Tutoriels instrumentation avionique


Le protocole ARINC 429

Description: l’ARINC 429 est un des plus anciens bus avionique. Développé par l’Aeronautical Radio INCorporation en 1977, il est encore utilisé aujourd’hui sur des nouvelles plates-formes même si d’autres bus plus récents sont plus fréquemment retenus. C’est un bus de données simple utilisant un seul émetteur et de 1 à 20 récepteurs par bus. On le retrouve notamment dans les Airbus A310/A320 et A330/A340, dans les Boeing du 727 au 767 et dans de nombreux autres systèmes avioniques tels que les hélicoptères Bell.

Support Physique: il s’agit d’une structure point à point. La communication est unidirectionnelle et pour une communication bidirectionnelle entre les systèmes, on utilise deux bus, un dans chaque direction. Un bus ARINC 429 utilise deux fils pour transmettre un encodage bipolaire avec retour à zéro. Les mots de 32 bits sont séparés par 4 bits-time NULL, il n’y a donc pas besoin d’un 3ème fil pour le signal d’horloge. Le bus unidirectionnel utilisé s’appelle DITS ce qui signifie : Mark33 Digital Information Transfert System. C’est une paire torsadée. Le bus ARINC 429 supporte deux types de débit : un haut débit de 100Kbps pour les «hautes» données (1% des données) et un faible débit variant entre 12Kbps et 14,5Kbps pour les «basses» données.

Niveau Liaison: Les données sont transférées sur les bus séries ARINC 429 par des mots de 32 bits. Chaque mot est séparé par un ‘trou inter-mots’ de 4 bits (bit-time). Nous sommes ici dans le cas d’une liaison point à point, donc le système de contrôle est aussi point à point. Trois protocoles sont définis dans ARINC 429 pour les données numériques, discrètes ou fichiers. Les transferts de données numériques ou discrètes sont effectués en utilisant un champ SAL (System Address Label) unique pour identifier la donnée contenue dans chaque mot. Les transferts de fichiers de données sont effectués par le protocole Bit-Oriented ou Williamsburg. Dans ce protocole, la source initialise les communications en envoyant des codes pré-définis. Si un transfert Bit-Oriented est désiré, la source enverra le mot code ‘ALO’. Si le récepteur peut recevoir les données, il répond avec ‘ALR’. Dans la plupart des cas, un message consiste en un mot de donnée. Le label définit le type de donnée du mot. Le Bit de parité permet de vérifier la validité de la transmission (en vérifiant qu’un bit ne s’est pas perdu).

Format des mots :

P SSM Données SDI Label
31 30 29 11 8

P : bit de parité (impaire)
SSM : Sign/Status Matrix
SDI : Source/Destination Identifier
LABEL : identifiant des données

De par la simplicité de sa topologie et des protocoles utilisés, ce bus est d’une très grande fiabilité. Et comme il n’y a qu’un seul émetteur par paire de fils, l’ARINC 429 est bien évidemment déterministe. Mais comme la transmission et la réception se font sur des ports séparés, le nombre de fils entre les différents systèmes de l’avion est très élevé. dans les systèmes embarqués qui ne peuvent supporter les pannes matérielles, il faut doubler la station maître pour éviter qu’une panne de celle-ci ne provoque la rupture complète du réseau, ce qui augmente considérablement le coût. De plus, ce protocole utilise une largeur de bande considérable comparativement à la capacité maximale du réseau.

Le protocole MIL-STD-1553

Description: Le MIL-STD-1553, ce qui signifie Military Standard, est comme son nom l’indique, un standard militaire, qui a été développé par l’armée américaine pour l’avion militaire F-16 en 1973. Une deuxième version appelée MIL-STD-1553B a été développée en 1978 et est utilisée pour tous les systèmes avioniques militaires. C’est cette deuxième version qui vous est proposée dans nos produits. C’est un bus série asynchrone qui permet les communications bidirectionnelles sur un bus simple. Les connections terminales ne sont pas autonomes, elles sont gérées par un contrôleur de bus. MIL-STD-1553B définit trois types de stations : un contrôleur de bus (Bus Controller, BC), les terminaux à distance (Remote Terminal, RT) et les moniteurs de bus (Bus Monitor, BM)

Support Physique: Le bus MIL-STD-1553B utilise une structure Commande/Réponse. Ce bus série est asynchrone et les messages sont multiplexés entre les utilisateurs. Le contrôleur de bus contrôle les flux pour toutes les données qui circulent sur le bus. C’est la seule machine qui peut initialiser les communications sur le bus. Le terminal à distance sert d’interface entre le sous-système et le bus 1553, transférant les données au et hors du sous-système sous le contrôle du contrôleur de bus. Le moniteur de bus assure seulement la fonction d’écoute pour les applications. Ce bus de données série utilise l’encodage Manchester 2 Doublet. Les récepteurs décodent le signal en utilisant l’horloge du signal pour extraire les bits du mot. La transmission des données se fait sur deux paires torsadées blindées (pour se protéger des parasites extérieurs). Et le taux de transmission des mots est de 1Mbps.

Niveau Liaison: Les mots sont transmis à 1Mbps sur des trames de 20 bits : 16 bits de données, 1 bit de parité et 3 bits de synchronisation. MIL-STD-1553 utilise la technique du polling comme système de contrôle. Un seul nœud contrôle l’accès au canal et les autres nœuds sont interrogés séquentiellement pour savoir s’ils ont des messages à envoyer. Si une station en a un, elle le transmet, puis le contrôleur de bus continue à interroger toutes les stations. Il existe deux types de formats de messages : le format de transfert d’information (non-broadcast) et le format de transfert de diffusion d’information (broadcast). Un message n’excède pas 32 mots. Le rapport signal/bruit est satisfaisant dans presque toutes les applications. Un terminal à distance peut avoir une erreur après 52 millions de mots reçus. C’est à dire environ une erreur toutes les 33 minutes pour des messages contrôleur de bus-terminal à distance de 10 mots à un taux de 1667 messages par secondes. Les messages de 10 mots à ce taux correspondent à peu près à la moitié de la capacité du bus. Si le système utilise des messages non-broadcast, ou vérifie les broadcast par un mode commande, le système détectera une erreur toutes les 33 minutes et activera le système de correction d’erreurs pour la résoudre. La probabilité pour qu’une erreur ne soit pas détectée est de 1 bit sur 10E21 bits transmis. Cela dépasse la durée de vie de l’application avant qu’une erreur ne soit pas détectée. Il est à noter que si une liaison se brise ou si le contrôleur de bus tombe en panne, c’est tout le réseau qui tombe. C’est pourquoi, pour éviter cela, MIL-STD-1553B utilise des bus redondants et un ou des contrôleurs de bus prêts à prendre le relais en cas de panne. Le MIL-STD-1553B détecte les fautes, il utilise aussi la double redondance de bus et de contrôleur de bus et il est tolérant aux fautes. C’est donc sa fiabilité qui a fait de lui le standard militaire. MIL-STD-1553B utilise le Polling comme protocole d’arbitrage. Le polling étant déterministe, MIL-STD-1553B l’est aussi. Le MIL-STD-1553B admet plusieurs émetteurs par bus donc, le poids des fils est considérablement réduit par rapport à l’ARINC 429.

Le protocole ARINC 664 (AFDX)

Description:L’AFDX est principalement un sous-ensemble de l’ARINC 664 et a été développé par Rockwell Collins pour Airbus. L’ARINC 664 est une norme pour l’adaptation des normes du réseau Internet (ethernet, protocoles IP, UDP …) pour une utilisation avionique. Ce bus entre dans le concept de l’avionique nouvelle et est utilisé dans l’Airbus A380. Ce bus est récent, l’accord pour l’étude de l’Airbus A380 ne datant que de 1997. Il est basé sur le concept de l’Ethernet duplex commuté comme son nom complet l’indique : Avionics Full Duplex Switched Ethernet. L’Ethernet classique n’a pas été jugé intéressant pour une application temps réel principalement à cause des collisions, conduisant à un délai d’accès au réseau non-borné. L’intérêt d’utiliser un commutateur Ethernet réside alors dans le fait que l’on peut contrôler les collisions voire les éliminer totalement lors de la phase de la configuration du réseau, garantissant ainsi un délai d’accès au réseau borné.

Support Physique: Sa topologie en bus ou en étoile est celle de l’Ethernet Full Duplex commuté adapté aux contraintes de sécurité propres à l’avionique civile. C’est un câble point à point utilisé dans les deux directions. Les liens Full Duplex sont utilisés pour éviter les limitations de distance et surtout pour garantir la largeur de bande aux stations. L’AFDX utilise l’encodage Manchester et utilise comme support les paires torsadées. Les données sont transmises à un taux de 100Mbps.

Niveau Liaison: Les trames ont une longueur allant de 46 à 1500 octets de données. Le format des messages est celui des trames Ethernet.

Format des messages

PA SFD DA SA L/T DATA FCS

PA : préambule :56 bits qui permettent à la station réceptrice de détecter et de synchroniser le signal.
SFD : délimiteur de début de trame d’1 octet.
DA : adresse de destination : de 2 à 6 octets.
SA : adresse de la source : de 2 à 6 octets.

En Ethernet Full Duplex commuté, les trames sont commutées sur les ports pour lesquels elles sont destinées, et un port saturé envoi un signal d’occupation. La largeur de bande n’est pas partagée car la transmission de trame se fait en parallèle. Lorsque le commutateur reçoit une trame, il la valide et la retransmet. Le délai pour une trame de 64 octets est de 50 microsecondes. Comme les liaisons sont point à point, ce protocole est déterministe. L’AFDX est un bus un peu plus évolué que les précédents. Il utilise en plus de la couche MAC, une couche IP et un niveau supplémentaire (niveau transport) en se servant du protocole UDP pour la transmission de ses messages.

Ce document issu du site http://www.aurel32.net/elec/ est reproduit avec l’aimable autorisation de son auteur.

Le protocole CAN

Le bus CAN (Controller Area Network) a été crée à la suite du besoin d’une solution de communication série dans les véhicules terrestres. C’est à la suite de la création du VAN (Vehicule Area Network) par Renault PSA, que Bosch a développé au milieu des années 80 le bus CAN qui a fait l’objet d’une normalisation ISO 18898.

Fonctionnement:

Ce protocole fonctionne de type multi maître, pour des messages plutôt courts. La norme ISO 11898 impose un débit maximum de 1Mbit/s. Cette vitesse est variable et régit selon la longueur qui sépare l’émetteur du récepteur. Voici un tableau résumant les configurations recommandées :

Débit Longueur (m)
1 Mbit/s 40
500 Kbit/s 100
100 Kbit/s 500
20 Kbit/s 100

Ce protocole fonctionne sur le principe d’une diffusion générale : c’est-à-dire que lorsqu’une transmission a lieu, aucune station n’est adressée en particulier ; c’est le message lui-même qui est explicitée par une identification reconnaissable par toutes les stations de réceptions. Grâce à cet identificateur, ces dernières sont toujours à l’écoute du réseau, elles reconnaissent et traitent les messages qui les concerne, et ignorent simplement les autres.

Cela dit, l’identificateur un mot définissant la priorité du message si plusieurs stations émettrices sont en concurrences. Ce mot est de 11 bits, donc jusqu’à 2048 messages. Chaque message peut contenir jusqu’à 8 octets de données.

Principe d’arbitrage:

Les données ont pour but d’être transmises en temps réel rapidement. Mais cela supposerai de pouvoir atteindre une vitesse de 1Mbit/s, mais surtout d’avoir une assignation rapide du bus en cas de conflits de priorité lorsque plusieurs stations souhaitent transmettre simultanément leurs messages.

Comme dit précédemment, la priorité est définie selon un mot de 11bits (format standard) ou 29 bits (format étendu). Intervient alors le principe d’arbitrage bit à bit : les nœuds émettant simultanément leurs messages vont comparer bit à bit l’identificateur de leur messages ; celui ayant le moins de priorité perdra donc la compétition.

Format de trames de messages:

Il existe deux formats de protocole CAN : Version 2.0 A et Version 2.0 B ; la différence résulte de la longueur de l’identificateur qui est de 11 bits pour le premier, et de 29 bits pour le second.

Voici la forme de la trame :

Une trame est composée des champs suivants :

– bit SOF (Start Of Trame) ;
– zone d’arbitrage (11 bits) ;
– bit RTR (Remote Transmission Request) : détermine s’il s’agit d’une trame de données ou d’une d’une trame de demande de message ;
– 1 bit réservé pour une utilisation future ;
– 4 bit DLC : nombre d’octets contenus dans la zone de données ;
– zone de données de longueur comprise entre 0 et 8 octets ;
– zone CRC de 15 bits :(Cyclic Redundancy Code) Ces bit sont recalculés à la réception et comparés aux bits reçus. S’il y a une différence, une erreur CRC est déclarée.
– zone EOF de 7 bits : (End Of Frame) permet d’identifier la fin de la trame.

Détection des erreurs:

La trame du protocole CAN intègre des mécanismes de détection d’erreurs ; aussi, sachant que chaque nœud surveille simultanément le bus, ils détectent les différences entre bits reçus et émis. Si erreur il y a, une émission d’un indicateur d’erreur appelé Error Flag interrompt la transmission. Tout cela est fait automatiquement sans faire appel aux développeurs et utilisateurs. Le système s’auto gère entièrement.