ти от ре­зуль­та­тов те­ку­ще­го фун­кци­о­ни­ро­ва­ния всех ком­плек­тов:

• са­мо­тес­ти­ро­ва­ния ком­плек­тов ПРЦ;
• вза­им­но­го тес­ти­ро­ва­ния;
• ре­зуль­та­тов об­ра­бот­ки те­ку­щей ин­фор­ма­ции;
• со­хран­нос­ти ин­фор­ма­ции в ЗУ;
• оцен­ки вы­да­ва­е­мой ин­фор­ма­ции;
• срав­не­ния вход­ной ин­фор­ма­ции, при­ня­той раз­ны­ми комплек­та­ми.

В ре­зуль­та­те этой про­це­ду­ры УПО фик­си­ру­ет од­ну ве­ду­щую мик­ро­ЭВМ, ко­то­рая мо­жет вы­да­вать ин­фор­ма­цию. 

Ос­таль­ные ком­плек­ты мик­ро­ЭВМ мо­гут толь­ко при­ни­мать ин­фор­ма­цию — их вы­хо­ды бло­ки­ру­ют­ся ап­па­рат­но. При не­раз­ре­ши­мых (ава­рий­ных) си­ту-­а­ци­ях кон­фи­гу­ра­ция мо­жет ус­та­нав­ли­вать­ся при­ну­ди­тель­но – по внеш­ним ра­дио­ко­ман­дам.

По этим ко­ман­дам мож­но

• за­пре­тить со­сто­я­ние «ВД» у од­но­го или двух лю­бых ком­плек­тов мик­ро­ЭВМ;
• снять пи­та­ние с од­но­го или двух лю­бых ком­плек­тов мик­ро­ЭВМ (од­на мик­ро­ЭВМ всег­да вклю­че­на).

Ра­бо­та ком­плек­тов мик­ро­ЭВМ син­хро­ни­зи­ру­ет­ся по пре­ры­ва­ни­ям от внеш­ней сет­ки. Ком­плек­ты мо­гут об­ме­ни­вать­ся друг с дру­гом с целью вос­ста­нов­ле­ния ин­фор­ма­ции в ЗУ, исп­рав­ле­ния сбоев при вы­чис­ле­ниях и т. п.

Вход­ная ин­фор­ма­ция че­рез дуб­ли­ро­ван­ные ка­на­лы пос­ту­па­ет на три мик­ро­ЭВМ для не­за­ви­си­мой об­работ­ки (с воз­мож­ностью об­ме­на ре­зуль­та­та­ми по МПО).

Ве­ду­щий вы­да­ет ин­фор­ма­цию по од­но­му из ка­на­лов ин­тер­фей­с­ной пла­ты на дуб­ли­ро­ван­ные внеш­ние свя­зи. Вы­да­ва­е­мая ин­фор­ма­ция «под­слу­ши­ва­ет­ся» все­ми ком­плек­та­ми. Ошиб­ка в выда­ва­е­мой ин­фор­ма­ции яв­ля­ет­ся ос­но­ва­ни­ем для пе­ре­клю­че­ния на дру­гой ка­нал ин­тер­фей­сно­го уз­ла и/или для пе­ре­клю­че­ния ве­ду­ще­го ком­плек­та мик­ро­ЭВМ че­рез уз­лы УПО.

При на­зем­ных ис­пы­та­ни­ях че­рез внеш­ний гер­мо­разъ­ем мож­но за­бло­ки­ро­вать и пе­ре­за­пус­тить лю­бой ком­плект, за­пре­тить пре­ры­ва­ния по сто­ро­же­во­му тай­ме­ру для лю­бо­го ком­плек­та, про­кон­тро­ли­ро­вать мас­си­вы вы­да­ва­е­мой ин­фор­ма­ции.

В кон­трол­ле­ре пред­ус­мат­ри­ва­ет­ся ка­нал вы­да­чи ин­фор­ма­ции в те­ле­мет­ри­чес­кую сис­те­му от ве­ду­ще­го ком­плек­та. По это­му же ка­на­лу ве­ду­щий мо­жет пе­ре­дать те­ле­мет­ри­чес­кую ин­фор­ма­цию с лю­бо­го дру­го­го ком­плек­та, ис­поль­зуя МПО.

Для вы­пол­не­ния фун­к­ций об­ме­на с внеш­ни­ми або­нен­та­ми пред­пол­ага­ет­ся ис­поль­зо­вать сеть на ба­зе RS-485. Ве­ду­щий ком­плект че­рез оп­то­раз­вяз­ку фор­ми­ру­ет дуб­ли­ро­ван­ную ма­гис­траль, ко­то­рая так­же вы­во­дит­ся на гер­мо­разъ­ем и мо­жет ис­поль­зо­вать­ся как тех­но­ло­ги­чес­кий ка­нал КПА при на­зем­ных про­вер­ках.

Как вид­но из при­ве­ден­ных в статье ре­зуль­та­тов ис­пы­та­ний, на­ибо­лее сла­бы­ми уз­ла­ми, оп­ре­де­ля­ю­щи­ми ус­той­чи­вость к ра­ди­а­ци­он­но­му об­лу­че­нию, яв­ля­ют­ся ЗУ BIOS и Setup. ЗУ BIOS пред­пол­ага­ет­ся за­ме­нить на ма­соч­ное, а ЗУ Setup не ис­поль­зо­вать во­все. (Кон­фи­гу­ра­ция жес­т­ко про­ши­ва­ет­ся в BIOS.) В кон­трол­ле­ре ис­поль­зу­ют­ся спе­ци­аль­но раз­ра­бо­тан­ная вер­сия BIOS, PTS-DOS (АО «Физ­тех-Софт»), мно­го­за­дач­ный мо­ни­тор и ори­ги­наль­ное ПО обес­пе­че­ния от­ка­зо­ус­той­чи­вос­ти. Прикладной про­грам­мист ра­бо­та­ет на язы­ке вы­со­ко­го уров­ня и осо­бен­нос­ти ре­зер-­ви­ро­ва­ния прак­ти­чес­ки не за­ме­ча­ет.

ПО кон­трол­ле­ра обес­пе­чи­ва­ет воз­мож­ность за­груз­ки про­грамм и дан­ных в ви­де фай­лов по тех­но­ло­ги­чес­ко­му ка­на­лу RS-485 (при на­зем­ных ис­пы­та­ни­ях), че­рез ра­дио­ли­нию (при сме­не про­грамм во вре­мя эк­сплу­а­та­ции) и че­рез ка­нал МПО (для вос­ста­нов­ле­ния со­дер­жи­мо­го па­мя­ти).

Кон­струк­тив ра­мы кон­трол­ле­ра ос­та­ет­ся без осо­бых из­ме­не­ний от­но­си­тель­но ана­ло­га. Од­но­типные пла­ты MicroPC по 3 шт. ус­та­нав­ли­ва­ют­ся в спе­ци­аль­ные рам­ки. Две рам­ки с пла­та­ми 6024 и 5600 со­еди­ня­ют­ся меж­ду со­бой и ус­та­нав­ли­ва­ют­ся на пли­ту. С дру­гой сто­ро­ны на пли-ту ус­та­нав­ли­ва­ют­ся рам­ки сис­тем­­ной (УПО) и ин­тер­фей­с­ных плат, а также платы  вто­рич­но­го ис­точ­ни­ка пи­та­ния. Пли­та кре­пит­ся к ра­ме че­рез амор­ти­за­то­ры. В ка­чес­т­ве ка­бе­лей меж­ду MicroPC и ин­тер­фей­сны­ми пла­та­ми пред­­пол­ага­ет­ся ис­поль­зо­вать ка­бе­ли ком­плек­та Mic­roPC. Все ка­бе­ли Micro-PC име­ют до­пол­ни­тель­ное креп­ле­ние к рам­ке. Ра­ди­а­ци­он­ная за­щи­та от ни­зко­э­нер­ге­ти­чес­ких час­тиц обес­пе­чи­ва­ет­ся ма­те­ри­а­лом ра­мы. (Па­ри­ро­ва­ние сбо­ев от час­тиц вы­со­ких энер­гий обес­пе­чи­ва­ет­ся сис­те­мой обес­пе­че­ния от­ка­зо­ус­той­чи­вос­ти.)

Со­хра­ня­ют­ся все при­со­еди­ни­тель­ные раз­ме­ры ра­мы. Объ­ем ра­мы ис­поль­зу­ет­ся на 60 %. Мас­са мень­ше на 10 кг. (При этом быс­тро­дей­ст­вие кон­трол­ле­ра луч­ше в 2-3 ра­за, чем у ана­ло­га, а объ­ем ЗУ боль­ше в 4 ра­за.)

Вы­во­ды

1. Пла­ты MicroPC яв­ля­ют­ся пер­спек­тив­ны­ми для ис­поль­зо­ва­ния в со­ста­ве бор­то­вой ап­па­ра­ту­ры ав­то­ном­ных КА с дли­тель­ным САС и для дру­гих специ­аль­ных при­ме­не­ний при ус­ло­вии:
   - пос­тав­ки с ужес­точен­ными тре­бо­ва­ни­я­ми по качес­т­ву;
   - про­ве­де­ния не­ко­то­рых изме­нений в кон­струкции и ПО;
   - до­пол­ни­тель­ной за­щи­ты плат от ме­ха­ни­чес­ких пе­ре­гру­зок и воз­дей­ст­вия ра­ди­а­ции.
2. РНИИ кос­ми­чес­ко­го при­бо­рос­тро­е­ния и АО НПП «Сис­те­ма» пред­пол­ага­ют вы­пус­кать кон­трол­ле­ры с ис­поль­зо­ва­ни­ем плат MicroPC для ко­неч­ных пот­ре­би­те­лей с про­ве­де­-ни­ем не­об­хо­ди­мых до­ра­бо­ток и при­емо-сда­точ­ных ис­пы­та­ний по ЧТУ с со­бствен­ны­ми га­ран­ти­я­ми. ●

О.П. Гобчанский работает в РНИИ КП