Exemple de l'avionique

Transcription

1 L'embarqué dans l'avionique Exemple de l'avionique

2 Domaine de l'avionique Contraintes spécifiques! coût! modularité! évolutivité! réutilisation! partage des ressources! certification! sécurité! résistance à l'environnement! performances 2

3 Exemple de l'avionique Exemples d applications " les ordinateurs de vol, " la commande et la surveillance des moteurs, " les systèmes de freinage, " les systèmes d'avertissement de sécurité, " la climatisation et la pressurisation de la cabine, " l'affichage dans le cockpit karen.godary@lirmm.fr 3

4 Exemple de l'avionique Exemples de systèmes de l'architecture de l'a380 Conditionnement, pressurisation Génération & distribution électrique Pilote automatique Commandes de vol Antigivrage Eclairage Maintenance Système de carburant Système de freinage Services aux passagers Instruments de bord Navigation Surveillance des portes Communications Protection incendie et fumées Génération & distribution hydraulique Train d'atterrissage Système propulsif Système de démarrage Eaux usées 4

5 Exemple de l'avionique Evolution des architectures avioniques Airbus 5

6 Exemple de l'avionique Evolution des architectures avioniques " Développement de l'avionique : Exemple en chiffres de 1983 (A310) à 1993 (A340), le nb d'équipements embarqués a augmenté de 50% (de 77 à 115) alors que la puissance embarquée a été augmentée par 4 (60Mips à 250Mips) Aujourd'hui, le système avionique correspond à 30% du coût total d'un appareil civil, et jusqu'à 50% d'un appareil militaire karen.godary@lirmm.fr 6

7 Exemple de l'avionique Evolution des architectures avioniques " Début de l'avionique (années 60) : remplacement progressif d'équipements analogiques par leurs homologues numériques! Architecture centralisée : les (rares) fonctions embarquées étaient gérées par un calculateur unique, central. " Développement de l'avionique : Progrès de l'électronique, informatique, et télécommunications Augmentation et complexification du nombre de fonctions (nouveaux besoins ou nouvelles réponses à d'anciens besoins) Avionique = avion + électronique. C'est l'ensemble des équipements et systèmes informatiques ou électronique embarqués à bord karen.godary@lirmm.fr 7

8 Exemple de l'avionique Architectures fédérales " Surtout utilisée ds des appareils militaires (ex F16 de l'us Air Force). " Topologie : les fonctions de traitement de données sont réparties géographiquement proches des capteurs / actionneurs (optim câblage et tps de comm) mais le contrôle des équipements est centralisé dans des calculateurs + puissants. " Communication : les contrôleurs sont connectés par des bus sécurisés déterministes (ex : MIL-STD-1553).! Avantage : simplicité, déterminisme, tolérance aux fautes (positions géographiques éloignées)! Inconvénient : besoin d'une grande intégration du contrôle du système! pas tjs possible, surtout pour des appareils civils ds lesquels les soussystèmes sont dvpés par " équipementiers (concurrence). karen.godary@lirmm.fr 8

9 Exemple de l'avionique Architectures réparties " Ex : Airbus A320 et A340, Boeing 777 " Topologie : les fonctions de traitement de données sont réparties comme dans les architectures fédérales, mais ici le contrôle des équipements est également réparti, les systèmes coopèrent pour l'accomplissement de la mission. " Communication : la conception du système est indépendante du moyen de communication choisi. " Modules : standardisation des modules en LRU (Line replaceable Unit), avec interface standard.! Avantage : maintenance facilitée simple remplacement d'un module si défaillant.! Inconvénient : mauvaise utilisation des ressources (1 seule fct / module) karen.godary@lirmm.fr 9

10 Exemple de l'avionique Avionique modulaire intégrée IMA Integrated Modular Avionics " Nouveau concept, utilisé en particulier dans l'a380 d'airbus ou le système AIMS Airplane Information Management System du Boeing 777. " Même principes que les architectures réparties. " MAIS avec une gestion des ressources entre plusieurs applications. " Modules génériques appelés LRM (Line Replaceable Module), eux même groupés en étagères. " 3 types de modules : modules cœurs : exécution des applications modules d'e/s : si les E/S ne sont pas des LRM modules passerelles : la comm entre étagères karen.godary@lirmm.fr 10

11 Exemple de l'avionique Avionique modulaire intégrée IMA Integrated Modular Avionics " L'architecture physique est décrite dans la norme ARINC 651. " L'architecture logicielle est décrite par la norme APEX " Communications : bus ARINC 659 (Boeing 777) ou AFDX (pour A380)! Avantages : Adaptabilité : modularité et reconfiguration Maintenabilité : modularité et standardisation Réduction des coûts : matériel mais aussi maintenance et évolution Gain en masse et volume : baisse du nb d'équipements, donc simplification du réseau de comm. karen.godary@lirmm.fr 11

12 L'embarqué dans l'avionique L'architecture de l'a

13 Exemple de l'avionique L'architecture avionique de l'a380 " L architecture de l A380 repose sur les nouveaux concepts d'architecture avionique modulaire intégrée (IMA). " Architecture A380 = IME (Integrated Modular Electronics) " L'architecture IME se fonde sur la technologie de l'ethernet commuté full-duplex : le réseau AFDX (Avionics Full Duplex switch Ethernet ). karen.godary@lirmm.fr 13

14 Exemple de l'avionique L'architecture avionique de l'a380 " Rmq : cette nouvelle "architecture modulaire intégrée" est proche de devenir un nouveau standard. Utilisation dans l'avion européen de transport militaire A400M. Prévu pour karen.godary@lirmm.fr 14

15 Réseaux pour l'avionique 15

16 Réseaux dans l'avionique ARINC " ARINC : Aeronautical Radio, Incorporated. " Société détenue par les principales compagnies aériennes et des constructeurs aéronautiques américains. " Connue pour définir les principaux standards de communications à l'intérieur des aéronefs et entre les aéronefs et le sol. " Industries concernées : aviation, aéroports, défense, gouvernement et transport. " Publie les standards définis par l'aeec (Airlines Electronic Engineering Committee) portant sur les bus et réseaux internes aux aéronefs et des protocoles utilisés dans l'aéronautique. karen.godary@lirmm.fr 16

17 Bus de l'avionique Principaux bus avioniques ARINC 429 " Un des + anciens bus avionique (1977) " Utilisation : Airbus A310/A320, A330/A340 (années #1990), Boeing du 727 au 767 (années #1980), et autres, comme les hélicoptères Bell. Mais de en utilisé. " Débit : de 12 ou 14,5 Kbit/s à 100Kbit/s " Bus unidirectionnel => 1 seul émetteur, 1 à 20 récepteurs karen.godary@lirmm.fr 17

18 Bus de l avionique ARINC 429 Caractéristiques * " Avantages :! Simplicité topologie et protocoles utilisés => très grande fiabilité! Un seul émetteur => déterminisme ** " Inconvénients :! Transmission et réception sur bus séparé => câblage élevé! Débit karen.godary@lirmm.fr ** gamerzone.over-blog.com/ * 18

19 le protocole ARINC

20 Réseaux dans l'avionique Principaux bus avioniques ARINC 629 " Bus bidirectionnel multi-émetteurs. " Créé en 1989 pour pallier au problème mono-émetteur de l'arinc 429. " Débit : 2Mbit/s, voir 8Mbit/s " Accès MAC : mélange de TDMA et CSMA/CA; 2 protocoles MAC possibles : BP ou CP (Basic Protocol et Combined Protocol) TDMA pour les échanges périodiques CSMA/CA pour les échanges sporadiques karen.godary@lirmm.fr 20

21 Réseaux dans l'avionique Principaux bus avioniques ARINC 629 " Protocole CP : basé sur des intervalles de temps " suivant les nœuds, qui permet de gérer l'ordre d'émission basé sur la notion de priorité (3 niveaux de transmission, et différentiation des différents nœuds) karen.godary@lirmm.fr 21

22 Bus de l avionique ARINC 629 Caractéristiques * " Avantages :! Déterminisme! Câblage amélioré par rapport au bus ARINC 429 ** " Inconvénients :! Performance et coût encore limités (%AFDX)! Difficile à mettre en œuvre pour les systèmes trop complexes karen.godary@lirmm.fr ** gamerzone.over-blog.com/ * 22

23 AFDX et Ethernet commuté 23

24 Ethernet commuté Technologie " Communications en mode full-duplex (IEEE 802.3x) " Utilisation de commutateurs industriels (switchs) " (Hiérarchisation des paquets selon la spécification IEEE q)! Augmentation du débit : 10 à 100Mbit/s, voir Gbit/s Commutateurs - switchs (ponts multiports) # Restriction des domaines de collisions Segment 1 Segment 2 Segment x partitionnement de segments karen.godary@lirmm.fr 24

25 Ethernet commuté Le full-duplex " Les supports physiques en paire torsadée (baset) ou en fibre optique permettent le full-duplex (mode duplex intégral).! Réception et envoi simultanés de données.! Besoin d'intelligence dans les répéteurs (hubs) : utilisation de commutateurs (switchs). " Les switchs traitent les paquets au passage. Ils ne transfèrent sur un segment que les paquets destinés aux nœuds situés sur ce segment (table d'appartenance).! Plus de collision (désactivation de l'algorithme de CD) karen.godary@lirmm.fr 25

26 Ethernet commuté Commutateur Source : F. Boniol karen.godary@lirmm.fr 26

27 Ethernet commuté Les commutateurs " Capacité de filtrage : nb de paquets / sec. pouvant être examinés " Capacité de transfert : nb de paquets / sec. transférer d'un segment à l'autre " Méthodes de transmission des paquets : Store and forward Cut through ou Worm hole Problématique de dimensionnement " Puissance et programmation des commutateurs " Configuration et quantité des mémoires-tampons " Nb d'@ MAC stockables; le plus souvent en autoapprentissage. " Backbone : connection entre des segments de débits différents " Rmq : la technologie a permis une nette évolution des commutateurs, bcp plus performants (par ex. processeurs ASIC au lieu des RISC). karen.godary@lirmm.fr 27

28 AFDX AFDX " AFDX : Avionics Full Duplex Ethernet " Développé par Rockwell Collins pour Airbus " Rmq : européen " AFDX est la partie 7 de la norme ARINC 664 " ARINC 664 est une norme pour l adaptation des normes d Internet (Ethernet, IP, UDP..) pour une utilisation avionique. karen.godary@lirmm.fr 28

29 AFDX AFDX " Basé sur le concept de l Ethernet commuté full-duplex " Avec en + une adaptation aux contraintes avioniques : Redondance et fiabilité supplémentaires (canaux, commutateurs) Suppression des collisions par configuration : topologie en étoile. Durcissement du medium physique pour s'adapter à l'environnement avionique " Réservation de la bande passante par l établissement d un VL (lien virtuel). Pour garantir l aspect TR, les VL sont associés à une notion de BP, fixant la taille des données et les délais. Cela permet d éviter les collisions et les re-transmissions. karen.godary@lirmm.fr 29

30 AFDX * Avantages " Mise en place facile : Pas de modification de matériel ou de configuration dans les stations de travail ou les serveurs. Pas de modification du câblage. Demande juste un remplacement des hubs par des switchs. " Plus de limitation (dimensionnement) dû au protocole. La longueur max dépend seulement de la propagation des signaux. " Bande passante : le haut débit et le full duplex permettent une utilisation maximale de la bande passante. " Pas de collision : déterminisme karen.godary@lirmm.fr * 30

31 AFDX Inconvénients ** " Overhead : Surcharge des couches TCP/IP Temps d'attente dans les commutateurs " Problématique du dimensionnement du réseau : pas encore de solutions miracles, recherches en cours.. " Pas unanimité sur ces capacités temps réel : même si topologie "extrême", c est-à-dire aucune collision, il reste une possibilité de perte de msg si dépassement des buffers des switchs. karen.godary@lirmm.fr ** gamerzone.over-blog.com/ 31

32 AFDX * Ca dépend ** " Câblage : + économique en câblage que les autres bus avionique MAIS topologie en étoile + switch câblage trop important (poids et place) pour l'automobile par exemple. " Coût : standard IEEE (très connu et non propriétaire) : coût d'utilisation réduits, technologie mûre (test, confiance), réutilisation des logiciels (développement et maintenance) MAIS switchs peuvent revenir chers (nb et si performants) ET par exemple pour les RLI : les entreprises possèdent souvent déjà des solutions "bus de terrain" # pas de réel besoin urgent de changer les choses (mais ca vient) karen.godary@lirmm.fr ** gamerzone.over-blog.com/ * 32

33 Exemple de l'avionique Références " "L'architecture avionique de l'a380", Pierre Froment, Airbus " «Introduction aux bus avionique ARINC 429, MIL-STD-1553, AFDX», JTelec " " " "Étude des bus avioniques", Solen Cochard, 2002 " "Réseaux embarqués :modélisation et évaluation de bus/réseaux avioniques", Ch. Fraboul - F. Frances - J. Grieu " "Analyse et évaluation de techniques de commutation Ethernet pour l interconnexion des systèmes avioniques", Jérôme Grieu, PhD, " karen.godary@lirmm.fr 33

34 Ethernet dans le monde industriel 34

35 Généralités : Impact des NTIC sur l! architecture Architecture selon modèle CIM Enterprise Resource Planning Manufacturing Execution System modèle CIM «aplani» (fusion niveaux 2-3-4) (source : Schneider Electric 2002) karen.godary@lirmm.fr 35

36 Ethernet * Pourquoi Ethernet dans l'industrie? " Standard de réseau local " Services web (avec TCP/IP) " Composants en grande quantité : moins coûteux " Débits plus élevés " Réduction du nb de réseaux différents dans l'entreprise " Réduction des coûts d'installation/maintenance (connaissance du réseau) " Intégration des systèmes de gestion (ERP,..) avec les automatismes! moins cher!!! karen.godary@lirmm.fr * 36

37 Ethernet ** MAIS " Ethernet est un réseau conçu pour la bureautique et non pour la communication industrielle " Deux contraintes principales : le durcissement de la connectique et des câbles pour l'environnement industriel agressif la question du temps réel (rappel : Ethernet est probabiliste) " Le 1 er problème est quasiment résolu (progrès du matériel, maintenant connecteurs RJ45 avec IP suffisant) " Par contre, le problème du manque de déterminisme d'ethernet n'est pas encore réglé. En particulier pour le bas niveau de la pyramide CIM, ie pour les réseaux de terrain.! Solutions?? karen.godary@lirmm.fr ** gamerzone.over-blog.com/ 37

38 Ethernet industriel - PROFINET Ethernet commuté - Fast Ethernet karen.godary@lirmm.fr 38

39 Commuté vs. Industriel vs. PROFINET vs. FastEthernet "Vocabulaire" " Ethernet DCR : Deterministic Collision Resolution, mais solution non implémentée. " Ethernet commuté : appellation générale de la technologie utilisée (fullduplex + commutateurs). " FastEthernet : appelé 100baseT; extension de l'ethernet classique, sur paire torsadée blindée de catégorie 5 (# 100Mbit/s). FastEthernet utilise le mode fullduplex associé à des commutateurs. " Ethernet industriel : appellation générale pour les versions d'ethernet utilisables en réseau de terrain. " PROFINET : une solution pour l'utilisation d'ethernet comme bus de terrain. " AFDX : une solution utilisée pour l'avionique (Eth commuté + adaptations). karen.godary@lirmm.fr 39

40 " FIN vraie) (la 40