宇宙機アビオニクスにおける冗長I2Cの使用

私は最近、JPL x2000アビオニクス開発プロジェクトに関するこのレポートを読みました。このプロジェクトは、コストと電力を削減するために、商用シリコンを使用してよりモジュール式のアビオニクスプラットフォームを開発しました。彼らは、宇宙船のすべての電子機器をリンクする2つの冗長プロトコルのアーキテクチャを選択しました。大容量データには高速1394バスが使用され、低帯域幅制御にはI2Cバス（100kHz）が使用されます。これはマルチマスターバスとして構成され、すべてのノードが相互に通信できます。

私は複数のセンサーにI2Cを使用していませんが、私が理解していることから、深刻な距離制限があることがわかります。私は宇宙船の中で、かなり長いワイヤーハーネスがあるかもしれません。

2つの冗長I2Cバスがあることに加えて、各デバイスには、バスとこことここに描かれているメインチップ間の分離を提供するカスタムASICがあります。このチップはおそらく何らかの調整を提供していますか？

大型車両内の通信に1つのPCB内の通信用に設計されたプロトコルを使用することを選択した理由を誰かが説明できますか？

たぶん、明確な答えは1つではないことはわかっていますが、そのような選択にどのような要因があるかについて聞きたいと思います。

はい、I2Cには長さの制限がありますが、彼らが意図しているのは、宇宙船や他の宇宙船の周りに配置されたセンサーとの通信を考えるのではなく、同じサブシステム内にある同じボード上の他のICと通信することです関連システム。今日のほとんどのICにはI2Cが組み込まれていますが、データレートと距離は制限と見なすことができます。他のICとのオンボード通信では、非常に信頼性の高いデータ転送と制御の方法が得られます。電力管理機能（PMIC）、オンボード温度センサー、MEMSベースの加速度計、ジャイロなどのICは、ほんの一例ですが、I2Cは実行可能な候補です。

• これは、1つのPCBエンドポイントではなく、短い最大400pFのリンク上の多数のマルチドロップポイント用に設計されました。スイッチを使用したバッファまたはリピータなしでは、最大15mになる可能性があります。
• I2Cは、短距離低帯域幅センサー（数m）および長距離通信用のIEEE 1394高速リンク用です。

レポートからの機能強化**

• どちらのバスもマルチマスターであるため、対称的なスケーラブルな分散アーキテクチャをサポートしています。

• プロトコルの層がI2Cバスに追加されます。このプロトコルには、アドレスの後のバイトカウントとデータの後の2つのCRCバイトが含まれます。X2000の設計では、特別なハードウェアメッセージコマンドを使用して重要な機能を制御します。これらのメッセージの場合、コマンドが送信され、その後にその補足が続き、さらに1つの保護層を提供します。

• バス電源障害などの壊滅的な障害状態では、両方のCOTSバスセットが失敗し、ノード間のすべての通信が失われる可能性があります。通信を再確立するために、各ノードは一連のリンクの有効化/無効化アクティビティで構成される分散リカバリ手順を実行できます。

• 壊滅的な障害の原因はアビオニクスシステム内ではない可能性があるため、分散リカバリ手順が成功する保証はありません。したがって、このアプローチは、宇宙船を救うための最後の手段にすぎません。

意見

• 最後のポイントは、バスドライバーとケーブルを意味します。スペースやシステムが放射するケーブルのEMI砂の選択、BERレベルとイミュニティレベルなど、「シグナルインテグリティ」に関連するトピックについて著者が言及しなかったことに驚いていません。
• シグナルインテグリティとエラーレートに関する情報がこのように抑制されているため、レポートに欠陥があると思います
• OSI 7レイヤーの物理レイヤー1の上にあるデジタルレイヤーがすべてのレポートで説明されています。
• しかし、それは彼らが専門家やアナログデータを持っていなかったことを意味するのではなく、それはそこで報告されなかっただけです。
• コスト、RAD強化されたCOTSの利用可能性、および低電力に基づいてI2Cを選択したので、シグナルインテグリティの問題を適切に管理できれば、堅牢な障害検出/修正/復旧の冗長設計にそれほど依存する必要はありません。
• オープンコレクタードライバーがパッシブRプルアップの代わりに電流ソースプルアップなどの信号マージンを強化するために使用できる、一致しない終端方法があります。

逸話的

これは、80年代半ばにバローがEMC試験方法の企業設計基準と、伝導ノイズ、放射ESD、放射バーストRF、100kHz磁場からの掃引RFの放射平面波に対する耐性の許容レベルの仕様を更新する際にサポートした領域です。 1 GHzラックマウントアンプを備えた磁気コイルと、10 ^ 10ビットの0ビットエラーを確認するためのサーボEフィールドフラット応答のオプトフィードバック付き12面体フラットアンテナを使用して、非常に高いフィールド強度でx GHz放射フィールドに

NXPは、I2Cと呼ばれるこの2線規格の属性を次のように定義しています。

•非常に低い消費電流
•高いノイズ耐性。
•広い供給電圧範囲。
•広い動作温度範囲。

ただし、ケーブルの容量、したがってケーブルの選択と長さ、近くの過渡的な高電流または高スルーレート電圧のレベル、ドライバタイプのアクティブな50オームのCMOSバッファタイプまたは電流源終端、および多くのバリエーションによって制限されます。

NXPの仕様では、ペアのインピーダンスによっては通常20pF / ftになる可能性のある100kHzから100pFまでの負荷では問題がなく、100Kbpsで最大100pFから400pFを処理するための脚注です。

それが私なら、最も高いインピーダンスのツイストペア（240〜300 +）を選択し、ラッチアップ保護付きの定電流シンクを使用します。

いずれの場合も、経験のある伝送ライン設計エンジニアは、これらの短距離リンクの信号の完全性を設計/ストレステストし、検証する必要があります。

補遺

スタンフォードエンジニアリングの学生は、電源再循環用のウォッチドッグタイマーや、バスに多重化された回復オプション用のビットバンギングポートなど、宇宙通信の拡張機能を開発しました。

意見

主な問題はビットエラーレートの「シグナルインテグリティ」ではなく、ガンマ線インパルスによるハード障害であり、これらの高エネルギーのV / um電界強度が高いため、大型のリソグラフィーCMOSデバイスでもラッチアップを引き起こす可能性があると解釈します。パルス。私の経験からの彼らの回復方法は、MTSテストホームのプロジェクトIDAでの25kV ESDの私の経験から80年代前半まで正しく実装されました

逸話的

プロジェクトIDAはウィニペグインターディスコム社でした。私が参加したカスタムISDNブロードバンドWANの研究開発ベンチャーは、ペイTV、グラフィックス気象データ、世論調査、デジタルテレフォニー、モミ/盗難警報、メーター読み取り、高速シリアルデータ用の有線キーボード、および2乾いた冬に静電気から真空管テレビとセットトップボックスへのESDのインチアーク!! これは、RFを介した双方向の最初の大規模SCADA DS1（1.544 Mbps）であり、テストと配信に成功した世界の100戸の住宅に向けられました。私はシステムテスト、およびさまざまなBERテスト機器の設計と製造、および全体的な2ウェイネットワークステータスの監視を担当し、チームはそれを機能させました。これらの100の家すべてが、TDM DS1ツリー/バストポロジ用に1本の同軸ケーブルと2本のRFを共有しました。

最終的には、フィラデルフィアのScientific Atlanta、Intellivision、その他数社を所有する会社に売却されました。